À la base de tout, il y a les éternelles questions des origines.
Ce sont les questions que les prêtres,
les philosophes et nous les scientifiques, avons tous examinées.
Nous cherchons des planètes extrasolaires pour trouver les origines de la vie,
et pour les origines de l’Univers...
nous essayons d’observer les débuts de l’Univers.
Et c’est la principale raison qui nous pousse à construire des télescopes de plus en plus gros et efficaces
et des instruments de plus en plus perfectionnés.
Même si la lumière voyage à 300 000 kilomètres par seconde,
l’Univers est si vaste que la lumière des objets céleste
met longtemps à nous atteindre.
La lumière du Soleil met huit minutes à parcourir les 150 millions de kilomètres
entre le Soleil et la Terre,
alors que la lumière de l’étoile la plus proche, Proxima Centauri, met quatre ans.
La galaxie voisine de la nôtre, Andromède, est à 2,5 millions d’années-lumière,
ce qui signifie que lorsque l’on regarde la galaxie d’Andromède,
on la voit telle qu’elle était il a plus de 2 millions d’années.
En essayant d’observer des galaxies encore plus lointaines,
à plus de 13 milliards d’années-lumière,
nous pouvons remonter le temps et nous approcher de la naissance de l’Univers.
Les astronomes sont des contemplatifs.
La seule chose que l’on peut observer est la lumière.
En réalité, on préfèrerait faire des expériences comme dans les autres sciences...
peser une galaxie par exemple, ou l’empêcher de tourner pour voir ce que ça fait,
mais bien sûr, on ne peut pas faire ça.
Notre seule source d'informations, c’est la lumière.
Bien sûr, on peut prendre des photos, regarder la forme des objets,
et voir leurs couleurs,
mais comme la lumière transmet des informations
sur les atomes qui l’émettent,
en utilisant des quantums d’énergie ou la mécanique quantique
on peut faire bien plus que ça.
On peut trouver la signature de ces atomes, une sorte de code génétique unique,
et c’est très puissant,
car ça signifie qu'on peut déterminer la composition chimique,
la physique du gaz, et même les mouvements des étoiles,
grâce à l’effet Doppler.
Les instruments qui permettent d’obtenir des informations en analysant la lumière
s’appellent des spectrographes, et ils nous sont absolument essentiels.
Depuis son invention au 19è siècle,
le spectrographe est devenu un outil fondamental en astronomie.
Dans les années 1990, un nouveau genre d’instrument
a été inventé en Europe, le spectrographe 3D, ou spectrographe intégral de champ.
Pour la première fois, on a pu obtenir des spectres d’une large zone du ciel,
contenant de nombreux objets astronomiques.
La première génération d’instruments basés sur ce nouveau concept
est maintenant installée sur de grand télescopes du monde entier.
Avec ses nombreux télescopes au Chili,
l’Observatoire Européen Austral, ou ESO,
est à la pointe de l’astronomie européenne.
De nombreux exemples de spectrographes 3D de première génération
sont déjà en place au centre des quatre Très Grands Télescopes,
comportant des miroirs de 8,2 mètres de diamètre, à l’Observatoire de Paranal.
Avec l’avancée de la technologie, après environ dix ans
on peut construire une caméra bien meilleure ou un spectrographe bien meilleur
et les mettre sur un télescope pour le rendre plus puissant,
mais ça prend cinq à dix ans.
Alors au début des années 2000,
l’ESO faisait des projets - on devait avoir des idées pour de nouveaux
instruments plus puissants, des instruments de deuxième génération.
L’appel d’offre de l’ESO nous a immédiatement donné la possibilité d’accélérer,
et de proposer quelque chose qui était basé sur
tout ce qu'on avait appris pendant ces années,
quelque chose de beaucoup plus ambitieux,
qui signifierait qu’on serait capables d’observer
l’Univers très distant comme jamais auparavant,
et donc ça a été le tout début du projet MUSE.
Par le passé, on avait des instruments qui fonctionnaient d’une certaine façon comme MUSE,
des spectrographes intégraux de champ,
ils produisent des images et des spectres en même temps,
ils existaient depuis environ 20 ans,
et à Lyon et dans notre institut de Postdam
on avait eu du succès en utilisant ce genre d’observations.
