Les progrès dans la compréhension des phénomènes physiques et des objets peuplant l'Univers sont intimement liés aux développements de nouveaux moyens et de nouvelles méthodes d'observation, qui sont l'objet central des travaux de recherche menées dans notre équipe d'astrophysique instrumentale. Notre équipe MPO présente la particularité de regrouper des chercheurs en astrophysique s'intéressant au développement et à la consolidation de méthodes et moyens d'observation astrophysique (recherche en instrumentation) ainsi qu'à leur exploitation (recherche en astrophysique observationnelle). Nos champs d'activité scientifique, optique atmosphérique (OAtm), optique adaptative (OA), interférométrie optique (IO), imagerie à très haute dynamique (ITHD) & traitement du signal (TS), couvrent assez exhaustivement le périmètre de l'Action Spécifique Haute Résolution Angulaire (ASHRA) de l'INSU.
Les objectifs de notre équipe pour les 5 ans à venir (2023-2027)
Objectif #1 : préserver un cadre d'équipe favorisant les projets à taille humaine
Dans le périmètre HRA, l'activité des membres de notre équipe couvre la R&D amont de concepts et de prototypes, les tests et la qualification sur le ciel de concepts innovants, la participation à la réalisation de projets d'instruments destinés à la communauté et à leur exploitation astrophysique. Si les grands projets sérieux en termes de financements et d'enjeux sont l'activité stratégique qui sert à dimensionner les équipes, les phases de R&D amont, moins visibles, sont tout aussi essentielles : non seulement elles sont le théâtre d'innovation qui peut changer le visage de l'astronomie du futur, mais l'excitation et la légèreté qui les caractérisent fournissent aussi l'oxygène qui nous permettent de trouver du plaisir dans notre métier. Le premier objectif de notre équipe est donc de préserver ce cadre d'innovation et d'oxygénation.
MPO est en effet avant tout un environnement de travail pour des personnels enseignants-chercheurs, chercheurs, doctorants et post-doctorants : un cadre de discussion collégial pour des individus qui, même s'ils travaillent sur des applications différentes, partagent un langage et des outils qui les relient et permet des synergies. Le rendez-vous hebdomadaire de l'équipe, le « Café MPO », est programmé le lundi autour de midi et est un moment de vie apprécié, qui permet de partager et de mettre à l'épreuve des idées brutes et vulnérables dans un environnement bienveillant.
Nous reconnaissons que les projets instrumentaux concernant les grandes infrastructures de recherche impactant la communauté internationale sont importants. Pour des raisons et un historique antérieurs à la création de notre équipe, notre laboratoire n'a pas une implication forte dans les projets de l'ELT de 1ère génération, alors qu'une participation à l'instrument METIS aurait eu tout son sens, étant donné notamment la complémentarité avec l'expertise acquise dans le cadre de MATISSE. Cependant, une des applications astrophysiques phare de la recherche instrumentale menée dans MPO est la caractérisation des planètes extrasolaires et l'équipe est maintenant clairement positionnée pour contribuer à la réalisation d'instruments de 2è et 3è génération de l'ELT ANDES et PCS.
Nous restons globalement vigilants quant au risque de fuite en avant : aller plus vite pour se positionner sur les projets les plus importants dans l'espoir de continuer à recruter et accréter, demande une prise de risque sur des moyens et des disponibilités déjà fortement sous pression. L'équipe protège les individus, reconnait le besoin d'avoir une expérience individuelle enrichissante, qui contribue à la communauté mais sans se faire dévorer par les besoins et les ambitions du collectif.
L'équipe est là pour garantir qu'une R&D amont plus exploratoire et des projets de taille modeste sur des applications niche soient sanctuarisés : ainsi, l'observation depuis l'Antarctique avec ASTEP et le développement de lentilles adaptatives MAL, l'optique adaptative planétaire sur de petites ouvertures avec AOC, des moyens de mesure embarqués de turbulence comme AIR-FLOW et PSAUM, bénéficient du cadre de l'équipe. Certaines de ces activités de niche, ont en pratique un impact important pour la communauté, en particulier française où la HRA est prépondérante : la prédiction de la turbulence des grands sites d'observation ou la caractérisation du seeing de dôme, la capacité à mesurer des discontinuités dans les fronts d'onde sont des solutions que notre équipe amène sur les grandes infrastructures de recherche.
