Télescope Magellan

Observatoire de Las Campanas, désert d’Atacama, Chili

Assurer la performance d’un télescope révolutionnaire

Le télescope géant Magellan (GMT) sera parmi les premiers d’une nouvelle classe de très grands télescopes (ELT) dont les ouvertures d'observation ont plus de 20 mètres de large. En 2021, lorsqu'il sera pleinement opérationnel, le GMT créera des images dix fois plus nettes que celles produites par le télescope spatial Hubble. En raison de sa taille et de sa puissance exceptionnelles, le GMT permettra aux scientifiques de mieux comprendre certaines des questions scientifiques les plus fondamentales de notre temps, à savoir comment les galaxies se sont tout d’abord formées, la nature de la matière noire, les éléments constitutifs de la vie et le destin de l’univers.

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  • Le défi

    Pour un appareil d'observation, la taille de l’ouverture du GMT le rend exceptionnellement puissant et aussi exceptionnellement sensible à certains effets tels que les écoulements d’air turbulent à l’intérieur de son enceinte. Les interactions entre un télescope, son enceinte et son environnement sont complexes et peuvent avoir des conséquences inattendues. Comprendre tôt ces interactions peut permettre de faire fonctionner le télescope de manière optimale sans devoir recourir à des modifications coûteuses plus tard dans le processus de conception, ou après la construction.

    Notre client, l'organisme sans but lucratif Giant Magellan Telescope Organisation (GMTO), est un organisme scientifique possédant d'abondantes connaissances relativement à la conception et à l’exploitation d’équipements optiques sensibles. Notre travail avec ces collègues scientifiques s'est fait dans la plus grande collaboration. Ils nous ont engagés pour notre expertise spécialisée dans les vents et la météo. Nous avons examiné ensemble les effets de l'environnement qui toucheraient le télescope au site proposé, notamment les gradients thermiques, la turbulence causée par les écoulements d'air entrant ainsi que les forces exercées par les vents sur le télescope et son enceinte. Même si le GMT sera pourvu de systèmes d'optique adaptative qui l’aideront à atténuer les effets de l'environnement, une partie de notre tâche était d’aider le GMTO à trouver des moyens permettant d'atténuer ces effets de façon passive; par exemple, en adaptant la conception de l’enceinte ou en procédant à des ajustements relatifs à l’emplacement et à l’orientation du télescope.

    Cette analyse s’est avérée compliquée compte tenu du fait que le GMT est situé dans une zone montagneuse éloignée. Ces régions, étant inhabitées ou peu peuplées, n'ont habituellement pas d’archives historiques de haute qualité en ce qui concerne la condition des vents. Elles peuvent aussi être soumises à des configurations d'écoulement de vents complexes qui ne sont pas bien représentées par les approches analytiques traditionnelles utilisées dans la conception des immeubles.

  • Notre approche

    L’équipe de conception du GMT a sollicité notre aide concernant trois aspects :

    • comprendre comment les variations dans la conception de l'enceinte du télescope pourraient atténuer l'effet du vent sur le télescope;
    • réaliser des tests dans le but de comprendre l'effet d’un brise-vent protecteur dans des conditions variées et selon différentes configurations;
    • nous pencher sur les avantages naturels du site, comme les endroits où les vitesses de vent sont naturellement plus faibles. Un des aspects de cette tâche était d’effectuer des analyses afin d’étudier deux autres emplacements pour le télescope, chacun situé à quelques centaines de mètres de l’emplacement prévu.

    Certaines préoccupations majeures recoupent chacun de ces enjeux importants. La principale était simplement de réduire au minimum tout effet découlant du vent; qu'il s'agisse de vibrations induites par le vent ou de faibles variations dans la densité de l’air. Une deuxième préoccupation, connexe, était de trouver des moyens passifs d'empêcher l’air de s’écouler le long du sol jusqu'à l'intérieur de l’enceinte du télescope; cet objectif était important, car l'air au niveau du sol est plus susceptible d’être contaminé par la chaleur et la poussière et ainsi nuire à la performance de l’instrument.

    Notre étude des conditions de vent sur le site a commencé par un examen approfondi des données climatiques disponibles aux emplacements prévus pour le télescope et aux observatoires à proximité afin de comprendre le microclimat local relativement aux vents. Nous avons complété ces connaissances de base avec des simulations à grande échelle de la mécanique des fluides numérique (CFD) afin de pouvoir saisir la configuration de l'écoulement du vent sur le site en raison de la complexité de la topographie locale. Nous avons créé un très grand modèle pourvu d'un domaine de simulation d’environ 166 000 000 m3 de volume et divisé ce domaine en sous-volumes qui nous ont permis d’étudier les endroits stratégiques de façon plus détaillée. À l’aide des données précieuses fournies par notre modélisation CFD ainsi que des spécifications de conception fournies par l’équipe du GMTO, nous avons réalisé plus de 30 simulations différentes des diverses conceptions et orientations de l’enceinte du télescope et des brise-vents, ainsi que des deux autres options d'emplacements pour le télescope. Cette analyse a fourni à GMTO une meilleure compréhension de la façon dont les différents choix pourraient tempérer les vitesses du vent, limiter l’infiltration d’air turbulent et réduire la pression sur les miroirs primaires du télescope, tout en assurant une bonne ventilation passive afin de disperser la chaleur produite par l’équipement optique.

  • Le résultat

    Nos simulations de pointe ont fourni des résultats que les concepteurs du GMT ont inclus dans leurs plans servant à optimiser les performances du télescope. Plus précisément, nous avons aidé à définir les principales caractéristiques aérodynamiques pour la conception du GMT et à déterminer les autres emplacements possibles sur le site de l’observatoire de Las Campanas pour installer le télescope. Nous continuons de fournir des conseils sur la façon de mieux gérer les interactions entre l'enceinte du télescope et les conditions climatiques locales dans le but de fournir un environnement d’observation conforme et bien contrôlé pour les utilisateurs de cet important instrument. Les connaissances acquises grâce à la collaboration scientifique durant le projet du GMT aideront également à la conception de futurs très grands télescopes (ELT). Dans les années à venir, lorsque les scientifiques utiliseront cet équipement optique révolutionnaire dans le but d’obtenir de nouvelles connaissances sur l’aurore du cosmos et la nature de l’univers, nous serons fiers du fait qu’ils verront plus clairement grâce à la connaissance approfondie des subtilités du vent et de la météo de RWDI ici sur terre.