L'imageur de Fresnel et le projet FDAI-UV

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1 L'imageur de Fresnel et le projet FDAI-UV
Laurent Koechlin

2 Sommaire Domaines astrophysiques concernés
- objets du système solaire - formation des systèmes exoplanétaires - astrochimie et physique des galaxies Résultats au sol et principe optique plans de développement pour le spatial

3 "Science cases" groupe 1 : Système solaire
- Objets du système solaire accessibles avec un imageur de 4m spatial Résolution linéaire 5 km, champ 5000 km à I UA, λ = nm 12000 champs accessibles en 5 ans Statistique des densités et formes des astéroïdes Je présente quelques science cases. Ce n'est pas un instrument pour répondre à une question unique, c'est un instrument généraliste. Aurores sur planètes gazeuses

4 "Science cases" groupe 2 : disques protoplanétaires
Environnements stellaires, disques protoplanétaires (formation des systèmes planétaires et exoplanètes) 12000 champs accessibles en 5 ans avec un imageur de 4m Plusieurs autres cibles proches : TW Hya (56 pc) Taurus, Lupus, Ophiucus (140 pc) Formation des planètes, on aura les exoplanètes telluriques su plus grande ouverture que 4m Simulation numérique Imageur de Fresnel (T.Raksasataya) et groupe NUVA

5 "Science cases" groupe 3 : Galaxies
Etude fine du premier maillon (Z<2) permettant de comprendre la physique des objets lointains. - Nuages moléculaires dans notre galaxie - nébuleuses par réflexion - Objets compacts, AGN 12000 champs accessibles en 5 ans avec un imageur de 4m Beaucoup de raies spectrales dans l'UV Images H. ATEK, D.Kunth et al. L'imageur de Fresnel permettrait de voir ces champs à très haute dynamique, d'explorer l'environnement proche des objets compacts et très lumineux.

6 "Science cases" groupe 3 : astrochimie et galaxies
- Pour préparer ces science cases: coopérations en cours avec: à l'IRAP GAHEC SISU à l'IAP groupe de D.Kunth à l'UMC (Madrid) groupe de Ana Ines Gomez de Castro This would be a mission proposed to ESA CV for 2025 or so... Roser Pello

7 Observatoire de la Côte d'Azur, coupole du grand équatorial
Validations au sol Observatoire de la Côte d'Azur, coupole du grand équatorial Coupole de grand diamètre, car focale longue

8 Tests sur le ciel En parallèle sur le tube du grand équatorial (Nice)
Bande passante 650 à 900 nm Action R&T CNES R-S08/SU Grille primaire 696 Zones 50 μm d'épaisseur 20 cm de côté Je passe sur les trois ans de validation et conception en labo (au LATT et salle blanche CESR) Correction du chromatisme par une lentille de Fresnel inverse au plan pupille Close to subapertures (specially shaped holes) in a thin metal foil, form the primary array The refractor optics dating from 1887 are not used here: only the tube and the mount drive. The optical axis of the Fresnel testbed runs parallel and outside the tube of the refractor. Module récepteur Photo D.Serre

9 Tests sur le ciel juillet 2009 et janvier à mars 2010
résolution 0.8" champ 800" λ0 = 800 nm Δλ = 100 nm Vol en formation : dimuler quelques éléments (attitude) On est au TRL 5 (relevant environment) Photo D.Serre

10 Test sur la lune avec la grille de Fresnel 20 cm
composite de 2 images 44 km Pour cette image : Préparation de l'observation : toute l'équipe Prise de données L.Koechlin Traitement T.Raksasataya Dépouillement J.P Rivet 10

11 Saturne et satellites On voit 4 satellites, sur la même image
tests faits sur Jupiter, Uranus,

12 Tests sur le ciel avec la grille de 20 cm
Imagerie Haute dynamique Janvier - Février 2010 The impage of Sirius B has been obtained by subtracting a reference star (Procyon) The four spikes are due to the square frame and orthogonal structure in the Fresnel array. In the image of Sirius AB (right) the thin vertical and thick hotizontal black lines are due to the detector. The blob on the left part of the field (for Sirius AB) is a reflection in the dichroic plate. Detector : emccd camera Andor "r" M 42 et le trapèze θ Orion séparation 4.3" Sirius AB Separation 6" Magnitudes / 8.5 nm

