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Daniel Rouan et l’aventure de l’astronomie infrarouge moderne

lundi 8 août 2022

Chercheur émérite au LESIA, académicien, président de la fondation La main à la pâte, Daniel Rouan vient tout juste d’être nommé vice-président de la Société Française de Physique pour un mandat de 4 ans. Juste reconnaissance d’une longue et brillante carrière au service de la science. Nous vous invitons à mettre vos pas dans les siens et découvrir son parcours, riche et passionnant.

Un parcours que rien ne laissait présager

Au risque de vous étonner et contrairement aux autres profils présentés dans cette rubrique, Daniel Rouan n’est pas né avec la passion de l’astronomie. Cela lui est venu, pour ainsi dire, pas à pas, avec le temps ! C’est d’autant plus étonnant quand on considère la brillante carrière qui a été la sienne ! Bien évidemment, il levait comme tout un chacun le nez vers les étoiles mais sans plus d’intérêt que cela. Il se décrit comme un élève moyen, qui aimait bien les sciences mais plutôt la biologie. Au mitan des années 1960, quand il s’est agi, en seconde, de faire des choix d’orientation, il a plutôt procédé par élimination en ne choisissant pas les langues.

Mais son parcours scientifique n’était pas encore bien précis, plutôt orienté SVT si l’on se base sur les référentiels actuels. Il choisit ce que l’on appelle à l’époque « math élem », une série scientifique en quelque sorte. Sans affinité particulière ni facilités évidentes en mathématiques précise-t-il. Jusqu’à sa rencontre, en terminale, avec une excellente prof de maths qui lui donne le goût de cette matière et lui permet d’améliorer sensiblement son niveau. De ces enseignants charismatiques dont on a parfois la chance de croiser la route et qui jouent un rôle déterminant dans nos choix. Premier déclic donc !

Un cheminement progressif vers l’astronomie et l’astrophysique

De là, son parcours se précise. Cela sera une classe préparatoire (Maths Sup, Maths Spé) plutôt orientée vers la physique au lycée Hoche à Versailles. Au terme de ce cycle, il a une opportunité d’intégrer une école d’ingénieurs. Mais ça n’est pas son premier choix. Il décide donc de redoubler pour poursuivre ses études en entrant à l’ENS de la rue d’Ulm. Nous sommes alors en 1970 et il s’oriente vers une agrégation de physique générale qu’il obtient en 1974. Une formation qu’il décrit comme passionnante et très enrichissante, « Une superbe expérience que de passer l’agrégation » dit-il avec enthousiasme.

Il découvre la physique « classique », les statistiques, la physique quantique et les théories électromagnétiques. Mais toujours rien qui puisse nous mettre sur la piste de l’astrophysicien qu’il allait devenir ! Peut-être juste un petit indice avec l’optique et, par-dessus tout, l’optique physique et des interférences qui l’intéressait particulièrement.

C’est en 1973, au niveau du DEA, qu’intervient le second déclic de sa carrière et que son parcours prend la tournure qu’on lui connaît à présent. Il décide de suivre un DEA d’astrophysique à Meudon. Il va étudier sous la direction du grand astrophysicien Évry Schatzmann, un pur théoricien qui a écrit, en 1959, avec Jean-Claude Pecker le premier ouvrage de référence du domaine, Astrophysique générale. Il suit également les enseignements d’André Brahic et, à l’automne 1974, se voit proposer un sujet de thèse par Pierre Léna qui vient de prendre la direction du laboratoire de l’Infrarouge Spatial à Meudon. Avec de tels référents, le voilà lancé dans une passionnante carrière !

La Caravelle en route vers les étoiles !

L’objet de la thèse de Daniel Rouan était particulièrement original à l’époque. Il s’agissait de faire œuvre de pionnier et d’installer un télescope de 32 cm, OSIRIS, sur l’issue de secours aménagée d’une Caravelle, puis de voler à une altitude de 12 000 mètres environ pour s’affranchir d’une grande partie de l’atmosphère terrestre qui absorbe l’essentiel de l’infrarouge. En même temps, il fallait réussir à stabiliser le télescope pour parvenir à pointer les objets étudiés, malgré les turbulences, et d’utiliser, au foyer, des détecteurs à infrarouges refroidis à très basse température par de l’hélium liquide.

