La vue la plus claire du monde sur les étoiles est observée depuis le point le plus élevé de la calotte glaciaire de l’Antarctique

Les caractéristiques d’un site astronomique limitent les performances des télescopes. Le « seeing », c’est-à-dire le brouillage des images stellaires par les turbulences atmosphériques, est un facteur clé. Nos mesures confirment que le Dôme A, le point le plus élevé du plateau antarctique, présente les meilleures conditions de seeing de la planète. Un télescope au Dôme A pourrait observer l’univers à la fois plus clairement et plus profondément que les autres télescopes terrestres.

Pourquoi les étoiles scintillent-elles ? C’est à cause des turbulences dans l’atmosphère. Vous pouvez entendre les turbulences à la radio lorsque l’avion tremble. Les turbulences secouent non seulement les avions, mais aussi la lumière des étoiles, en modifiant la façon dont la lumière se courbe autour d’elle. On constate que les étoiles tremblent de façon aléatoire des centaines de fois par seconde. Les images des étoiles sont donc floues, de la même manière que les vues sont déformées lorsqu’elles sont vues à travers l’air au-dessus d’une flamme.

Le niveau de ce flou est appelé « seeing » en astronomie. Le seeing est mesuré comme la distance angulaire inférieure à laquelle deux étoiles ne peuvent être distinguées l’une de l’autre. Son unité est la seconde d’arc (1 degré = 60 minutes d’arc = 3600 secondes d’arc). La valeur du seeing dépend de l’endroit où l’on se trouve, et peut atteindre plusieurs secondes d’arc. Ce niveau de seeing n’est pas perceptible à nos yeux, avec une résolution angulaire d’environ 1 minute d’arc, mais constitue un désastre pour un télescope.

Les astronomes ont donc cherché des sites avec un seeing plus petit pour accueillir de grands télescopes. L’endroit idéal est l’espace, où se trouve le télescope spatial Hubble, mais il coûte 100 fois plus cher qu’un télescope au sol. Des décennies d’efforts confirment l’existence de plusieurs sites dans le monde avec un seeing inférieur à la seconde d’arc, comme les montagnes du Mauna Kea et du Chili. La plupart des grands télescopes sont construits à ces endroits.

On a pensé que le plateau de l’Antarctique abritait des sites prometteurs sur les sommets locaux de la calotte glaciaire. Bien que la vue soit localement mauvaise près du sol, elle s’améliore considérablement au fur et à mesure que la hauteur augmente. Cela est dû au fait que la majorité des turbulences sont concentrées près du sol dans ce qu’on appelle la couche limite. La couche limite a une épaisseur de plusieurs centaines de mètres aux latitudes moyennes, mais moins de cent mètres au pôle Sud, et seulement trente mètres au Dôme C, un sommet du plateau antactique. Cela signifie que les astronomes peuvent placer des télescopes au-dessus de la couche limite pour obtenir un excellent seeing, avec des valeurs environ deux fois meilleures que celles du Mauna Kea ou du Chili.

Le point le plus élevé du plateau antarctique, le Dome A, se situe à 4093 mètres au-dessus du niveau de la mer. Il devrait être encore meilleur, mais la mesure du seeing est difficile en raison de l’environnement difficile. La température de l’air tombe à -80°C en hiver, et il n’est fréquenté que 20 jours dans l’année, pendant l’été relativement chaud. Le télescope devrait donc fonctionner avec seulement une maintenance annuelle, à des températures comprises entre -40 et -80°C.

Nous avons donc développé un petit télescope pour mesurer le seeing au Dôme A. Pour éviter les turbulences proches du sol, nous avons construit une tour de 8 mètres. Bien qu’une tour plus haute serait préférable, cela était difficile d’un point de vue logistique. L’équipe a terminé la construction et l’installation en deux jours, avec des températures de -30°C. Un télescope de vision a alors pu être installé et, après l’installation et le calibrage, le télescope de vision a fonctionné de manière entièrement automatique, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, jusqu’en août 2019, lorsque la plateforme de support a manqué d’énergie.

Nous avons utilisé le télescope pour prendre des images d’étoiles en utilisant des temps d’exposition très courts – aussi courts qu’une milliseconde – et nous avons mesuré combien chaque étoile bougeait. Nous les avons utilisées pour calculer les valeurs de seeing.

À partir de ces données, nous avons constaté que les conditions de seeing à 8 mètres au-dessus du Dôme A sont aussi bonnes que celles à 20 mètres au-dessus du Dôme C. À 8 mètres au-dessus du Dôme A, il n’y avait pas de couche limite environ un tiers du temps, alors qu’à 14 mètres au-dessus du Dôme A, cette valeur passe à seulement la moitié du temps. Cela correspond à la moitié de la hauteur nécessaire au Dôme C. Grâce à la couche limite plus mince, il serait beaucoup moins difficile et moins coûteux de construire un télescope au-dessus de celle-ci, notamment en Antarctique.

La fine couche limite au Dôme A est causée par un processus appelé « inversion de température », lorsque le sol est plus frais que l’air au-dessus. Contrairement à la plupart des endroits, le sol glacé de l’Antarctique refroidit l’air, produisant l’inversion de température. Celle-ci se produit presque toujours, et la température de l’air à 8 mètres de hauteur peut être jusqu’à 20°C supérieure à celle du sol. L’air plus chaud et plus léger se trouve au-dessus de l’air plus froid et plus lourd, ce qui empêche la génération de turbulences. La plus forte inversion de température correspond à une couche limite plus mince, ce qui contribue à rendre la couche limite du Dôme A si mince.

Le superbe seeing, combiné à un ciel sombre et propre, fait du Dôme A le meilleur site sur Terre pour l’astronomie. L’étude de la relation entre la turbulence et le temps peut également améliorer la modélisation du climat et des prévisions météorologiques.

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