13 Tests sur le ciel avec la grille de 20 cm
Phobos & Deimos, les satellites de Mars. Contraste Brightness ratio: 400,000 for Mars / Deimos The satellites have slightly changed position from one picture to the other. Detector : emccd camera Andor "r" Feb 13, :08 Feb 13, :19 Images des Satellites de Mars, bande spectrale nm avec une ouverture de 20 cm (jamais fait avant, à notre connaissance)

14 Grille de Fresnel  focalise par diffraction
lentille ou miroir  focalise par réfraction ou reflexion Lentille Comment ça marche ? Onde plane foyer Onde sphérique Grille de Fresnel  focalise par diffraction Transmission binaire Foyer primaire Ordre 0 : onde plane Ordre +1 : convergent exemple pour une lentille

15 Principe optique Image pupille
Lumière parasite confinée dans les aigrettes. T+1 < 10% F = Cgr2 / (8 N )

16 Module Grille de Fresnel
Schéma optique d'un imageur de Fresnel spatial Grille Module Récepteur Réseau correcteur (ordre -1) Optique de champ refocalisation masque Image finale achromatique plan pupille Ordre 0 Instrumentation focale plan image 1 dispersé focale Module Grille de Fresnel

17 Télescope spatial proposé pour l'astrophysique UV
Module "grille primaire" 3.6 à 4 m de diamètre, 700 zones Vol en formation Module récepteur Optique de champ : télescope de 60 cm de diamètre. Correction du chromatisme: Réseau concave de Fresnel, 15 cm de diamètre Description usage The primary array is a Fresnel zone plate, made of a thin foil, with a large number of void apertures cut into it, The apertures shapes and positions are defined by the intersection of the concentric circles of Fresnel zones, and a large number of orthogonal bars at special positions. This Fresnel array focuses light by diffraction and forms an image at the entrance of the receptor module. Up to 7% of the incident light is transmitted to focus. Light travels entirely in vacuum from the source to the image at prime focus. The receptor module holds the field optics, the chromatic correction optics, the focal instrumentation and detectors. In this module, three reflections are involved : two for the field optics telescope, one for the chromatic correction grating. On the final image plane, the image is achromatic and diffraction limited. The transmission in the receptor module depends on the mirror coatings and wavelength. Both modules are flying in formation, at a distance varying from 8 km to 16 km, depending on the wavelength of UV band chosen (250 to 125 nm). The expected resolution is 6.5 to 13 mas, and the field is 1000 times the resolution. The expected dynamic range in the images is 10^-8. Instrumentation focale : Spectro-imageurs détecteurs

18 Etat des financements Etude de phase zéro CNES : pour 4m, 10m, 30m : étude faite RTRA STAE - tests UV en laboratoire 2010 : 60% du financement accordé dépensé en quasi-totalité R&T CNES pour validations UV 2011 : demandée ANR pour développements UV : demande envoyée demain midi ESA CV2 pour télescope spatial UV européen 2025 : proposition soumise

19 Etat de préparation en janvier 2011
- Démarrage 2005, validation sol 2008, validation ciel 2010. - 2 thèses sur le sujet soutenues, cofinancées CNRS-Thales Alenia Space - Groupes de travail sur les thèmes astrophysiques et l'instrumentation : IRAP - IAP - OCA - CfA Cambridge - UMC Madrid. - 9 articles sur l'imageur de Fresnel publiés par le groupe en 2010. This would be a mission proposed to ESA CV for 2025 or so... On vise la classe M : moins de 470 m€ Ce n'est pas un instrument pour répondre à une question unique, c'est un instrument généraliste. - Financements et ressources humaines pour l'avenir ?

20 Avec 4m d'ouverture dans l'UV à 121 nm,
on va avoir une résolution angulaire de 7 mas, soit nettement meilleure que celle du HST et des autres télescopes UV. Et surtout une dynamique dans les images supérieure à 105 On aura une résolution angulaire de 7 mas, soit nettement mieux que le HST, des possibilités de spectro-imagerie, Images HST prises H. ATEK, D.Kunth et al.