Objectif #2 : contribuer à l'évolution de l'instrumentation astrophysique
L’instrumentation pour l’astrophysique n’existe pas « sur étagère » : chaque nouvel instrument est un prototype unique et un lieu d’innovation. Dans la suite de l’utilisation de capteurs électroniques et de l’informatisation des instruments maintenant acquises, de nouvelles filières continuent d'influencer la conception et l'opération des instruments. L’équipe contribue à trois voies d’évolution de l'instrumentation astrophysique qui devient adaptative, compacte et continue de repousser les limites.
Instrumentation adaptative (optique adaptive & suivi de frange)
L’optique adaptative (OA) et son pendant interférométrique (le suivi de frange, ou fringe tracking - FT) sont déjà des sous-systèmes faisant partie intégrante du design des observatoires et des instruments. Avec à la fois une expertise dans l’OA elle-même (moyens de simulation CAOS, plateforme de test AOC sur le plateau de Calern), les mesures de front d’onde optimisant la performance de l’imagerie haut contraste (ZELDA, APF-WFS, SCC), mis en œuvre sur des expériences de laboratoire (SPEED, KERNEL ou HiCAT@STScI) ou des grands instruments en activité (VLT/SPHERE et Subaru/SCExAO), les travaux dans notre équipe montrent que la meilleure performance s’obtient en mettant en œuvre une approche systémique, combinant des informations en provenance de plusieurs analyseurs.
En complément de cette approche systémique qui est surtout pertinente dans le contexte de l'ITHD, l'équipe mène une R&D sur de nouveaux concepts en OA grand champ, planétaire avec AOC (contribuant aux observations de Jupiter par JOVIAL) et/ou multi-objet (concept VWFWFS). Le fringe tracking n'est pas en reste non plus : l'ERC KERNEL a permis de prototyper HEIMDALLR, le module métrologique de la suite instrumentale VLTI/ASGARD, dont le laboratoire assurera l'intégration à partir de 2024 et la R&D sur HFT (suiveur de franges hiérarchique) continue avec la prospective d'un HFT-6T destiné à l'interféromètre CHARA qui boostera les capacités d'observations de l'instrument SPICA-VIS. A terme, un HFT-4T pourrait se voir installé au VLTI avec un impact potentiel très important sur le programme d'observation des AGNs motivant de nouvelles collaborations transverses.
Instrumentation compacte
Bénéficiant de la dynamique créée par les projets KERNEL et ANAtOLIA, un point de convergence de l'équipe concerne la miniaturisation des instruments. Cet effort de miniaturisation se manifeste avec la mise en œuvre de l'optique intégrée pour l'interférométrie (HFT & Kernel-nuller) et la spectroscopie (technologie AWG) via deux projets, IO4OI & C-SPEC, financés dans le cadre du PEPR Origins ; ainsi que les outils de caractérisation de la turbulence avec PSAUM (version low-cost de ANAtOLIA qui est elle-même une version compacte de CATS) et AIR-FLOW.
Cet effort de miniaturisation est en partie motivé par la perspective de développer des solutions embarquées, au sol ou dans l'espace, permettant d’envisager de nouvelles applications industrielles, tout en étant plus énergétiquement vertueuses.
Instrumentation aux limites
Un moteur de l'innovation est la recherche de performance et beaucoup de nos travaux cherchent à repousser les limites de l'instrumentation et des observations. Cette recherche « aux limites » se manifeste dans l'exploitation de données astrophysiques : les données de SPHERE en collaboration avec le LAM, celles de MUSE avec le CRAL, celles du mode kernel-phase imaging de JWST (NIRISS & NIRCAM) en collaboration avec l'Université de Montréal, ou les observations kernel sur Subaru/SCExAO en collaboration avec UC Irvine. Dans tous les cas, ces programmes bénéficient de la mise en œuvre d'algorithmes de détection définis sur la base de tests statistiques dédiés.
Repousser les limites motive de la R&D, notamment la mise au point de recombineurs interférométriques alternatifs : le concept HFT qui cherche à repousser la magnitude limite des sources observables avec l'interférométrie pour permettre l'observation de sources cosmologiques ; le kernel-nuller qui veut permettre l'imagerie haut-contraste à la limite de résolution des interféromètres (dynamique VLTI/ASGARD) ; la revisite de l'interférométrie d'intensité pour les bases et les longueurs d’onde au delà des capacités des interféromètres actuels, en collaboration avec nos voisins de l'Institut de Physique de Nice, qui nous plonge dans l'optique quantique avec de la R&D sur le plateau de Calern et sur le VLTI, et en ligne de mire, un projet exploitant les collecteurs de CTA.