L’un des plus beaux résultats d’OSIRIS a été de permettre, dans l’infrarouge lointain, les premières mesures de l’émission diffuse infrarouge des poussières du plan galactique. Au sein d’une petite équipe, il réalise donc les premières observations dans ce domaine de longueur d’onde, en concurrence puis en collaboration avec un projet américain de la NASA. L’idée des Américains était assez similaire. Il s’agissait, en reproduisant le principe du télescope installé dans un avion (un Convair 990), de simuler une future mission dite Spacelab, un laboratoire, qui serait ultérieurement embarqué dans la navette spatiale.

L'expérience Osiris de télescope infrarouge aéroporté installée dans le Convair (...)
L’expérience Osiris de télescope infrarouge aéroporté installée dans le Convair C-990 de la NASA dans le cadre de l’expérience ASSESS 2 (1977)

De gauche à droite, debout : John Beckman de l’ESA, Pierre Léna, Daniel Rouan ; assis : Guy Vanhabost, Jann Wijnbergen (Univ. de Gröningen, Pays-Bas), Pierre Gigan.

Il travaille sur cette thématique jusqu’en 1980. Le CNES abandonne ensuite le financement de ce « projet Caravelle ». Daniel Rouan récupère alors ce télescope dédié à l’infrarouge et équipé d’un miroir secondaire vibrant, puis l’installe, subrepticement dit-il avec malice, dans l’une des petites coupoles de l’Observatoire de Paris à Meudon. À ce jour, il est d’ailleurs toujours utilisé par les étudiants pour les projets expérimentaux du Master.

L’expérience malheureuse de TIFANI

Au terme de cette période, à partir de 1980, il continue d’évoluer dans le domaine de l’infrarouge lointain qui est le domaine de longueur d’ondes qu’il a pratiqué tout au long de sa carrière mais se consacre à des « manips ballon ». Il s’agit d’utiliser des ballons stratosphériques lancés par le CNES et qui peuvent atteindre une altitude de 40 000 mètres. Ils sont équipés d’une nacelle avec un télescope pointé et refroidi à très basse température qui permet d’avoir une meilleure sensibilité du fait de la faible absorption et émission de l’atmosphère à très haute altitude. En quelque sorte, on gagne sur tous les tableaux !

L’instrument s’appelle TIFANI (Télescope infrarouge froid pour l’astronomie des nuages interstellaires). Il s’agit d’une collaboration plus large qui implique plusieurs laboratoires Ces ballons partaient de Sicile en direction de l’Espagne pour des vols transméditerranéens.

Mais la recherche est ainsi faite que les missions ne sont pas toujours couronnées de succès. TIFANI s’abîma par deux fois en mer et le CNES finit par retirer ses financements sans que cette « manip » ait produit le moindre résultat. Refroidi par cet échec, Daniel Rouan ne suivit pas les équipes avec lesquelles il collaborait alors et qui s’orientaient vers un autre instrument.

ISOCAM et le saut technologique des détecteurs bidimensionnels infrarouge

Dans les années 1980, il prend une autre orientation et se tourne vers une nouvelle technologie : les détecteurs bidimensionnels infrarouge, une « matrice avec des pixels » en quelque sorte et donc beaucoup plus sensible. Jusque-là, on ne travaillait qu’avec des mono-détecteurs et, lorsqu’on voulait faire une image d’un objet tel qu’une planète, on devait balayer le ciel avec le télescope, faire toutes les mesures et reconstruire l’image ce qui prenait un temps très long. Or, le détecteur multi-pixels permet d’avoir une image immédiate. Un grand saut technologique donc, que cela soit dans l’infrarouge ou dans le visible !

Ces caméras bidimensionnelles ont été une véritable révolution basée, de plus, sur une collaboration avec une entreprise française. Un peu de fierté nationale ne peut pas faire de mal ! Les progrès ont été rapides et l’on gagnait un facteur 1000 sur le temps d’observation.

