Le spectrographe FLAMES/GIRAFFE

FLAMES/GIRAFFE est un spectrographe multi-fibres dédié à la physique stellaire et extragalactique. Il est installé au second foyer Nasmyth de la deuxième unité, Kuyen, du Very Large Telescope de l'European Southern Observatory.

Cet instrument permettra des observations spectrales de haute qualité d'une grande variété d'objets célestes, allant des étoiles de la Voie Lactée aux galaxies les plus lointaines. De telles études auront un impact important sur notre compréhension de la physique des étoiles et de l'évolution des galaxies, pièces maîtresses de la construction de l'Univers.

Les quatres télescopes du Very Large Telescope de l'European Southern Observatory avec, en surimpression sur le coté du télescope Kuyen, le spectrographe FLAMES/GIRAFFE installé au foyer de ce télescope.
© ESO.

Le principe

Quatre modes d'observation au service de la science

Le principe de l'instrument consiste à positionner sur le ciel, dans un champ de vue de 25 minutes d'arc (à peu près à la taille de la Lune), une série de fibres optiques dont chacune est destinée à collecter la lumière d'une portion du ciel. La lumière est alors canalisée par ces fibres vers le ou les spectrographes qui en réalisent les spectres.

L'instrument comporte 4 modes d'observation :

Deux de ces modes sont du type «multi-objets« simples : chaque fibre est destinée à recueillir la lumière d'une étoile.
Les deux autres modes sont du type "objets étendus" que l'on appelle «spectrographie 3D« ou «Intégrale de Champ«. Leur principe consiste à découper un objet étendu (une galaxie) en une série de pixels et à en réaliser autant de spectres. Sur FLAMES/GIRAFFE, ces pixels sont définis par des trames de microlentilles qui alimentent des torons de fibres.

Présentation de deux de ces modes, le mode IFU pour les galaxies et le mode MEDUSE pour les étoiles.

Les modes multi-objets simples

MEDUSE-FLAMES/GIRAFFE et MEDUSE-UVES

Le mode MEDUSE-FLAMES/GIRAFFE compte 132 fibres, chacune d'entre elles fournissant le spectre d'une étoile. Grâce à sa fonction multiplex, à sa résolution spatiale et à sa sensibilité, FLAMES/GIRAFFE pourra observer des étoiles individuelles situées bien au-delà de l'environnement solaire, incluant les étoiles présentes dans le bulbe et le halo de la Voie Lactée jusqu'aux étoiles situées dans les galaxies naines du Groupe Local. Ce mode sera unique pour l'étude détaillée des propriétés de ces étoiles (âges, abondances, rotation, etc...) et pour comprendre la structure et l'évolution de notre Galaxie et de ses satellites.

Le mode MEDUSE-UVES réalise une fonction analogue sur 8 étoiles seulement, mais à haute résolution spectrale : R = 40 000. Il apporte en outre une originalité, liée à l'emploi de fibres optiques : celle de permettre le fonctionnement simultané de 2 spectrographes différents.

Simulation d'une observation en mode MEDUSE-FLAMES/GIRAFFE d'un amas ouvert NGC 2099 de notre Galaxie et schéma d'un bouton pour ce mode. Avec son champ de 25 minutes d'arc et ses 132 fibres, FLAMES/GIRAFFE observera tous les types d'étoiles de l'amas depuis les géantes rouges jusqu'aux étoiles du coude de la séquence principale avec notamment des binaires spectroscopiques (illustrées par les 3 spectres présentés sur la figure).
© GEPI. Observatoire de Paris. CFHT. CNRS. INSU.

Les modes "objets étendus"

IFU et ARGUS

Le mode IFU consiste en un ensemble de 15 systèmes déployables comportant 20 fibres optiques chacun. Chaque IFU ressemble à l'œil d'un insecte et peut intercepter, grâce à une trame de microlentilles, une petite portion du ciel de 3« x 2« d'arc.

Le mode ARGUS est analogue au précédent à cette différence qu'il se compose d'un seul IFU de 300 fibres concentrées au centre du champ. Ces modes seront les plus adaptés à la résolution des champs de vitesse et des courbes de rotation de galaxies ayant émis leur lumière il y a 8 ou 9 milliards d'années.

Dans son mode multi-intégrales de champ, FLAMES/GIRAFFE permettra l'observation simultanée de 15 objets et nous apportera ainsi un éclairage nouveau sur la formation des galaxies dans l'Univers jeune.

Simulation de l'observation du champ profond HDFS avec le mode FLAMES/GIRAFFE multi-intégrales de champ déployables (IFUs). Sur le coté est présenté un agrandissement du bouton IFU, d'une galaxie distante observée, et du champ de vitesse déduit des 20 spectres. Ce champ donne la vitesse de rotation des étoiles dans le disque de la galaxie.
© GEPI. Observatoire de Paris. NASA. CNRS. INSU.

Trois exemples de galaxies. Pour chacune d'elle à gauche l'image obtenue avec le télescope spatial Hubble avec en surimposition le maillage IFU, à droite le champ de vitesse obtenu avec FLAMES/GIRAFFE (en bleu se rapprochant, en rouge s'éloignant).