Objectif #3 : renforcer nos liens avec le milieu industriel
Les solutions de métrologie fine et la recherche de performance dans des applications de détection génèrent de l'intérêt chez les industriels, qui suivent et contribuent à nos travaux. Cette relation se manifeste par le développement de nouveaux composants, comme l'accompagnement du développement de miroirs secondaires adaptatifs par l'entreprise TNO, le co-design de composants d'optique intégrée avec l'entreprise Bright Photonics. Notre équipe contribue également à la création de solutions clé-en-main comme les instruments AIR-FLOW (déployés au CFHT ou au LBT), ou la station ANAtOLIA, destinée à être dupliquée après livraison à l'ESA. Ces solutions incluent également la valorisation d'outils de simulation. Nos relations impliquent quelquefois de la prestation de service et/ou de la formation de futurs employés : traitement imagerie courte pause depuis le sol de satellites pour Ariane Group ; mise en œuvre d'algorithmes de détection incluant du Machine Learning avec l'entreprise ACRI-ST.
Cette synergie avec les industriels se manifeste également dans la réponse commune à des appels d'offres, notamment à l'ESA (Active Optics in deployable systems for future Earth Observation and Science missions, Kernel-Nuller Telescope, ANAtOLIA). Dans cet écosystème, nous entretenons une relation privilégiée avec l'entreprise TAS-F (laboratoire commun TAS – OCA depuis 2018) qui nous accompagne régulièrement dans ces appels d'offres.
Notre équipe envisage enfin d'accompagner la création d'une startup appelée ATTMMOS (Atmosphere & Turbulence Monitoring instrumentation and MOdeling Systems), destinée à assurer la commercialisation de répliques du prototype ANAtOLIA et continuer à faire de la R&D. Une belle application se dessine pour ces stations intégrant du potentiel prédictif, pour la production d'énergie solaire et éolienne à partir de mesures locales. Les contacts actuels avec l'agence MASEN devraient à terme permettre un accès à des sites de production au Maroc mais en attendant, nous envisageons une installation pilote sur le site de Calern destinée à prédire la production électrique d'un panneau solaire.
Objectif #4 : continuer à mieux intégrer le traitement du signal
Le traitement du signal (TS), qui vient déjà en appui de nombreux projets et est intégré aux autres objectifs de l'équipe, est stratégique et mérite la mise en avant d'un objectif dédié. L'anticipation des techniques de post-processing dans le développement de nouveaux concepts instrumentaux est une tendance réelle, appelée co-conception. Le kernel-nuller ou le fringe-tracker hiérarchique HFT sont des exemples de co-conception, avec un design optique qui est altéré pour prendre en compte les contraintes de détection/mesure afin de renforcer l'état de l'art.
Le TS vient en appui de nombreuses applications et on peut citer trois cas d'utilisation : (i) le contrôle de franges en conditions instables qui requiert la mise en œuvre de lois de commande adaptatives (étudiées dans le cadre de HFT) ; (ii) l'exploitation d'approches de l'imagerie à court temps de pause : malgré une généralisation de l'OA, les approches dérivées de l'imagerie speckle et du lucky imaging restent des approches stratégiques, adaptées par exemple au cas d'utilisation des télécommunications optiques et pour lequel il est critique de fonctionner, même quand les conditions d'utilisation sont sub-optimales ; (iii) le développement d'algorithmes dédiés qui permettent de pousser à son maximum l'exploitation scientifique des instruments (par exemple l'imagerie de VLT/MUSE, JWST). De tels travaux produisent des méthodes exploitables pour d'autres configurations instrumentales (par exemple en détection par vitesses radiales ou en astrométrie pour GAIA), créent des collaborations inter-équipes (par exemple TOP et P2S) et même inter-laboratoires. De plus, les problématiques de traitement issues de l'instrumentation suscitent souvent des questions méthodologiques fondamentales qui génèrent une recherche en signal et en apprentissage statistique.
Enfin, nous voyons également comme dans beaucoup de domaines, les techniques de l'intelligence artificielle et notamment du machine learning (ML) monter en puissance. Notre équipe explore déjà les possibilités ouvertes par ces approches dans une logique de détection (notamment en collaboration avec ACRI-ST) ou pour faire de la prédiction de la turbulence (ANAtOLIA). C'est aussi dans les applications métrologiques de notre équipe (ZELDA, APF-WFS) que cette approche ML devrait apporter des avantages inédits, comme celui de les rendre utilisables dans un régime non-linéaire, ce qui augmenterait leur domaine de capture.
