SPHERE, vingt ans de défis et de réussites

L’imageur d’exoplanètes SPHERE (Spectro-Polarimetric High-Contraste Exo-planet REsearch) [1], actuellement installé et en fonctionnement au Very Large Telescope de l’ESO au Chili, est dédié à la détection et la caractérisation des exoplanètes géantes et des disques circumstellaires autour d’étoiles proches du Soleil. Ce projet représente une aventure scientifique, technologique et humaine débutée il y a déjà une vingtaine d’années. Son succès s’est construit sur des contraintes instrumentales strictes et des développements techniques innovants, comme l’optique adaptative extrême, la coronographie, la polarimétrie de haute précision et la spectroscopie intégrale de champ. Les différents sous-systèmes de SPHERE ont été conçus, construits et intégrés par un consortium de douze grands instituts européens [2] sur plus d’une décennie lui permettant d’atteindre des performances inégalées sur le ciel. La figure 1 montre les principaux éléments de cette phase de conception et de construction.

Après sa première lumière en mai 2014, SPHERE a été offert à la communauté européenne, et a rapidement obtenu des résultats scientifiques exceptionnels dans le domaine de la formation planétaire, de la démographie et des propriétés physiques des exoplanètes, mais aussi sur la caractérisation des corps mineurs du système solaire, l’environnement des étoiles évoluées, et même l’étude des noyaux galactiques actifs [3]. Le consortium SPHERE a joué un rôle majeur dans ce succès et célèbre aujourd’hui la parution d’une série de trois articles dans la revue Astronomy & Astrophysics présentant la première phase de l’étude démographique des exoplanètes au-delà de 10 au c’est-à-dire au delà de l’orbite de Saturne [4], dont sa 100e publication scientifique [5]. Ces travaux représentent une étape importante pour le consortium SPHERE rendue possible par l’investissement de tous les membres et instituts qui ont contribué avec succès à ce projet, de la phase de conception, de construction, jusqu’à celle d’exploitation scientifique au cours des cinq dernières années. Le projet SPHERE a permis de former une nouvelle génération de jeunes ingénieurs et scientifiques et positionne nos équipes européennes à la pointe de ce domaine majeur de l’astrophysique. Grâce à l’ensemble des travaux menés par le consortium SPHERE, la communauté associée se trouvera à l’avant-garde des développements d’imagerie à haut contraste pour préparer l’exploitation de futurs projets au sol sur la classe des grands télescopes de 10 à 40 m.

Le consortium SPHERE

IPAG
L’Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble est l’institut porteur du consortium européen SPHERE. L’institut a eu un rôle déterminant dès les phases initiales du projet pour la motivation scientifique et la proposition des grandes lignes du concept instrumental, pour son développement et ses tests, et bien sûr pour son exploitation et la valorisation vers une large communauté européenne. Il a ainsi inclus le PI (J.-L Beuzit), le chef de projet (Pascal Puget), le responsable scientifique lors des phases de conception, réalisation et validation (David Mouillet) ainsi que pour la coordination scientifique du consortium pour l’exploitation du temps garanti (G. Chauvin). Au cours du développement, l’IPAG a directement contribué, en plus de la coordination d’ensemble, pour l’ensemble commun (Common Path and Infrastructure) supportant et alimentant les autres sous-systèmes d’un faisceau stable, corrigé et coronographique, l’intégration et les tests globaux du système et une contribution à l’ensemble logiciel. Pour la phase d’exploitation, au-delà de la coordination d’ensemble du temps garanti, les membres de l’IPAG ont pris une part active sur l’exploitation collective du grand relevé avec la coordination des campagnes d’observation et de réduction des données, mais aussi sur collecte, l’optimisation et la traçabilité des réductions de données, à vocation du plus grand nombre (au-delà du consortium) par le service de Centre de Données SPHERE.
Les contributeurs principaux sont : Damien Albert, France Allard (chercheur associée), Jean-Charles Augereau, Myriam Benisty, Hervé Beust, Mickael Bonnefoy, Julien Charton, Alain Deboulbé, Philippe Delorme, Philippe Feautrier, Julien Girard (chercheur associé), Laurence Gluck, Antoine Grandjean, Markus Kasper (chercheur associé), Anne-Marie Lagrange, Yves Magnard, Didier Maurel, François Ménard, Nadège Meunier, Julien Milli, Thibaut Moulin, Christophe Pinte, Simon Petrus, Pascal Puget, Patrick Rabou, Laetitia Rodet, Christian Romero, Alain Roux, Eric Stadler, Sylvain Rochat, Elie Sezestre, Marie-Hélène Sztefek et Marion Villenave.