Mais ce que MUSE propose pour la première fois,
c’est de combiner cette capacité
avec celle d’un instrument topographique,
ce qui signifie qu’on peut regarder une partie importante du ciel,
pas seulement une galaxie,
mais une partie vraiment importante du ciel où l’on trouve beaucoup de choses,
et tout ça avec cette capacité d’imagerie et de topographie.
C’est une approche très novatrice en astronomie.
MUSE, ou Multi-Unit Spectroscopic Explorer,
est composé non pas d’un seul spectrographe 3D, mais de 24.
Lorsque la lumière de la galaxie
capturée par le télescope entre dans l’instrument,
le premier élément optique que rencontre la lumière est le dé-rotateur,
qui compense avec la rotation de la Terre.
L’image stabilisée est ensuite magnifiée à l’aide d’une paire de miroirs.
Ensuite, le faisceau entre dans le premier séparateur de champ.
L’image de la galaxie est séparée en 24 sections,
ce qui donne 24 faisceaux optiques différents.
Ces faisceaux sont distribués par un groupe de
miroirs et de lentilles vers les 24 modules.
La lumière est à nouveau divisée par un second séparateur de champ,
qu'on appelle le découpeur de champ - le chef d’œuvre de MUSE.
Le découpeur de champ est composé de deux séries de 48 miroirs sphériques,
ce qui sépare le faisceau en 48 parties.
La lumière réfléchie par chaque petit miroir entre dans le spectrographe,
où elle est dispersée selon sa longueur d’ondes.
Le détecteur enregistre le spectre d’une petite partie de la galaxie.
Ce processus est répété pour chacun des 48 faisceaux.
Le détecteur est ensuite complètement illuminé.
La même chose se produit simultanément
dans chacun des 24 spectrographes.
Ce qui donne une image de 400 millions de pixels
qui contient toutes les informations spectrales de toutes les parties de la galaxie.
Evidemment, aucun laboratoire ne pourrait entreprendre un projet
aussi complexe que MUSE seul,
aucun n’aurait la force ou la capacité pour ça,
alors j’ai réuni un groupe de laboratoires en Europe qui,
ensemble, avaient l’expertise nécessaire pour un tel projet.
Cinq laboratoires de recherche ont rejoint
le Centre de Recherche Astrophysique de Lyon
pour développer MUSE, en plus de l’ESO.
Le processus a commencé en 2004 avec la conceptualisation, le design
et la construction, avec des experts en
optique, mécanique, électronique et informatique.
Les différentes phases ont pris neuf ans et ont nécessité des centaines de chercheurs,
techniciens et ingénieurs pour faire face aux nombreux défis,
plus particulièrement dans le développement du découpeur de champ,
l’élément clé de MUSE.
Il faut comprendre que, au début,
lorsqu’on a lancé le projet, comme souvent,
on ne savait pas comment créer ce découpeur.
On avait fait un petit prototype, mais c’est tout,
et tandis que le projet avançait,
on a dû démontrer qu'on pouvait réellement le faire.
Alors on a lancé tout un tas de tests,
on a fabriqué tout un tas de choses en métal, avec différentes technologies,
dans le champ optique, avec différents fabricants,
en Europe, et aux Etats-Unis...
et à chaque fois, ça ne fonctionnait pas.
À chaque fois il y avait quelque chose qui ne marchait pas, donc au bout d’un moment,
on pensait vraiment qu’on allait devoir arrêter le projet,
pas de découpeur, pas de MUSE.
Et puis soudain, un fabricant français
a trouvé une technologie
qui pouvait nous permettre de créer le découpeur,
et bien sûr il n’en fallait pas qu’un, mais 24 !
Nous étions sauvés.
L’assemblage de MUSE a commencé à Lyon en 2010.
Des milliers de composants sont arrivés de toute l’Europe.
Il a fallu trois ans pour assembler,
calibrer, aligner et tester l’instrument.
En septembre 2013, après les derniers test, MUSE a été démonté,
emballé avec précaution, et envoyé au Chili.
MUSE est arrivé dans des dizaines de boîtes.