© GEPI. OP. ESO/VLT/GIRAFFE/FLAMES. CNRS.

En haut, CFRS 031353, est une galaxie spirale ayant un disque en rotation normale. Au centre, CFRS031349 est une galaxie compacte et lumineuse dont la rotation du disque est perturbée par la galaxie que l'on voit et qui se situe à plus de 60 000 années-lumière. En bas, CFRS030523 est une galaxie compacte ayant une cinématique complexe. Sa structure très perturbée montre la présence d'une queue due probablement à des effets de marée gravitationnelle.

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Le système de fibres optiques

Le système de fibres optiques de FLAMES/GIRAFFE est unique par sa quantité (près de 1500 liens ce qui représente un total de près de 20 km de fibres, 500 boutons magnétiques, etc.), par sa diversité (4 modes instrumentaux, incluant des fibres spécifiques de calibration spectrale et de soustraction du ciel) et par le niveau de performances requis (transmission supérieure à 43% sur tout le spectre, précision de positionnement relative des entrées et sorties des fibres inférieures à 5 microns).

Cet ensemble de contraintes très diverses a impliqué, bien avant le lancement du projet, une importante activité de recherche et développement portant sur le choix : des composants optiques, des colles et des matériaux, des méthodes d'usinage des férules mécaniques et des procédés de montage et de tests. L'expérience de FLAMES/GIRAFFE nous a aussi montré qu'une concertation étroite et constructive avec les industriels est incontournable. Elle constitue l'une des clés principales de la réussite du projet.

Le spectrographe GIRAFFE vient d'obtenir sa première lumière au Very Large Telescope de l'European Southern Observatory. Il s'agit d'un spectrographe multi-fibres qui permettra des observations spectrales de haute qualité d'une grande variété d'objets célestes, allant des étoiles de la Voie Lactée aux galaxies les plus lointaines. L'ensemble FLAMES inclut le spectrographe GIRAFFE, les systèmes de fibres, le positionneur de fibres OzPoz et le correcteur de champ. Il est le résultat d'une collaboration entre l'European Southern Observatory, l'Observatoire de Paris, l'Observatoire de Genève et l'Anglo Australian Observatory. Les systèmes de fibres optiques et le spectrographe (GIRAFFE) ont été réalisés par le laboratoire «Galaxies, Etoiles, Physique et Instrumentation« (GEPI: CNRS - Observatoire de Paris - Université Paris VII). Un tel instrument améliorera notre compréhension de la physique des étoiles et de l'évolution des galaxies, pièces maîtresses de la construction de l'Univers.

Le principe de cet instrument consiste à positionner sur le ciel une série de fibres optiques dont chacune est destinée à collecter la lumière d'une portion du ciel. La surface couverte représente un champ de vue de 25 minutes d'arc, équivalent à la taille de la Lune. La lumière est canalisée par ces fibres vers le ou les spectrographes qui en réalisent les spectres. Ces fibres sont déplacées dans le plan focal par un positionneur.

Lancement du projet	15 juillet 1998
Manpower affecté par l'Observatoire de Paris	35 hommes.ans
Coût consolidé du projet	environ 6 Meuros
Longueur totale des fibres	environ 20 km
Dimensions du spectrographe	L : 4 m, l : 1,1 m, H : 2 m
Masse	2 200 kg

L'instrument comporte 4 modes d'observation. Deux de ces modes sont du type "multi-objets" simples: chaque fibre est destinée à recueillir la lumière d'une étoile (132 objets simultanément). GIRAFFE sera unique pour l'étude détaillée des propriétés (âges, abondances, rotation, vitesses radiales) des étoiles situées bien au-delà de l'environnement solaire, incluant les étoiles situées dans le disque, le bulbe et le halo de la Voie Lactée, jusqu'aux étoiles des galaxies du Groupe Local.

Les deux autres modes sont du type "spectrographie 3D" ou "intégrale de champ". Leur principe consiste à découper un objet étendu (une galaxie) en une série de pixels et à en réaliser autant de spectres. Une des particularités de GIRAFFE est d'être le premier instrument au monde à déployer simultanément 15 systèmes dits intégrales de champs («integral field units«, IFUs), constitués chacun d'une mosaïque de 20 fibres optiques qui sont positionnées sur le ciel. Chacun de ces systèmes ressemble à un œil d'insecte, et dans leur ensemble ils collectent pas moins de 300 spectres simultanément. Sur GIRAFFE, ces pixels sont définis par des trames de microlentilles qui alimentent des torons de fibres.

Sous la responsabilité et avec le soutien de l'ESO, les systèmes de fibres (dont les IFUs) et le spectrographe GIRAFFE ont été réalisés par le laboratoire GEPI de l'Observatoire de Paris (UMR CNRS), le positionneur de fibres par l'Anglo Australian Observatory, l'Observatoire de Genève développant avec le GEPI le logiciel de réduction de données.