L'équipe TOMI possède une longue expertise confirmée et internationalement reconnue dans les domaines de l'optique atmosphérique, de la sélection de sites et de la prédiction des conditions de l'atmosphère. En effet, l'équipe TOMI rassemble différentes connaissances sur la propagation de la lumière dans les milieux turbulents, la physique atmosphérique reliant les écoulements géophysiques à la turbulence optique, les expériences de test sur site basées sur des instruments bien calibrés, et une grande expertise dans la programmation en temps réel permettant de développer des programmes pour l'acquisition et le traitement des données, la simulation, la modélisation et la prédiction.
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Optique Atmosphérique:
L'équipe TOMI possède une longue expertise confirmée sur cette thématique centrale de notre équipe. L'optique atmosphérique concerne la propagation de la lumière dans les milieux turbulents, la physique atmosphérique reliant les écoulements géophysiques à la turbulence optique. On s'intéresse également à la localisation des couches turbulentes dans l'atmosphère et à la formation des images à travers l'atmosphère. L'analyse des fronts d'onde en phase (agitation) et en amplitude (scintillation), nous permet de remonter aux paramètres de cohérence spatiale, temporelle et angulaire de la turbulence.
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Site-testing:
L'équipe TOMI est reconnue internationalement pour avoir développé plusieurs générations d’instrumentation pour la qualification des sites relevant de techniques originales et bénéficiant d’une autonomie très avancée. Basées sur une analyse statistique des fluctuations d'angle d'arrivée et de la scintillation, plusieurs techniques ont été proposées pour l'estimation des différents paramètres de cohérence spatiale, temporelle et angulaire des fronts d'onde, et ce depuis l’environnement proche du télescope jusqu’aux confins de l’atmosphère. Nos instruments qui répondent à tous les besoins pour la prospection des sites astronomiques et de stations de télécommunications optiques ont essaimé un peu partout majeurs à travers le monde, particulièrement pour le choix des observatoires majeurs.
Figure: Les instruments encerclés en rouge ont été développé au sein de l'équipe TOMI
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Prédiction:
L'équipe TOMI est l'un des leaders mondiaux dans la prédiction de la turbulence optique dans l'atmosphère qui est importante pour réduire le coût des observations astronomiques et d’améliorer le rendement scientifique. Les futures stations de télécommunications optiques ou de liens optiques en général, sont contraintes de répondre aux mêmes exigences. L'équipe TOMI a développé un outil FOOTEAM permettant de prédire les paramètres de la turbulence atmosphérique. Pour cela, on utilise le modèle de prévision météorologique Weather Research and Forecasting (WRF) combiné à un modèle de calcul de la turbulence optique pour prédire les conditions atmosphériques du ciel (turbulence & météo) plusieurs heures à quelques jours à l’avance et tout au long de la journée. Cette information permet d’améliorer la gestion des programmes d’observation et de tirs Laser, appelée "smart/flexible scheduling", et de réduire les pertes dues à la variation des conditions atmosphériques.
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Interférométrie:
Une des niches scientifiques majeures en astrophysique au-delà et à côté des ELT il y a l’observation à très longue base et à très haute magnitude, c’est à dire l’application de l’Interférométrie Optique à Longue Base (IOLB) à un grand nombre de sources extragalactiques. Il y a des applications de physique fondamentales avec l’étude de la dynamique au voisinage des trous noirs au centre de quelques AGN et des applications cosmologiques avec la mesure de la distance et de l’âge de l’ensemble des Quasars. L’IOLB se heurte actuellement à une barrière technologique qui la limite aux sources brillantes. Au cours de travaux de thèses co-encadrés par le responsable de TOMI, il a été montré qu’une des pistes sérieuses pour briser cette barrière était la construction d’un interféromètre à plusieurs ouvertures cophasé « hors axe ». Pour ce faire nous avons abordé des problèmes de cophasage des interféromètres et de théories de l’Optique Atmosphérique (OAtm). Le potentiel du senseur de franges hors-axe d’un interféromètre IOLB et de la couverture du ciel dépendent de l'angle isopistonique qui lui même est déduit des paramètres de turbulence mesurés par nos instruments de site-testing.