Plusieurs chargements sont arrivés à Paranal, et notre première inquiétude était :
est-ce que tout est arrivé en un seul morceau ?
Parce que ce sont des pièces uniques,
et si une partie était cassée,
on n’aurait pas eu le temps d’en faire une autre assez vite,
c’était déjà très stressant.
Mais tout s’est bien passé,
et une fois que toutes les caisses
avec toutes les pièces ont été déballées à Paranal,
et qu’on a vu que tout était en bon état, il a fallu assembler,
tester et aligner ; et pour MUSE,
qui est l’un des plus gros instruments à installer sur le VLT,
et même le plus gros, cette étape a pris du temps.
Mais la partie la plus angoissante de ce marathon
était de respecter les échéances.
Les nuits qui nous avaient été attribuées pour la mise en service dans le ciel
avaient été fixées longtemps à l’avance,
et on ne pouvait absolument pas les manquer.
C’était une expérience nouvelle pour nous, car sur nos projets précédents,
on avait démonté les instruments,
on les avait séparés en pièces individuelles pour les réassembler à nouveau,
sur le télescope sur la plateforme,
mais pour MUSE, il s’est avéré que ce n’était pas faisable,
parce que MUSE était trop compliqué pour faire tout cet assemblage
et surtout ces alignements à l’intérieur du dôme du télescope.
On a décidé de soulever l’instrument en entier
en une fois dans le dôme,
et il n’y a qu’une seule façon d’entrer dans le dôme avec un instrument de cette taille,
et c’est par l’ouverture d’observation.
Imaginez notre état d’esprit avant de le faire...
On savait que c’était la partie cruciale de l’opération
et que la météo jouerait un rôle clé dans son succès,
car on devait déballer l’instrument
et le laisser dehors avant de l’installer dans le télescope.
Mais bien sûr, alors qu’on s’apprêtait à faire ça,
il y avait du vent et un risque de pluie.
Alors on a ralenti, et on a attendu,
on a eu une réunion et on a parlé de la météo,
et on a décidé d’y aller.
L’un des plus grands risques, bien sûr,
était d’abimer l’instrument.
Mais il y avait aussi un autre paramètre : l’alignement.
Il avait fallu plus de deux mois pour le faire dans le hall d’intégration,
et s’il s’était désaligné,
on n’aurait pas eu d’autre choix que de le faire redescendre.
Et puis il a été soulevé à quinze mètres au-dessus de nos têtes,
mais honnêtement, à ce moment,
je pensais être complètement nerveux
et avoir peur que l’instrument puisse tomber.
Un autre aspect critique était les miroirs du télescope,
et on aurait eu un gros problème avec les miroirs
si le Soleil avait brillé dessus,
alors on a commencé à soulever vers 5h, 5h30 du matin,
et quand on a terminé,
il ne restait qu’environ dix minutes
avant que le Soleil n’arrive sur le miroir principal,
ce qui était le moment où on devait absolument refermer le volet.
Donc ce n’était pas seulement une opération technique très délicate,
mais elle devait aussi être effectuée en un temps très limité.
C’était la première fois qu’une lumière,
autre que la lumière ambiante ou une lampe de calibration,
allait toucher l’instrument...
la lumière d’une étoile ou d’une galaxie, par exemple.
Je voulais rendre le moment symbolique en choisissant
un objet spécial qui était caché et secret, alors j’ai choisi l’étoile de Kapteyn.
Je l’ai choisie car elle est à 13 années-lumière,
ce qui veut dire que la lumière a quitté cette étoile en 2001,
au moment où nous répondions à l’appel d’offre de l’ESO.
Pendant 13 ans,
la lumière a voyagé à travers l’espace
à 300 000 kilomètres par seconde,
et est arrivée 13 ans plus tard sur la chaîne numéro 6 de MUSE.
C’était particulièrement symbolique.
J’ai partagé ça avec l’équipe
et je leur ai aussi dit que c’était parce que
la lumière de l’étoile avançait en ligne droite,
alors que pour nous, ça avait été un peu plus compliqué.
C’était la première lumière
et c’était la première fois qu'on prenait une image du ciel.