En 1983, c’est une équipe du DESPA, l’ancêtre du LESIA, qui a mis au point la première caméra de ce type développée en Europe. Un beau succès pour nos collègues ! Les premiers tests dans l’infrarouge proche (de 1 à 5 μm) ont été conduits à l’observatoire du Pic du Midi avec le nouveau télescope de 2m, Bernard Lyot. Les résultats obtenus et présentés au siège technique de l’ESA à Noordwijk aux Pays-Bas par Daniel Rouan ont été probablement un coup de pouce pour que soit acceptée la proposition d’instrument ISOCAM, une caméra infrarouge installée sur ISO (Infrared Space Observatory), télescope de 60 cm, le premier télescope infrarouge européen lancé en 1995 et actif jusqu’en 1997.

Le détecteur bidimensionnel de la voie courtes longueurs d'onde de la caméra (...)
Le détecteur bidimensionnel de la voie courtes longueurs d’onde de la caméra ISOCAM, un des quatre instruments du satellite européen ISO (1995)

Le DESPA (ancêtre du LESIA) était responsable du développement du plan focal et de sa qualification.

Notre laboratoire a été l’un des partenaires de cet instrument piloté par le CEA sous la direction de Catherine Cesarsky (PI) qui développait la voie grande longueur d’ondes alors que nous nous concentrions sur la voie courte longueur d’ondes.

ISO a été l’une des premières très grandes missions de l’ESA et a produit beaucoup de très beaux résultats dans le Système solaire (planètes et corps froids) ; le milieu interstellaire (l’étude des poussières en particulier) ; le gaz interstellaire et sa chimie (spectroscopie). ISO a également permis d’observer les régions de formations d’étoiles ; les premières galaxies lointaines et de démontrer qu’il y a de l’eau partout dans l’Univers.

Mais avant de se lancer dans l’espace, entre 1983 et 1995, cette technologie pionnière et encore méconnue, avait d’abord été scrupuleusement testée au Pic du Midi. Puis elle fit ses preuves au sol avec CIRCUS (Caméra infrarouge à courte longueur d’ondes pour l’utilisation au sol) qui a été installée sur le télescope CFH (Canada-France-Hawaï) de 3,60 m de diamètre situé en haute altitude (4200 m), au sommet du Mauna Kea sur l’île d’Hawaï, un excellent site pour observer dans l’infrarouge du fait de sa localisation. CIRCUS a permis d’observer, avec une excellente qualité d’image, des régions de formation d’étoiles, des étoiles évoluées, le milieu interstellaire et des noyaux actifs de galaxies.

L’aventure de l’optique adaptative

La carrière de Daniel Rouan est loin d’être un long fleuve tranquille et les innovations se bousculent dans son parcours ! Dès 1989, sous l’impulsion de Pierre Léna, se développait l’optique adaptative qui vise à corriger les déformations provoquées par les turbulences de l’atmosphère. L’image obtenue au sol est donc brouillée et un peu floue. L’optique adaptative vise à corriger les déformations du front d’onde par un miroir déformable qui, en quelque sorte, « décabosse » l’onde et la rend aussi plate et nette que lors de son arrivée dans l’atmosphère.

Sans être tout de suite spécialiste de cette technique, il s’y est impliqué dès le début et les premières images obtenues à l’OHP. Par la suite, il a été responsable, sur le campus de Meudon de l’Observatoire de Paris, des développements puis de la grande collaboration menée avec l’ESO (European Southern Observatory). Le premier instrument Come-On, puis Come-On+ a été installé sur le télescope de 3,60 m de diamètre de l’observatoire de La Silla au Chili en collaboration avec l’ONERA. Un certain nombre de jeunes chercheurs du laboratoire ont été les chevilles ouvrières de l’optique adaptative et la France a été pionnière en la matière.

Toujours dans le domaine de l’optique adaptative, un autre instrument, PUEO, destiné au télescope CFH a été réalisé, en collaboration avec des laboratoires au Canada et aux États-Unis ainsi que le CFH, et testé dans notre laboratoire. Pour ce faire et pour reproduire les conditions de froid rencontrées en haute altitude, un énorme camion frigorifique avait été loué et les thésards qui travaillaient sur cette expérience étaient équipés pour le grand froid au cœur même de l’été ! Actif entre 1995 et 2002, cet instrument a permis d’obtenir d’excellents résultats car les conditions atmosphériques d’Hawaï renforcent encore les performances de l’optique adaptative.