LAM
Le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille a été chargé de la construction du sous-système InfraRed Dual-band Imager and Spectrograph, ainsi que de l’étude système globale. IRDIS a été conçu, fabriqué, et intégré par les ingénieurs et techniciens des départements optique et mécanique du LAM. L’équipe R&D en optique du LAM, assistée par les services techniques, a également créé les miroirs toriques, au cœur de l’optique de l’instrument SPHERE. En partenariat avec l’IPAG, le LAM a développé les détecteurs ultra-rapides qui équipent le capteur de front d’onde du système d’optique adaptative. Scientifiquement, le LAM a été très fortement impliqué dans les principaux relevés d’imagerie d’exoplanètes SHINE et sur les disques.
Les principales personnes du LAM impliquées dans SPHERE sont J.-L. Beuzit (PI), H. Le Coroller / C. Moutou (CO-Is), M. Langlois (Coordinateur Scientifique), A. Vigan (Coordinateur Scientifique), K. Dohlen (Ingénieur Système & IRDIS), D. Le Mignant (Chef de Projet IRDIS), P. Blanchard, M. Carle, A. Costille, C. Gry, E. Hugot, M. Jaquet, M. Llored, F. Madec, A. Origné, M. Saisse, A. Zurlo.
Le CeSAM (Centre de donnéeS Astrophysiques de Marseille) du LAM est également responsable de la base de données SPHERE-DC-DIVA+ (http://cesam.lam.fr/diva/) qui contient les produits réduits de l’enquête SHINE (resp. H. LeCoroller).

ONERA
The French Aerospace Lab (ONERA) has been responsible to build the Sphere eXtreme AO system (SAXO) which allows to correct for atmospheric perturbations and instrumental vibrations at 1.5kHz with an unprecedented accuracy (SAXO main involved persons at ONERA : T Fusco, JF Sauvage and C Petit with the full support of the Optic department). Saxo has also benefited from IPAG, LESIA and ESO support and specific developments (optical and mechanical design as well as Tip tilt mirrors, Real Time Computer and WaveFront sensor cameras specific developments).

LESIA
The Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique at the Observatoire de Paris-PSL has led the development of the coronagraphic suite, and contributed to the numerical simulations of the instrument in collaboration with Lagrange. The team at LESIA also contributed with the ONERA to the adaptive optics system SAXO, by providing a tip/tilt mirror and a sensor, together with the specifications and tests of the Real Time Computer. LESIA also hosted the assembly and test of SAXO in a clean room. Since the first light in 2014, our team has been strongly involved in scientific exploitation and to the data reduction. The main contributors are : A. Boccaletti, P. Baudoz, J. Baudrand, G. Rousset, R. Galicher, J. T. Buey, A. Sévin, P. Gigan, D. Perret, M. Marteaud, J.-M. Reess.

Lagrange
The laboratoire Lagrange has led the development of the global instrument simulator and the ALC as a part of the NIR coronagraph. Lagrange contributed to the assembly, integration and test of the instrument, to the DRH research effort for IRDIS. It also led the Other Science program and contributed significantly to the data reduction via the data center and participation to data reduction teams. The main contributors are : L. Abe, P. Bendjoya, M. Carbillet, O. Chesneau, J.B. Daban, R. Douet, A. Ferrari, G. Guerri, P. Janin-Potiron, E. Lagadec, R. Ligi, P. Martinez, M. N’Diaye, S. Robbe-Dubois, I. Smith, O. Suarez and F. Vakili

University of Geneva (Observatory of Geneva)
The astronomy department of the University of Geneva was responsible for the conception, and realization of the SPHERE Calibration Unit, a sub-system that delivers different calibration lights to the 3 science instruments and to the AO system of the Common Path. It also had a share of the systems engineering of the whole instrument by taking responsibility for all internal and external interfaces as well as organizing the final AIT phase. Geneva developed as well the telescope simulator for the tests and contributed to the development of observation planning tools (main people involved : F. Wildi, R. Dubosson, M. Crausaz, B. Michaud, L. Weber). On the science side, Geneva participated primarily to the SHINE survey and to some extend to the DISK survey (D. Segransan, S. Udry, J. Hagelberg, S. Peretti, E. Rickmann).

