Changer la couleur des étoiles pour mieux les voir

Une nouvelle méthode d’imagerie permettant de voir des objets célestes émettant dans le domaine de l’infrarouge vient d’être mise au point par une équipe du laboratoire XLIM (CNRS/Université de Limoges), basée sur la conversion du  signal lumineux en provenance de l’astre en un autre dans le visible. L’équipe a effectué un test concluant sur trois étoiles (Bételgeuse, Antares et Pollux) au cours d’une campagne organisée à l’observatoire astronomique du Mauna Kea (Hawaï-Etats-Unis). Ces travaux - qui ont fait l’objet d’une publication le 08 novembre 2012 dans la prestigieuse revue MNRAS (Monthly Notice of Royal Astronomy Society)- pourraient ouvrir la voie à de nombreuses applications dans le domaine de la santé, de l’environnement et des télécommunications. Ils ont été obtenus dans le cadre d’une collaboration internationale¹ avec l’expérience OHANA.

En Astronomie, l’interférométrie optique désigne un procédé consistant à réunir plusieurs télescopes afin de réaliser des images à haute résolution spatiale d'objets célestes de petites tailles ou faiblement lumineux. Cette technique s’avère complexe à mettre en œuvre  lorsque l’astre considéré émet principalement de la lumière dans le domaine de l’infrarouge lointain : outre qu’ils sont moins sensibles à ces longueurs d’onde que dans le visible, les détecteurs et l’ensemble des éléments de l’instrument doivent être munis de systèmes de refroidissement pour fonctionner. Une équipe internationale animée par François Reynaud du département Photonique d’XLIM a démontré qu’il est possible de convertir, sans perte d’information, le signal infrarouge d’une étoile en un autre dans le visible, facilement exploitable par une chaîne d’instruments classiques. 

Pour y arriver, ces chercheurs ont imaginé une utilisation inédite d’une méthode d’optique « non linéaire ». Celle-ci fait appel à des composants développés au sein de l’université de Paderborn (Allemagne) : des cristaux de Niobate de Lithium ayant subi une préparation particulière. Lorsque le faisceau d’un laser de pompe (1064 nm) et un signal infrarouge (1550 nm) sont envoyés simultanément dans ce matériau, celui-ci possède la faculté de produire des photons visibles (630 nm). Or, des tests au laboratoire XLIM ont démontré que ce phénomène est observable même lorsque le flux de photons infrarouges est très faible, comme dans le cas de la lumière en provenance d’une étoile.

Restait à prouver sur un cas réel que le procédé fonctionne. C’est ce qu’ont réussi à faire, les 18 et 19 avril derniers, sur le site de l’observatoire astronomique du Mauna Kea (Hawaï-Etats-Unis, situé à 4200 mètres sur l’île principale d’Hawaï), les physiciens d’XLIM au cours d’une campagne organisée dans le cadre du projet ALOHA². A l’aide d’un petit télescope de 20 cm de diamètre, l’équipe a réussi à transformer le rayonnement infrarouge des étoiles Bételgeuse, Antares et Pollux en un signal dans le visible. Elle devrait procéder prochainement à d’autres essais sur l’interféromètre CHARA du Mont Wilson (Etats-Unis) afin de vérifier que la méthode est, effectivement, utilisable pour l’imagerie à haute définition des sources astronomiques.

Si ce nouveau procédé est destiné au départ à l’astronomie, ses domaines d’applications potentielles sont larges et concernent toutes les techniques faisant appel à la détection d’un signal infrarouge de faible intensité. Outre le diagnostic médical et la cryptologie quantique, l’analyse des polluants et la surveillance météorologique dans les aéroports, réalisées à l’aide de Lidars, sont concernés.

C’est dans ce contexte qu’une collaboration entre XLIM et la société LEUKOS, à Limoges a été mise en place. Cette société, reconnue pour ses sources lasers blanches, souhaite, en effet, étendre son domaine de compétences à la détection des rayonnements lumineux. Cette action commune se traduit par un développement conjoint de ce nouveau type de détecteurs.