DENIS et le relevé complet du ciel de l’hémisphère Sud

Mais ça n’est pas tout ! Également en 1995 et à l’initiative de notre laboratoire, en lien avec l’expérience acquise dans le domaine des détecteurs bidimensionnels infrarouges, a été lancé le projet européen DENIS (Deep Near Infrared Southern Survey). Il consistait, depuis l’observatoire de la Silla au Chili, en utilisant un télescope de 1 m, à faire un relevé complet du ciel de l’hémisphère Sud. Les caméras infrarouges au foyer de ce télescope avaient été construites par notre unité. Projet initialement en partage avec les Américains qui devaient se limiter à l’hémisphère Nord mais, finalement, ont également cartographié l’hémisphère Sud. Les rivalités scientifiques sont parfois étranges et peut-être un peu dispendieuses ! DENIS a, entre autres, permis la découverte des toutes premières naines brunes et s’est terminé en 2001.

NAOS et la poursuite du développement de l’optique adaptative

En 1997, en collaboration avec l’ONERA et des collègues du LAOG (Laboratoire d’astrophysique de Grenoble), notre unité a répondu à un appel d’offre de l’ESO pour construire NAOS (Nasmyth Adaptative Optics System) destiné à équiper l’un des télescopes du VLT en cours de réalisation au Cerro Paranal au Chili. C’était la première manip d’importance en optique adaptative. Pour ce projet, Daniel Rouan a joué le rôle de coordinateur local de NAOS. Il n’intervenait donc pas dans la définition proprement dite de l’instrument qui produisait une image de qualité exceptionnelle et totalement corrigée. Il a participé, en 2002, aux premières nuits de « commissioning » ce qui revient à tester l’instrument sur de vrais programmes scientifiques et à en analyser les résultats. Des nuits entières de découvertes originales, dit-il ! On sent tout son enthousiasme lorsqu’il se remémore ces instants de quasi-extase scientifique face à la beauté de ces observations. NAOS a été actif jusqu’en 2015.

Image haute résolution du coeur le plus dense de la nébuleuse d'Orion obtenue (...)
Image haute résolution du coeur le plus dense de la nébuleuse d’Orion obtenue grâce à NAOS à la longueur d’onde d’une raie de l’hydrogène moléculaire H2

Des jets moléculaires puissants sont éjectés en éventail dans plusieurs directions depuis une source enfouie, une proto-étoile massive, et créent des zones de choc caractéristiques, en arc.

CoRoT et la découverte des premières exoplanètes

Revenons encore une fois à 1995, une année décidément bien riche ! On commençait alors à parler d’exoplanètes, réfléchir même à des missions pour y déceler la vie… alors que, paradoxalement, on ne les avait pas encore détectées ! Ce sont les prémices de la naissance de CoRoT (COnvection, ROtation et Transits planétaires). Des collègues du LESIA voulaient proposer au CNES un satellite pour observer les oscillations des étoiles. C’est ce que l’on appelle l’astérosismologie, une méthode extrêmement efficace pour sonder l’intérieur des étoiles. Il s’agissait de surveiller simultanément un grand nombre d’étoiles en mesurant leur flux très régulièrement. Daniel Rouan, Jean Schneider et Alain Léger ont alors rencontré Annie Baglin qui portait cette proposition et leur a réservé le meilleur accueil quand ils ont proposé d’étendre la mission pour détecter des exoplanètes par la méthode des transits. Dans la foulée, le projet a été soumis au CNES. CoRoT était né !

Le programme initial a été modifié pour le rendre plus efficace pour détecter des exoplanètes et Daniel Rouan a dû batailler pour introduire un prisme qui permettait d’avoir plusieurs couleurs et d’apporter des informations supplémentaires importantes. Cela a compliqué la réalisation et la qualification de l’instrument. Il a été pas mal absorbé par des simulations pour définir quels types de planètes on pourrait détecter, autour de quelles étoiles. Une mission passionnante mais quelque peu chronophage, préambule au lancement, le 27 décembre 2006.