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Optique Adaptative:
L'optique atmosphérique permet au delà de la recherche de site de dimensionner les systèmes des optiques adaptatives qui équiperont les futurs très grands télescopes.
- Nombre de micro-lentilles et d'actuateurs dépendent du paramètre de Fried r0
- La bande passante de correction est liée au temps de cohérence ttt0
- La course du miroir déformable est conditionée par r0 et l'échelle externe L0.
- Le besoin d'un miroir tip/tilt peut être ne pas être nécessaire si L0 est comparable au diamètre du télescope, qui est le cas des ELTs par exemple.
Dans le cas des ELTs, on reconstruit la turbulence en volume pour la corriger sur un grand champ et donc le dimmensionnement des systèmes d'OA nécessitent les profiles des parmètres de turbulence (Cn2(h); L0(h) et v(h))
L'optique atmosphérique permet également l'optimisation des observations par le choix de l'étoile de référence qui est conditionné par le domaine isoplanétique alors que la reconstruction de la PSF nécessite des données de r0 et L0 simultannées aux observations.
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Télécommunications Optiques & Quantiques:
L'équipe TOMI est en charge du ANAtOLIA remporté suite à un appel d'offres publié par l’ESA et doté d’un budget de 2M€ (https://anatolia.oca.eu/) pour le développement de réseaux de télécoms optiques dans le cadre du programme ScyLight. L’engouement pour les télécommunications optiques découle d’un gain important en débit (10 fois) par rapport aux liaisons radiofréquence actuelles. Ces dernières commencent à atteindre la limite de leur capacité en termes de débit de données. Les télécoms optiques sont impactées de la même manière que les observations astronomiques par les nuages et la turbulence optique et dans un moindre effet par les aérosols. Les futures stations de télécommunications optiques au sol ou de liens optiques en général, sont contraintes de répondre aux mêmes exigences que les observatoires astronomiques.
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Energies Renouvelables:
Depuis quelques années, l'équipe TOMI est également impliquée dans la prédiction de la production des stations d’énergies renouvelables (ER) dont la croissance devrait s'accélérer dans les années à venir surtout avec la situation actuelle où les prix des énergies fossiles connaissent des niveaux sans précédent. En effet, ces dernières années ont vu une augmentation spectaculaire de la part des ER dans notre mix énergétique. Cependant, en raison de la variabilité inhérente à l'irradiance solaire et au vent, l'augmentation de la pénétration de l'énergie renouvelable distribuée signifie également que des prévisions de production fiables sont nécessaires pour le fonctionnement des réseaux. Des prévisions à moyen court terme et à court terme sont nécessaires pour l'équilibrage du réseau, la production d'électricité et la planification de la distribution, ainsi que pour l'engagement unitaire et le commerce d'énergie journalier, respectivement. Des études récentes ont montré que pour un réseau avec des sources ER, une prédiction précise de l'irradiance solaire ou du vent pourrait aider considérablement les opérateurs à réduire leurs coûts tandis que d’autres études ont souligné les avantages des prévisions journalières pour les marchés de l'énergie. Certains pays imposent une sanction financière au producteur d'énergie solaire lorsqu'il s'écarte de sa production prévue. Une collaboration est en cours avec l’Office National d’Electricité et d’Eau potable Marocain (ONEE). Le Maroc est engagé via son opérateur national ONEE, dans un programme national avec l’objectif, à l’horizon 2030, d’un mix énergétique dont au moins 52% est d’origine renouvelable. L’objectif de cette collaboration est de nous permettre de confronter notre outil de prédiction épaulé par nos instruments de mesures (drone instrumenté, photomètre et caméra All Sky) aux productions réelles de stations solaires et éoliennes gérées par l’ONEE. Deux doctorants sont en cours de rectrutement et deux ingénieurs de l'ONEE sont détachés pour mener cette collaboration L’ONEE en plus d'autres moyens tels que la station d’expérimentation inaugurée en 2022 au sein de l'ONEE et équipée de détecteurs météorologiques, de panneaux photovoltaïques, d’une éolienne, de serveurs de calcul et de stockage de données.
