Un nouveau détecteur infrarouge rapide révolutionnaire voit ses premiers photons

Le premier prototype d'une nouvelle génération de détecteurs rapides et très sensibles a été installé avec succès sur l'instrument PIONIER à l'observatoire de l'ESO à Paranal. Cet accomplissement est le fruit de cinq années d'effort d'une collaboration entre des instituts académiques (LETI, ONERA, IPAG, LAM) et des partenaires industriels (SOFRADIR).

Comme son nom le suggère, le nouveau système RAPID [1] fournit plusieurs centaines d'images par seconde et peut fonctionner à de très faibles luminosités. Ces caractéristiques, uniques pour un détecteur infrarouge, sont indispensables pour de nombreuses applications, s'étendant de la science fondamentale à la médecine. En astronomie, cela va améliorer les performances de l'optique adaptive, une technologie au coeur du fonctionnement de l'European Extremely Large Telescope (E-ELT).

Contrairement à la plupart des détecteurs commerciaux disponibles, RAPID peut détecter tout aussi bien des photons (particules de lumière) visibles qu'infrarouges (longueurs d'onde 0,4–3,6 micrometres). C'est un avantage immense: l'augmentation de la couverture spectrale signifie que bien plus de photons pourront être accumulés, notamment dans le domaine infrarouge, où beaucoup d'objets émettent plus de lumière.

En 2013, les partenaires ont livrés les premiers prototypes et, compte tenu de leurs performances, il a été rapidement décidé d'effectuer un test en conditions réelles avec un instrument en service. PIONIER a été choisi car son fonctionnement interférométrique a besoin d'un détecteur très rapide pour corriger les effets de la turbulence atmosphérique, et un faible niveau de bruit afin de détecter des objets de faible luminosité.

Les premières observations se sont focalisées sur des étoiles de types variées (géantes lumineuses et naines de faibles luminosités) pour déterminer les caractéristiques de RAPID. Ces tests clés ont été effectués avec succès, et le détecteur a alors été immédiatement utilisé dans des buts purement scientifiques.

''C'est un moment historique et une véritable révolution dans le domaine des détecteurs infrarouges'' d'après l'astronome de l'ESO Antoine Merand quand il a utilisé l'instrument pour la première fois. Le responsable scientifique de l'instrument PIONIER, Jean-Baptiste Le Bouquin, ajoute : ''Le précédent détecteur de PIONIER était utilisé depuis plus de 20 ans et il est encore considéré l'un des meilleurs de ce type. Cela illustre combien nous avons du travailler dur pour avoir cette nouvelle génération en main.''

L'extrème sensibilité de RAPID est basée sur l'effet avalanche. Chaque photon atteignant le détecteur est converti en bien plus qu'un seul électron, facilitant ainsi sa détection. Cette multiplication est presque parfaite, avec seulement l'introduction d'une très petite quantité de bruit en excès.

L'effet avalanche est obtenu sans avoir besoin de refroidir le détecteur à de très faibles températures, rendant inutile l'utilisation d'un système cryogénique complexe, ce qui simplifie considérablement le conditionnement et l'utilisation du détecteur. Ainsi, deux jours seulement ont été nécessaire à l'équipe pour installer cet équipement révolutionnaire à l'intérieur de PIONIER.

Notes

[1] RAPID a été financé par le Fonds Unique Interministériel du gouvernement français (FUI-RAPID). Son installation à Paranal a été financée par l'Agence Nationale pour la Recherche (ANR-11-LABX-13), avec un soutien de l'ESO.