Initialement prévue pour une durée de 3 ans, la mission s’est finalement terminée le 17 juin 2014 suite à une panne électrique. L’obstination de Daniel Rouan a finalement payé car, au nombre des résultats les plus notables, on compte la découverte de Corot-7b, la première petite planète tellurique (1,7 rayon terrestre), localisée à cette époque, analogue à la Terre en densité. Cette planète orbite très près de son étoile (année de 20,5 heures !) et est donc très chaude alors que, jusque-là, on n’avait détecté, par les différentes méthodes dites directes, que des Jupiters chauds. Une aventure très enrichissante et une belle collaboration en partenariat très étroit avec les ingénieurs du CNES qui a marqué sa mémoire.

L’invention du coronographe quatre quadrants

En 2000, en « jouant » avec des séries mathématiques qui l’intéressaient pour d’autres aspects en optique, Daniel Rouan a l’idée du coronographe quatre quadrants qui permet d’occulter la lumière d’une étoile pour mettre en évidence la ou les planètes qui orbitent autour d’elle. Il a donc constitué une équipe pour développer cette activité. De tels dispositifs ont été installés sur NAOS puis sur d’autres instruments, aux États-Unis principalement. La même année, au printemps, il a été sollicité pour mettre les compétences acquises, sur ISO et en coronographie, au service d’un instrument destiné à être embarqué sur le JWST : une caméra dans le domaine de l’infrarouge moyen. Avec son équipe, il intègre le comité scientifique de MIRI dont il est toujours membre à ce jour. La principale contribution du LESIA à MIRI a été de fabriquer des coronographes quatre quadrants livrés en 2010. (Voir en complément "Jean-Michel Réess et l’aventure de MIRI, « l’œil » du JWST).

L'ensemble coronographique de la caméra MIRI, l'un des quatre instruments du (...)
L’ensemble coronographique de la caméra MIRI, l’un des quatre instruments du James Webb telescope

Le LESIA a eu la complète responsabilité du développement et de la qualification de ce sous-système équipé de 3 coronographes quatre-quadrants et d’un coronographe de Lyot, couvrant des longueurs d’onde entre 10.6 et 23 µm.

Pour Daniel Rouan, la décennie 2000 a été principalement consacrée à l’exploitation de NAOS ; au suivi du JWST et au travail sur les résultats de CoRoT. Depuis 2010 jusqu’à maintenant, il s’est focalisé sur un travail d’exploitation des instruments NAOS, CoRoT puis SPHERE, le successeur de NAOS. Équipé de coronographes spécifiques, il est spécialisé dans la détection d’exoplanètes. Piloté par l’IPAG (Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble), il implique aussi fortement une équipe du LESIA. Daniel Rouan est membre du comité scientifique et a participé à quelques missions d’observation au Chili sur cet instrument.

Daniel Rouan élu à l’Académie des sciences

Couronnement logique de ce parcours foisonnant, Daniel Rouan a été élu à l’Académie des sciences en 2005. L’étrange de ce type de nomination, c’est que l’on ne sait ni de qui elle vient, ni pourquoi. Il est bien possible de se faire une idée : une carrière ponctuée de découvertes et de réalisations particulières. C’est bien ici le cas ! Un indice fort dans ce sens : il a été le collaborateur direct de Reinhard Genzel qui a obtenu, en 2020, le prix Nobel de physique pour ses travaux sur le trou noir situé au centre de notre galaxie.

Or NAOS a contribué à cette découverte, en particulier par un détecteur de surface d’ondes infrarouge qui s’est révélé indispensable pour l’étude du centre de la galaxie, tellement lointain qu’on ne peut l’observer qu’en infrarouge. Il a permis d’étudier les trajectoires d’étoiles autour du centre galactique et donné lieu à de nombreuses publications dont Daniel Rouan a été co-auteur. L’une de ses activités d’académicien est d’être rapporteur pour des prix et de participer à l’élaboration de rapports destinés aux gouvernants et au public.

Daniel Rouan intervenant sous la coupole de l'Institut de France
Daniel Rouan intervenant sous la coupole de l’Institut de France

Promouvoir les sciences à l’école par la fondation La main à la pâte

Intéressant, certes, mais la principale de ses actions d’académicien est de s’être impliqué dans La main à la pâte, une création de l’Académie des sciences sous l’égide de Georges Charpak, prix Nobel de physique et de Pierre Léna.