Objectif #5 : contribuer utilement à l'offre de formation locale
Les personnels de MPO considèrent que l'astrophysique instrumentale est un cadre de formation stimulant et valorisant et souhaiteraient voir ce cadre encore plus valorisé. Nos permanents, qui sont majoritairement des enseignants-chercheurs, sont fortement impliqués dans le parcours du Master MAUCA et dans l'organisation du nouveau Master Erasmus+ MASS, à la fois pour l’animation et pour des propositions de modules de formation. Si UCA est aujourd’hui associée au projet MASS, c’est essentiellement grâce à l'expertise locale sur l'instrumentation portée par notre équipe, qui n’est pas présente chez les autres universités partenaires (Belgrade, Breme & Rome).
Notre équipe contribue également à l’animation de filières hors-master, en s’impliquant dans le Certificat en Sciences de l’Univers (CfSU) de niveau licence avec un module sur l’instrumentation, ainsi que dans le diplôme universitaire en astrophysique observationnelle (DUAO).
Le travail de R&D en instrumentation se distingue des sujets purement astrophysiques car il offre aux étudiants (doctorants & stagiaires accueillis dans l’équipe) des compétences métiers valorisables en dehors du monde académique : méthodes de laboratoire, travail en espace propre, conception, intégration et alignement de designs optiques avancés, mise en œuvre d’actionneurs pilotés par des programmes informatiques, mise en œuvre de boucles d’asservissement, etc.
L’équipe héberge plusieurs projets financés via des contrats industriels qui sont autant d’opportunités aux primo-entrants dans le monde du travail menant à l’obtention d’un diplôme de doctorat. Nous reconnaissons cependant que pour des étudiants se destinant à des carrières académiques en astrophysique, la dimension appliquée de nos projets peut devenir un handicap. Maintenir une forme de transversalité via des projets communs avec les autres équipes thématiques du laboratoire permet de tempérer un peu cette limite. Mais la réalité est que le recrutement d’un jeune chercheur est un marathon stratégique avec une très faible probabilité de succès.
Notre équipe a intérêt à expliciter cette réalité lors de l'embauche des doctorants, qui sont quelquefois recrutés en dehors des filières de Master en astrophysique. C’est un sujet de discussion récurrent de l’équipe, qui a été confrontée à plusieurs interruptions de thèse ces dernières années, fortement marquées par la période COVID. Nous avons décidé de proposer, à partir de l’année prochaine, sur notre page internet, une série d’articles à destination des étudiants candidats, dont le but sera de clarifier et détailler : les attentes d’un doctorant démarrant une thèse en instrumentation, une mise en avant des compétences métiers, une présentation de plusieurs parcours post-thèse possibles. Nous aimerions également profiter de cet espace pour générer des vocations chez les jeunes filles, qui sont encore trop minoritaires dans nos formations. Une idée en cours d’évaluation serait de proposer des entretiens/profils de collègues femmes qui réussissent de belles carrières dans notre thématique.
Projets structurants des années à venir
La validation de ces cinq objectifs de l'équipe va bénéficier de l'existence ou de la mise en place prochaine de plusieurs sources de financement.
ANAtOLIA (Atmospheric moNitoring to Assess the availability of Optical LInks through the Atmosphere)
Ce contrat ESA, piloté par Aziz Ziad, et disposant d’un budget total de 2M€ apporte 1.2M€ de moyens dans l’équipe. ANAtOLIA a permis le recrutement de quatre ingénieurs : un chef de projet, un ingénieur en instrumentation, un ingénieur en contrôle instrumental et un ingénieur en traitement et analyse des données. Le projet, démarré en février 2021, se terminera en février 2025. Il implique trois chercheurs permanents de MPO : É. Aristidi, M. Carbillet et A. Ziad.
Une start-up, appelée ATMMOS, est en cours de création avec l'aide de CNRS-Innovation, l'incubateur PACA-Est, service innovation de UCA-Idex. L’objectif premier de cette startup est de valoriser la R&D menée dans le cadre du projet en assurant la commercialisation de la station ANAtOLIA et l'instrument compact & low-cost breveté PSAUM, tous les deux destinés à être répliqués. ATTMOS sera également un lieu de R&D pour répondre à d'autres besoin en prédiction des conditions atmosphériques y compris la turbulence, nécessaire à une programmation intelligente des observations astronomiques, au choix des stations OGS au sol les plus disponibles pour assurer des liens de télécommunications avec des satellites, sans oublier la prévision de la production énergétique des stations solaires et éoliennes.