Personnellement, j’avais une grosse pression,
parce qu’on avait installé l’équipement
et passé une semaine à l’aligner correctement avec le télescope,
alors quand on a pris la première image,
c’était aussi la confirmation que l’instrument
était exactement en face du télescope.
C’était le résultat de dix ans de travail et ça a fonctionné,
on pouvait voir nos étoiles !
Elles étaient clairement définies et on pouvait les mettre dans le bon ordre.
On avait réussi,
et donc on pouvait laisser l’instrument aux scientifiques,
et on savait qu’ils allaient beaucoup s’amuser avec.
MUSE a été installé, mais avant d’être mis en marche,
il a dû subir une batterie de tests et d’ajustements.
Cette étape, qu’on appelle « mise en service »,
a nécessité de nombreuses nuits de collecte de données
pour permettre aux ingénieurs et aux chercheurs
d’obtenir la performance optimale de MUSE.
Sur cet écran, on voit
l’image reconstruite de la zone de ciel qui est observée.
On voit les différents objets qu’on a marqués,
et pour chaque objet,
on voit le spectre qui nous donne
les caractéristiques et qui nous dit ce que c’est...
si c’est une galaxie, ou un quasar, ou un autre objet présentant un intérêt scientifique.
L’un des gros défis de ce projet était d’être capable
d’analyser efficacement la quantité énorme de données
que l’instrument fournit.
Il est capable de produire 400 millions d’octets de données par minute.
Le volume d’informations est considérable,
mais ce n’est pas seulement le volume, c’est aussi la complexité.
L’image qui arrive sur le détecteur
a été coupée plusieurs fois en de petites parties
par les découpeurs et les séparateurs de champ,
donc c’est extrêmement compliqué et il faut retracer de façon algorithmique
ce qui est arrivé sur le détecteur et comparer ça à ce qu’il y avait dans le ciel.
Ce que MUSE créé fondamentalement, c’est beaucoup de données de pixels sur certains détecteurs,
et si on regarde ça, ça n’a ni queue ni tête.
Donc c’est un processus compliqué.
On a un expert dans l’équipe
qui a écrit ce qu’on appelle le logiciel de réduction de données,
et il rassemble toutes ces données de pixels pour faire
des images, des spectres, le cube de données, et ainsi de suite.
En février 2014, pendant la phase de validation,
MUSE a observé la nébuleuse d'Orion
pour tester sa capacité à observer une vaste région du ciel.
En moins de deux heures, MUSE a pris plus de 60 images de la nébuleuse
- soit 2 millions de spectres -
100 fois plus que ce qui était disponible jusque-là.
Après le traitement, les données ont été arrangées dans un cube
composé d’une série de 4 000 images de différentes longueurs d’ondes.
L’analyse de ces données révèle un nombre distinct d’éléments chimiques
et les conditions physiques du gaz dans la nébuleuse.
Comparé aux simples images, le cube de données produit par MUSE
est si riche en informations que les chercheurs auront besoin de plusieurs mois
pour complètement analyser son contenu et publier les résultats.
Donc en réalité,
ce qu’on a eu avec la nébuleuse d’Orion, c’est exactement ce qu’on espérait,
et même mieux ; c’était vraiment spectaculaire.
Parce qu’il y a beaucoup de gaz, et ce gaz est en mouvement,
et il y a des étoiles - des étoiles chaudes - qui excitent ce gaz,
qui le font rayonner dans différentes
parties du spectre électromagnétique.
Donc on peut facilement visualiser ça avec des cartes très colorées,
et c’est ce qu’on a fait après.
Et vraiment, ce qui est intéressant c’est que c’était une démonstration
des capacités de MUSE mais ça contient aussi
une richesse incroyable de données scientifiquement précieuses.
Tous les six mois,
les membres du consortium de MUSE se réunissent pour des « semaines chargées ».
Pendant ces périodes, ils font des rapports sur le statut
du programme d’observation et discutent des derniers résultats.
Pendant toute la semaine, des professeurs, postdoctorants et étudiants
de nombreuses nationalités se réunissent avec un seul objectif :
extraire des informations scientifiques
de la lumière analysée et disséquée par MUSE.
De nombreux sujets sont explorés.