Ils avaient lancé, en 1996, ce qui n’était à l’origine qu’un mouvement pour développer l’enseignement des sciences à l’école primaire car il en avait quasiment disparu. Dans les suites de cette initiative, en 2011, La main à la pâte est devenue une fondation avec un budget dédié et des crédits provenant du plan d’investissement d’avenir.

En 2014, Pierre Léna a demandé à Daniel Rouan d’en prendre la présidence ce qui requiert un important investissement personnel. L’objectif est de coordonner une équipe de 24 personnes qui œuvrent conjointement pour contribuer à la diffusion des sciences auprès des jeunes générations en se basant essentiellement sur la formation des professeurs des écoles. La plupart étant issus de filières littéraires, il s’agit, dans un premier temps, de démystifier les sciences par la démarche d’investigation, l’expérimentation et de développer le questionnement par le travail en groupe. Puis de les rassurer par des stages de deux jours qui permettent de toucher environ 12 000 professeurs par an. Enfin, de mettre à leur disposition des ressources en ligne entièrement gratuites sur le site de La main à la pâte : chaîne YouTube, MOOCS. Un beau succès national et international !

Interaction de Daniel Rouan avec des élèves chiliens en classe primaire, lors (...)
Interaction de Daniel Rouan avec des élèves chiliens en classe primaire, lors d’une séance de démarche d’investigation sur la respiration des plantes

Transmettre c’est aussi enseigner !

Toujours dans la même veine, celle de la transmission, Daniel Rouan a passé une bonne partie de sa vie à enseigner. À la demande de Pierre Léna qui est une référence pour lui et à qui il doit beaucoup, depuis la direction de sa thèse jusqu’à sa présidence de La main à la pâte. Un homme qu’il décrit comme inspirant, balisant son cheminement de scientifique, comme s’il avait semé les graines qu’ensuite il a contribué à faire germer (l’optique adaptative, le VLT et le VLTI pour n’en citer que quelques-unes).

Avec passion et investissement, Daniel Rouan s’est voué à l’enseignement, en DEA puis en Master d’astrophysique où il a pris la responsabilité de projets expérimentaux et enseigne les processus de rayonnement et les méthodes de l’observation. Il a ensuite été directeur du même DEA pendant 4 ans, puis directeur de l’École doctorale d’astronomie et d’astrophysique d’Île-de-France jusqu’en 2010 environ. Pendant 4 ans également, il a présidé le CNAP, (Comité national des astronomes et astrophysiciens) qui les recrute puis suit leur parcours tout au long de leur carrière.

D’autres rencontres aussi au cours de sa vie professionnelle, celle des techniciens et ingénieurs aux grandes compétences et particulièrement investis, ainsi que de jeunes chercheurs brillants avec qui il a collaboré : François Lacombe, Didier Tiphène, Éric Gendron, Anthony Boccaletti, Pascal Gallais, Damien Gratadour, Yann Clénet… La liste est bien trop longue pour tous les citer mais on sent dans sa voix toute la reconnaissance qu’il éprouve à l’égard de ses collègues.

Président de la Société Française de Physique

Cerise sur le gâteau, il vient d’être nommé vice-président de la Société Française de Physique pour un mandat de 4 ans ! Vice-président la première année, il en deviendra président les deux années suivantes, puis vice-président sortant la quatrième année. Une juste reconnaissance de cette longue carrière au service de la science. Nous serions incomplets si nous ne mentionnions deux de ses passions : la voile, en particulier au large de la Corse, région pour laquelle il éprouve une grande affection et l’informatique bricolée. Il se définit lui-même, avec un brin d’humour, comme « geek ». Un homme au riche parcours et aux innombrables contributions à l’astronomie et l’astrophysique modernes !

Portrait rédigé par Luc Heintze


Daniel Rouan mettant l'oeil à l'oculaire du télescope de 60 cm de (...)
Daniel Rouan mettant l’oeil à l’oculaire du télescope de 60 cm de l’Observatoire de Paris à Meudon