ANR MELBA (Étude Multi-Échelle à Large Bande de Noyaux Actifs de Galaxies)
Cette ANR en partenariat avec le LESIA et coordonnée par Romain Petrov, apporte 300 k€ de moyens dans l’équipe, avec 24 mois de post-doctorat, le financement d’une thèse, de l’équipement, et dont le but est de contribuer à augmenter la sensibilité (en terme de magnitude limite), et par conséquent en couverture de ciel, de GRAVITY+ et de nouveaux modes d’utilisation de MATISSE en synergie avec GRAVITY: GRAV4MAT & MATISSE-Wide. Le projet, démarré en 2021, se terminera en 2025.
Avec R. Petrov, Olivier Lai et Sylvie Robbe-Dubois, notre équipe est par ailleurs très impliquée dans l'accompagnement de la réalisation de l'optique adaptative de GRAVITY+ qui mobilise beaucoup de forces vives du laboratoire, et contribuera à décupler tous les modes d'observation du VLTI, qui avec une sensibilité accrue, permettra enfin d'observer un grand nombre de sources cosmologiques à haute résolution angulaire.
Roadmap PCS
L’ESO a fait le choix stratégique de repousser la réalisation d’un instrument de type XAO au foyer de l’ELT après la réalisation des instruments ANDES et MOSAIC. L’imagerie directe et la caractérisation des planètes extrasolaires dans la zone habitable des étoiles du voisinage solaire reste plus que jamais un des objectifs les plus ambitieux des différents programmes de prospective en Europe et dans le reste du monde.
La communauté en France et en Europe s’est structurée autour d’une roadmap pour PCS, dont un des prochains jalons sera le déploiement d’un upgrade de l’instrument SPHERE. La roadmap PCS n’est pour l’heure pas complètement financée (échec de la demande OPTICON22) mais fera l’objet de nouveaux appels structurants dans le contexte Horizon Europe. Le dernier projet soumis a permis d’ancrer le travail de R&D amont mené par Patrice Martinez avec SPEED.
Soutenu par de multiples sources de financement, SPHERE+ est en train de se concrétiser. Le laboratoire a ainsi accueilli le Kick-Off meeting du projet en octobre 2022, et l’organisation qui se met en place inclut Gaël Chauvin en tant que Project Scientist ainsi que Mamadou N’Diaye en tant que Co-I.
La suite instrumentale VLTI/ASGARD
Le colloque VLT-2030 a permis de porter à la connaissance de l’ESO, l’existence du projet de la suite instrumentale ASGARD, en vue d’une installation sur un foyer visiteur du VLTI. Le projet a été formellement proposé à l’ESO en 2022 et dernièrement examiné par le STC dont le retour officiel est encore attendu. Le retour informel est très positif mais le projet devra se phaser avec l’intégration de GRAVITY+ qui est prioritaire pour la stratégie du VLTI.
ASGARD regroupe trois instruments financés de façon indépendante : BIFROST (PI Stefan Kraus, U. Exeter), NOTT (PI Denis Defrère, KU Leuven) & HEIMDALLR (PI Michael Ireland, ANU). L’ERC KERNEL avait permis de prototyper et de valider l’architecture de l’instrument métrologique HEIMDALLR. Frantz Martinache & Mamadou N’Diaye sont ainsi Co-I du projet, dont l’accord de consortium vient d’être signé par tous les partenaires. Le laboratoire Lagrange va accueillir l’intégration de HEIMDALLR dès le second semestre 2024 avant expédition à Paranal. Avant cela, nous assurerons la réception et la caractérisation des miroirs déformables qui seront utilisés au foyer du VLTI, dès 2023. En plus de l’implication dans la réalisation instrumentale, nous souhaiterions générer de l’intérêt dans les équipes thématiques, notamment l’équipe de physique stellaire et l’équipe transverse exoplanète (où le projet a déjà été présenté).
PEPR Origins
Notre équipe a enfin été fortement impliquée dans la mise au point de plusieurs actions de R&D qui ont été intégrées au PEPR Origins. F. Martinache est ainsi PI d’un workpackage du PEPR intitulé IO4OI (Integrated Optics for Optical Interferometry), disposant d’un budget de 1.4 M€ pour des activités en partenariat avec l’IPAG et le LESIA. Martinache est également Co-I d’un autre workpackage intitulé C-SPEC (Compact Spectroscopy), porté par l’IPAG et disposant d’un budget comparable. Du point de vue de notre équipe, les deux activités en synergie vont permettre de capitaliser sur les avancées de l’ERC KERNEL et de faire progresser les solutions de l’optique intégrée pour l’instrumentation en astrophysique. Ce projet, qui va démarrer en 2023 durera six ans, finançant autant d’années de contrat de post-doctorat, plusieurs thèses, et plusieurs centaines de k€ de réalisations techniques, de prototypes et de démonstrateurs qui seront déployés sur le ciel.