Ce qui m’intéresse particulièrement, c’est la façon dont les galaxies,
comme notre Voie Lactée, changent avec le temps,
la façon dont elles évoluent, dont elles se sont formées au début de l’Univers,
et la façon dont elles se développent avec le temps,
ce qui contrôle leur façon de se développer, et ainsi de suite.
Et nous savons qu’un élément clé de tout ça
est l’interaction avec le gaz dans l’Univers,
la façon dont le gaz passe de l’Univers à la galaxie
et devient le carburant à partir duquel
les étoiles comme le Soleil se forment.
Et on sait qu’autour des galaxies, il y a du gaz,
le gaz qui reste du Big Bang si on veut.
On voit ça dans l’absorption contre des objets en arrière-plan,
mais on a toujours une sorte de sonde unidimensionnelle.
C’est littéralement comme une aiguille dans une botte de foin.
Avec MUSE, on peut voir où se trouve ce gaz,
dans un genre de volume en trois dimensions.
Et donc ce qu’on veut faire avec MUSE, c’est comprendre cette façon
dont le gaz passe de l’Univers aux galaxies.
Je dirais que le saint Graal de mon propre champ de recherches a été la détection
de ce réseau de gaz dont on pense qu’il doit être là aux début de l’Univers,
à l’origine de la formation des galaxies.
Et MUSE est vraiment le meilleur instrument
pour essayer de voir ça.
On observe des quasars, ce qu'on appelle des quasars,
et ce sont certains des objets les plus brillants de l’Univers,
est le quasar, c’est un trou noir supermassif.
Le gaz s’élève en spirale
à cause de la gravité du trou noir supermassif,
et la gravité est si forte que
le gaz se déplace très, très vite en tournoyant vers le trou noir.
Et comme il se déplace très vite,
il y a beaucoup de friction entre les couches gazeuses
qui se déplacent à différentes vitesses,
et le gaz chauffe beaucoup,
et en chauffant il émet d’énormes quantités de radiation.
On utilisait ces quasars comme outils,
pas pour les étudier, mais comme lampes torches.
Parce qu’elles sont si brillantes qu’on peut les voir depuis l’autre bout de l’Univers,
et on voit de la lumière, et si on regarde le gaz,
qui va du quasar jusqu’à nous - le télescope, l’observateur -
si on voit ce qu’absorbe le gaz autour de la galaxie qui se trouve entre les deux,
on peut en apprendre sur le gaz qui entoure cette galaxie,
qu’on ne peut pas observer d’une autre façon.
Mais pour savoir quel est le lien avec le flux de gaz de la galaxie,
il faut savoir où se trouve la galaxie, et c’est là que ça se complique.
On ne parvenait pas à trouver les galaxies, seulement les plus brillantes.
Avec MUSE, on peut observer des lumières bien plus faibles,
d’un à deux ordres de grandeur plus faibles,
donc on peut trouver beaucoup plus de galaxies.
D’ailleurs, j’ai remarqué qu'on pouvait trouver autant de galaxies
qu'on pouvait voir de lignes d’absorption,
donc on a pu vraiment commencer à corréler le gaz que l’on voit en absorption
avec les galaxies détectés par MUSE,
et de cette façon, pour la première fois,
on a pu en apprendre sur les flux de gaz qui arrivent et sortent
de galaxies très lointaines.
Et c’est important
car en astronomie, regarder loin signifier remonter le temps.
Et avec MUSE on peut étudier ce procédé à un moment
où les galaxies étaient les plus actives dans l’histoire de l’Univers,
elles formaient des étoiles vigoureusement,
et cela a produit d’énormes explosions
qui ont dispersé beaucoup de gaz dans l’espace intergalactique.
Il y a des forages de calottes de glace en Antarctique pour retracer l’histoire du climat,
et c’est la même chose lorsqu’on on observe une zone de ciel en profondeur.
On remonte le temps.
Je m’intéresse particulièrement aux galaxies,
ces énormes groupes de millions d’étoiles,
dans des millions de galaxies dans l’Univers.
On veut savoir quand elles se sont formées, comment elles ont évolué,
et donc c’est comme creuser très profondément dans l’Univers
ce qui veut dire qu’on peut voir des galaxies à différents âges
- leur enfance, adolescence, âge adulte, et ainsi de suite...
et c’est comme ça qu’on essaie de retracer leur histoire.
