Cartographie des étoiles, des galaxies et des trous noirs dans l'Univers, grâce à la précision des moteurs et systèmes FAULHABER

Une tâche aux dimensions galactiques : il est prévu qu'au cours des cinq prochaines années, SDSS-V observe quatre millions d'étoiles et 300 000 trous noirs, analyse les spectres et la composition de la matière, reconstruise l'histoire de l'évolution cosmique et teste des modèles physiques de la naissance de la galaxie.

Deux grands télescopes optiques seront entre autres utilisés dans les hémisphères nord et sud pour ce projet international de grande envergure. Des fibres optiques captent la lumière des corps célestes. L'alignement de haute précision de chacune d'entre elles est réalisé au moyen de 500 petits robots qui sont entraînés par des moteurs FAULHABER.

Le Sloan Digital Sky Survey (littéralement le Relevé numérique du ciel Sloan), en abrégé SDSS, est une association coopérative d'astrophysiciens du monde entier. L'année dernière, elle a déjà présenté la plus grande carte en 3D de l'univers existant à ce jour, marquant ainsi une étape importante dans la recherche astronomique. Équipés de nombreux télescopes et autres instruments scientifiques, les chercheurs travaillent en permanence sur toute une série de projets.

Le dernier en date, SDSS-V, doit permettre une nouvelle avancée qualitative dans la compréhension des processus physiques dans l'espace. Le projet vise à permettre la « première observation spectroscopique de tout le ciel dans différentes dimensions temporelles astronomiques dans le spectre lumineux visible et infrarouge ». Au total, plus de six millions d'objets seront ciblés.

Comment se forment les planètes
L'un des objectifs de cette entreprise est de reconstituer l'histoire de notre galaxie natale, la Voie Lactée. Les chercheurs espèrent également pouvoir retracer la formation des éléments chimiques, décrypter le fonctionnement interne des étoiles, étudier la formation des planètes et répondre à de nombreuses questions restées en suspens sur les trous noirs.

Un autre aspect est la cartographie - des milliers de fois plus précise qu'auparavant - des masses de gaz interstellaire de la Voie Lactée grâce auxquelles on veut décrire les « mécanismes d'autorégulation des écosystèmes galactiques ». Les données relatives aux trous noirs et à la mesure de la Voie Lactée seront recueillies par deux grands télescopes : Apache Point au Nouveau-Mexique et Las Campanas au Chili.

« Avec la double vision, depuis les hémisphères nord et sud, nous pouvons regarder le ciel dans toutes les directions, explique Jean-Paul Kneib, professeur d'astrophysique à l'École polytechnique fédérale de Lausanne en Suisse. C'est également pour cela que nous avons utilisé les deux télescopes dans les précédents projets SDSS. SDSS-V nous permet de faire un véritable pas de géant en termes d'efficacité de l'observation et de quantité de données collectées. »

Repérer une supernova
Des fibres optiques placées dans les télescopes sont dirigées vers des objets spécifiques de l'univers. De cette manière, des étoiles individuelles ou les disques d'accrétion lumineux des trous noirs peuvent être observés et évalués de manière ciblée. « Auparavant, nous devions faire fabriquer des plaques spéciales pour chacune des tâches d'observation. La préparation de chaque plaque prenait plusieurs semaines. Ensuite, la fixation des fibres dans les plaques était réalisée à la main - un processus très laborieux et long », rapporte Jean-Paul Kneib.

Grâce à la nouvelle technologie développée spécialement pour le SDSS-V, la réorganisation des fibres ne prend pas plus d'une minute, au lieu de ces plusieurs semaines. En effet, l'alignement des fibres est effectué par 500 petits mécanismes que les astronomes appellent des « robots », dans chacun des deux télescopes. Cela permet également aux chercheurs de réagir immédiatement à des événements cosmiques imprévus.

Ainsi, si, par exemple, d'autres télescopes détectent un événement tel qu'une explosion stellaire, l'un des éléments optiques peut être orienté vers cet événement, pratiquement sans délai. Cela permet une analyse détaillée des processus physico-chimiques survenant pendant le développement des supernovas, analyse qui n'était auparavant pas du tout accessible à ce type d'instrumentation.