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Références

►S. Desidera, G. Chauvin, M. Bonavita, S. Messina, H. LeCoroller, T. Schmidt, R. Gratton, C. Lazzoni, M. Meyer, J. Schlieder, A. Cheetham, J. Hagelberg, M. Bonnefoy, M. Feldt, A-M. Lagrange, M. Langlois, A. Vigan, T.G. Tan, F.-J. Hambsch, M. Millward, J. Alcala, S. Benatti, W. Brandner, J. Carson, E. Covino, P. Delorme, V. D’Orazi, M. Janson, E. Rigliaco, J.-L. Beuzit, B. Biller, A. Boccaletti, C. Dominik, F. Cantalloube, C. Fontaniv, R. Galicher, Th. Henning, E. Lagadec, R. Ligi, A-L. Maire, F. Menard, D. Mesa, A. Muller, M. Samland, H.M. Schmid, E. Sissa, M. Turatto, S. Udry, A. Zurlo R. Asensio-Torres, T. Kopytova, E. Rickman, L. Abe, J. Antichi, A. Baruffolo, P. Baudoz, J. Baudrand, P. Blanchard, A. Bazzon, T. Buey, M. Carbillet, M. Carle, J. Charton, E. Cascone, R. Claudi, A. Costille, A. Deboulbe, V. De Caprio, K. Dohlen, D. Fantinel, P. Feautrier, T. Fusco, P. Gigan, E. Giro, D. Gisler, L. Gluck, N. Hubin, E. Hugot, M. Jaquet, M. Kasper, F. Madec, Y. Magnard, P. Martinez, D. Maurel, D. Le Mignant, O. Moller-Nilsson, M. Llored, T. Moulin, A. Origne, A. Pavlov, D. Perret, C. Petit, J. Pragt, P. Puget, P. Rabou, J. Ramon, F. Rigal, S. Rochat, R. Roelfsema, G. Rousset, A. Roux et al. : The SPHERE infrared survey for exoplanets (SHINE)- I Sample definition and target characterization., astro-ph.EP, le 7 mars 2021. Lien vers l’article.

►M. Langlois, R. Gratton, A.-M. Lagrange, P. Delorme, A. Boccaletti, M. Bonnefoy, A.-L. Maire, D. Mesa, G. Chauvin, S. Desidera, A. Vigan, A. Cheetham, J. Hagelberg, M. Feldt, M. Meyer, P. Rubini, H. Le Coroller, F. Cantalloube, B. Biller, M. Bonavita, T. Bhowmik, W. Brandner, S. Daemgen, V. D’Orazi, O. Flasseur, C. Fontanive, R. Galicher, J. Girard, P. Janin-Potiron, M. Janson, M. Keppler, T. Kopytova, E. Lagadec, J. Lannier, C. Lazzoni, R. Ligi, N. Meunier, A. Perreti, C. Perrot, L. Rodet, C. Romero, D. Rouan, M. Samland, G. Salter, E. Sissa, T. Schmidt, A. Zurlo, D. Mouillet, L. Denis, E. Thiebaut, J. Milli, Z. Wahhaj, J.-L. Beuzit, C. Dominik, Th. Henning, F. Menard, A. Muller, H.M. Schmid, M. Turatto, S. Udry, L. Abe, J. Antichi, F. Allard, A.Baruffolo, P. Baudoz, J. Baudrand, A. Bazzon, P. Blanchard, M. Carbillet, M. Carle, E. Cascone, J. Charton, R. Claudi, A. Costille, V. De Caprio, A. Delboulbe, K. Dohlen, D. Fantinel, P. Feautrier, T. Fusco, P. Gigan, E. Giro, D. Gisler, L. Gluck, C. Gry, N. Hubin, E. Hugot, M. Jaquet, M. Kasper, D. Le Mignant, M. Llored, F. Madec, Y. Magnard, P. Martinez, D. Maurel, S. Messina, O. Moller-Nilsson, L. Mugnier, T. Moulin, A. Origne et al. : The SPHERE infrared survey for exoplanets (SHINE) — II. Observations, Data reduction and analysis Detection performances and early-results., astro-ph.EP, le 5 mars 2021. Lien vers l’article.