MUSE est vraiment l’instrument parfait pour faire ça.
Je le trouve formidable, parce que je voulais être archéologue,
et j’ai redécouvert la passion que j’avais étant jeune.
Avec MUSE, je fais de l’archéologie de l’Univers.
En 2014, sur l’équivalent de quatre nuits,
MUSE a observé une zone du Champ profond de Hubble.
Le champ avait été imagé en 2000
Par le télescope spatial Hubble,
à l’aide de très longues expositions
pour obtenir des images en couleurs de centaines de galaxies.
Le cube de données de MUSE sur ce champ est riche d’informations.
En parcourant le cube,
on avance en longueurs d’ondes, de bleu à infrarouge.
Un certain nombre de points lumineux sont visibles,
qui varient en luminosité selon la longueur d’ondes.
Ce sont principalement des galaxies.
D’après les variations de luminosité,
on peut déduire les propriétés physiques des galaxies
- par exemple, quels types d’étoiles y sont présentes.
On sélectionne maintenant une petite région du cube de données ; deux zones, précisément.
La première est le centre d’une galaxie lumineuse. La seconde est vide.
Sur la gauche, on voit un spectre apparaître.
Vers 520 nanomètres on rencontre une ligne d’émission lumineuse.
La galaxie brille intensément à cette longueur d’ondes,
ce qui montre la présence d’oxygène chaud dans la galaxie.
Dans le rouge on voit soudain une autre ligne dans la deuxième partie du cube.
Là, où rien n’était visible avant,
une galaxie est maintenant révélée grâce à la présence d’hydrogène ionisé.
En mesurant la longueur d’ondes précise de la ligne d’émission,
il est possible de déduire la distance de la galaxie.
Elle est très lointaine, à 13 milliards d’années-lumière,
et nous l’avons observée juste un milliard d’années après le Big Bang.
La qualité de l’image du télescope Hubble
permet de voir une galaxie et sa forme avec précision,
mais ce que l’on voit vraiment,
c’est la quantité de lumière qui est reçue à un moment donné dans la galaxie.
Avec les spectres, on a aussi la distribution de l’énergie de cette lumière,
toutes ses longueurs d’ondes et toutes ses couleurs,
et ça nous donne beaucoup plus d’informations,
comme la vitesse de la rotation de ces galaxies,
le mouvement du gaz, les éléments chimiques,
et le nombre d’étoiles de différents âges - jeunes et âgées -
qui composent la galaxie.
Toutes ces informations réunies nous permettent d’estimer
quel stade de développement a atteint la galaxie.
Grâce à MUSE, on a pu mesurer les distances
de quelque chose comme 180 galaxies dans le même champ de vision,
et on a découvert environ 30 nouvelles galaxies très lointaines
dans le même champ qu’on ne pouvait pas voir avec Hubble.
Nous savons que nous avons créé un instrument magnifique,
qui est considéré non seulement par nous,
mais par la communauté de ceux qui l’ont vraiment utilisé,
comme la Rolls Royce de l’astronomie.
Après un an d’utilisation, un nombre remarquable d’articles
ont été publiés grâce à ses données,
principalement par des gens qui n’étaient pas dans l’équipe de MUSE.
C’est formidable de voir que des gens extérieurs au projet
réussissent à utiliser l’instrument aussi facilement,
et à obtenir des résultats - d’excellents résultats - très rapidement.
En 2014, j’ai vécu des moments vraiment extraordinaires.
C’était comme un rêve devenu réalité ; c’était une idée, un plan vague qui est devenu,
en réalité, une machine fantastique pour voyager dans le temps.
C’était une aventure technique, scientifique et humaine.
Durant cette période, j’ai rencontré des personnes remarquables,
d’une intelligence remarquables et dévouées au projet,
et ensemble nous avons fait quelque chose d’extraordinaire
qu’aucun d’entre nous n’aurait pu faire seul.
MUSE sera utilisé par l’ESO et par nous pendant les 10, 15,
ou 20 prochaines années,
donc je pense que MUSE va marquer son époque
en tant que contributeur important à la découverte scientifique.