Une précision de l'ordre du micromètre
Chacun des petits robots consiste en deux cylindres minces disposés longitudinalement et dotés d'une extension incurvée à l'extrémité avant. Le cylindre arrière, plus épais, est fixé dans la plaque du télescope. Il forme l'unité alpha et fait tourner l'axe central du robot. L'unité bêta est montée de manière excentrée sur l'avant de l'unité alpha. Elle déplace les pointes des fibres dans l'extrémité courbée selon une trajectoire circulaire.

En combinant les deux mouvements axiaux, les pointes des fibres peuvent être positionnées n'importe où dans une zone circulaire. Chaque cercle couvert par l'un des robots chevauche partiellement les zones circulaires des unités voisines. De cette manière, n'importe quel point du ciel peut être automatiquement visé dans la zone de détection du télescope.

Trois fibres optiques sont disposées dans un petit robot. L'une est prévue pour la lumière dans le spectre visible, une deuxième pour le spectre infrarouge. La troisième sert à l'étalonnage. Grâce à elle, les pointes des fibres sont mises en position en trois étapes avec une précision de l'ordre du micromètre : lors d'un premier alignement grossier, les deux moteurs tournent jusqu'à ce que la fibre destinée à l'observation soit dirigée vers l'objet cible avec une déviation de 50 micromètres en moyenne. Une caméra dans le télescope dirigée vers les extrémités avant du robot détecte ensuite la pointe de la fibre d'étalonnage et mesure sa position. En deux autres étapes d'approche, la tête du robot est ensuite mise en position avec une précision inférieure à cinq micromètres.

La recherche accélérée
« Comme nous gagnons énormément de temps grâce à l'alignement automatique, nous pouvons observer beaucoup plus d'objets et prendre un plus grand nombre de mesures individuelles, explique Jean-Paul Kneib. Cet effet est encore amplifié par la haute précision. Le diamètre de la fibre optique est de cent micromètres. Le diamètre du point lumineux qui, venant d'un objet cosmique observé, frappe le télescope est à peu près le même. Plus ces deux petites zones se chevauchent avec précision, plus le rendement lumineux pour nos mesures est élevé, et plus vite nous obtenons donc des résultats valides. »

Les conditions techniques préalables à cette extrême précision sont fournies par les moteurs et les réducteurs de FAULHABER, ainsi que par la mécanique développée spécialement pour cette application par MPS, filiale de FAULHABER. Les deux axes des robots sont entraînés par des servomoteurs CC sans balais de la série 1218 ... B pour l'axe alpha et 0620 ... B pour l'axe bêta. Les deux premiers chiffres de la désignation du type, douze et six, indiquent le diamètre des micro-entraînements en millimètres. Leur force est transmise à la mécanique des robots par des réducteurs planétaires appropriés. Cette mécanique a été développée et construite par MPS. Des codeurs intégrés signalent la position de rotation des moteurs au contrôleur.

Une précision sans jeu
« Pour atteindre la précision requise, nous avons dû éliminer le jeu dans le système », explique Stefane Caseiro, responsable de la conception des composants chez MPS. Pour y parvenir, les ingénieurs ont notamment remplacé l'accouplement habituel entre les arbres des réducteurs et les axes mécaniques du robot par des raccords à serrage et ont installé un ressort de compression pour supprimer le jeu du réducteur. « Rien que de trouver le bon ressort a pris plusieurs mois », se souvient l'ingénieur de MPS.

Il a fallu moins de temps à l'équipe du professeur Kneib pour choisir le bon partenaire pour ce développement technique. « Il n'y a même pas une poignée de fabricants dans le monde entier qui puisse produire des micromoteurs avec la qualité et la durabilité requises, déclare l'astrophysicien. FAULHABER figurait naturellement sur la liste des entreprises auxquelles nous avons demandé un devis. Nous avions déjà travaillé avec MPS lors d'un projet antérieur, la collaboration avait été fructueuse. La proximité géographique de ces spécialistes est bien sûr aussi un avantage : il n'y a qu'une heure et demie de route entre l'université de Lausanne et MPS à Bienne. Outre l'excellente qualité et la bonne expérience commune, le fait que FAULHABER, avec sa filiale MPS, puisse tout fournir à partir d'une seule source a aussi été un argument très décisif. »

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