WEAVE : Le spectrographe multi-fibres qui va percer de grandes énigmes de l’Univers

Image 1 : Mode d’observation de WEAVE pointant vers le Quintette de Stephan pour l’observation de la première lumière. Il recueille la lumière de 547 points du ciel qui seront analysés par le spectrographe. Crédits : © NASA, ESA, CSA, STScI ; Aladin

WEAVE : Le spectrographe multi-fibres nouvelle génération qui va percer de grandes énigmes de l’Univers

SEDI-ATI a travaillé à la conception du LIFU et d’un MOS par le design, la mise en place de procédés de fabrication et l’assemblage des ensembles fibrés.

Le défi

Réaliser un assemblage à la fois robuste et souple d’un millier de fibres optiques qui seront montées sur le positionneur de fibres du spectrographe WEAVE.

Contraintes majeures

  • Mobilité du spectrographe : il faut un produit résistant et souple
  • Changements de températures allant de -5°C à + 40°C
  • Risques de dommages au niveau des fibres causant une perte d’informations
  • Maximiser la durée de vie des câbles de fibres optiques

Qu’est-ce-que le spectrographe WEAVE ?

WEAVE (WHT Enhanced Area Velocity Explorer) est un spectrographe multi-objets fibré, installé sur le télescope de 4 mètres William Herschel, à l’Observatoire du Roque de los Muchachos de l’île de La Palma aux Canaries. WEAVE collecte la lumière au foyer primaire du télescope et la transporte par fibre optique jusqu’à une plateforme Nasmyth, 33 mètres plus loin, où le spectrographe est installé.

Quelle est la mission du spectrographe WEAVE ?

L’instrument peut observer pas moins de 1000 objets célestes par heure. Les cas d’intérêt scientifiques sont donc nombreux de l’archéologie galactique pour laquelle WEAVE viendra compléter les données collectées par la mission Gaia (améliorer nos connaissances concernant la structure, la formation et l’évolution de la Voie lactée au cours de milliards d’années), de l’astrophysique stellaire, circum-stellaire et interstellaire, de l’étude des amas de galaxies et de l’évolution des galaxies, d’un relevé mené conjointement avec le radiotélescope LOFAR et des quasars. WEAVE permettra ainsi de résoudre de grandes enquêtes spatiales.

Observation de la première lumière

En décembre 2022, WEAVE a collecté avec succès ses premières lumières du Quintette de Stephan, un groupe de cinq galaxies dont certaines entrent en collision, situé dans la constellation de Pégase, à environ 280 millions d’années-lumière de la Terre (voir Image 1).

En effet, les spectres ont relevé la fusion de deux galaxies de par la présence de gaz à l’extérieur des disques galactiques de NGC 7318a et NGC 7318b et une vitesse de déplacement de 2,9 millions de kilomètres par heure. Grâce à ces nouvelles installations, les observations réalisées sont presque 100 fois plus rapides qu’auparavant. Les données produites sont de haute qualité ce qui promet de futures découvertes majeures. WEAVE produit des spectres de régions en deux heures et il est très précis pour mesurer les vitesses à 12,5 km/s près.

Gavin Dalton, chercheur principal de WEAVE, a déclaré : « La richesse de la complexité révélée de cette manière par une seule observation détaillée de cette paire de galaxies proches donne un aperçu de l’interprétation des millions de spectres que WEAVE obtiendra des galaxies de l’Univers lointain, et fournit une excellente illustration de la puissance et de la flexibilité de l’installation WEAVE. »

Les fibres optiques de WEAVE

WEAVE offre trois modes d’observation qui conduisent à trois géométries pour les câbles de fibres optiques. Il y a :

  • 2 MOS (multi-object spectroscopy) de 1008+960 fibres, pour l’observation des objets ponctuels individuels.
  • 20 mIFUs (mini integral-field units) de 37 fibres chacun, pour l’observation des objets étendus avec de petites intégrales de champ.
  • 1 LIFU (large integral-field unit) de 547 fibres, pour l’observation d’une grande intégrale de champ.

Une forte contribution française

En France, WEAVE a été soutenu par le CNRS, l’Observatoire de Paris-PSL et l’Observatoire de la Côte d’Azur. Le GEPI porte la responsabilité du lot de travail associé aux fibres. SEDI-ATI fait partie des trois partenaires industriels qui ont assemblés les câbles.

La contribution de SEDI-ATI

De par nos multiples contributions dans la conception d’ensembles fibrés complexes pour grands instruments comme GIRAFFE, MEGARA ou MOONS, nous avons été sollicités pour une collaboration sur WEAVE. Nous avons ainsi travaillé au co-design, à l’élaboration et à l’assemblage des ensembles fibrés LIFU et MOS du spectrographe WEAVE. Nous avons apporté notre expertise dans le choix des matériaux, des fibres, et des gaines de protection. Et nous avons fabriqué et livré 1 LIFU et 1 MOS.

  • Le LIFU qui est composé de 547 fibres optiques unitaires, de 170 microns de cœur. Côté télescope, les fibres sont compactées en module hexagonal avec un réseau de lentilles. Côté spectrographe, les fibres sont placées en fente afin de rattraper la courbure de champ.
  • Un MOS qui comporte 960 fibres unitaires de 85 microns de cœur, réparties en 40 torons de 24 fibres de 33 mètres de long. Côté foyer du télescope, chaque fibre se finit par un bouton unitaire magnétique composé d’un prisme de renvoi d’environ 1,5 mm surplombé d’une matrice de lentilles. Côté spectrographe les fibres sont remises en fente pour recomposer la courbure de champ du télescope.
Image pour SEDI-ATI WEAVE applications

Image 2 : Un champ WEAVE entièrement configuré, avec 700 des quelques 950 fibres placées par deux robots (hors cadre), sur place dans le WHT. Crédit : Gavin Dalton, Université d’Oxford et Espace RAL du STFC.

L’ensemble a été conçu et assemblé avec l’assurance de conserver un taux de transmission d’informations optimal compte tenu de sa longueur exceptionnelle de près de 50 kilomètres. En effet, nous sommes parvenus à livrer des ensembles de fibrés de 547 et 960 fibres de 33 mètres de long chacune, avec un taux remarquable de voies endommagées inférieur à 10-3.


Solution SEDI-ATI 

  • Co-design des ensembles fibrés LIFU et MOS
  • Choix des matériaux, fibres et gaines de protection
  • Assemblage des câbles de fibres optiques

Avantages de la solution SEDI-ATI 

  • Expertise reconnue dans l’élaboration des recettes pour les grands instruments
  • Utilisation de matériaux compacts et fiables
  • Manipulation de grandes longueurs de fibres avec un taux de voies endommagées inférieur à 10-3