Strong scientific synergies are foreseen between the James Webb Space Telescope and the Extremely Large Telescope in peering into the epoch of first light and reionization. I will discuss the complementary aspects between the JWST and ELT in imaging and multi-object spectroscopy capabilities. A particular focus will be given to the extragalactic science cases that will be addressed by NIRSpec and NIRCam instruments, including physical properties of early star-forming galaxies and the evolution of the reionization process.

Les techniques d’imagerie à très haut contraste, dédiées à l’imagerie des systèmes exoplanétaires, ont connu une avancée significative avec l’avènement des optiques adaptatives extrêmes et des concepts coronographiques. Au niveau européen, l’instrument SPHERE sur le VLT est la concrétisation de cette thématique au sol. SPHERE a permis d’étudier de nombreux systèmes planétaires que ce soit au niveau des planètes géantes jeunes ou de leur environnement. Les performances de SPHERE seront illustrées sur quelques cas particuliers : détection et analyse spectrale de planètes géantes, suivi temporel, analyse morphologique, spectrale et polarimetrique des disques protoplanétaires et des disques de débris. Nous avons maintenant une bonne compréhension des limites techniques de SPHERE et nous envisageons une mise à niveau de l’instrument, SPHERE+, qui permettra d’atteindre la population de planètes jeunes orbitant à moins de 10 ua, et de renforcer la synergie avec ALMA sur l’étude des systèmes jeunes. L’instrument MIRI sur le JWST donnera accès à une gamme de longueurs d’ondes intermédiaires entre SPHERE et ALMA et offrira des capacités d’imagerie à très haut contraste uniques en IR moyen. Ces instruments sont des précurseurs direct des instruments de 1ere lumière de l’ELT (MICADO, HARMONI, METIS) mais aussi de PCS.

I will describe MICADO, its capabilities and its main science cases

In this presentation, I will summarise the possible synergies between ALMA and the ELT in the next decade reviewing the current plans that are outlined in the ALMA2030 Vision document and emphasising particular fields of interest from planet formation to high-redshift galaxies. 

Philippe Feautrier, Gael Chauvin, Sylvain Douté, Estelle Moraux et l’équipe MAORY à l’IPAG.

Présenté par : Philippe Feautrier et Sylvain Douté (IPAG)

MAORY (Multi-conjugate Adaptive Optics RelaY) est le système d'optique adaptative multi-conjugué (MCAO) du futur télescope géant européen, l'ELT. Le contrat de cet instrument a été signé avec l'ESO en Décembre 2015. L’IPAG est responsable de la fourniture du sous-système "Laser Guide Star Wavefront Sensor" (LGS). Grâce à son investissement instrumental, l'IPAG disposera de 11 nuits de temps garanti sur un total de 65 nuits sur MAORY/MICADO. L'accord pour l'instrument MAORY a été signé le 10 Décembre 2015 entre l’ESO et un consortium d'instituts européens composé de l’Istituto Nazionale di Astrofisica (Italie) et de l’Institut National des Sciences de l’Univers du Centre National de la Recherche Scientifique (France). Couplé à l'optique adaptative multi-conjuguée MAORY, l'imageur proche infrarouge MICADO permettra d'exploiter pleinement la résolution d'un télescope de 39 m sur 50% du ciel et permet l'accès à de larges programmes scientifiques qui complètent les programmes spatiaux comme le James Webb Space Telescope par un accès à une résolution angulaire et une sensibilité meilleure.

La présentation débutera par un volet instrumental. Le projet MAORY a subi une profonde refonte dans les 2 années précédentes, avec notamment une nouvelle équipe mise en place par l'INAF en Italie et des nouvelles spécifications. La MCAO est un système d'optique adaptative à plusieurs étoiles laser et plusieurs miroirs déformables (DM) optiquement conjugués à différentes altitudes. La MCAO avec LGS (Laser Guide Star) ne permet pas de mesurer le tilt du front d'onde et plusieurs modes sont non corrigés par les étoiles laser, d'où la nécessité des étoiles lasers naturelles (visibles et/ou infrarouges) pour corriger ces modes, ce qui explique qu'un système de MCAO peut ne pas avoir une couverture de ciel de 100 % puisqu'on a encore besoin d'étoiles naturelles dans le champ. On admet généralement que les ELT sont peu attractifs sans MCAO de par leur couverture de ciel trop faible, et c'est pourquoi malgré son extrême complexité, l’instrument MAORY figure en phase 1 de l'ELT. Aujourd'hui, MAORY comprends 2 DM, 6 étoiles laser (LGS-Laser Guide Star) et ses 6 analyseurs, 3 étoiles naturelles (senseur de tilt) avec 3 analyseurs visibles et 3 analyseurs infrarouges. Dans ce système, l'IPAG est responsable du sous-système LGS qui comprend les 6 analyseurs de surface d'onde, situés sur une galette de 1 m de diamètre (700 kg) qui tourne avec le champ du télescope. MAORY vient aujourd'hui de livrer sa documentation de PDR (Preliminary Design Review) en 2 parties. La fin de ce processus aura lieu en Juin 2021 avant de commencer une phase dite de FDR (la Final Design Review) qui devrait se prolonger jusqu'en 2023. L'IPAG livrera son sous-système LGS à Bologne (intégration et tests) en 2026 puis l'instrument sera réinstallé au Chili à Armazones sur le site de l'ELT en 2028 pour la phase dite de commisionning.

Le second volet de l’exposé détaillera les cas scientifiques de l’instrument. Il y a un travail en cours par l'équipe scientifique de MAORY pour définir les cas prioritaires qui seront abordés par MICADO/MAORY dans différents thèmes : amas d'étoiles en formation, amas stellaires des centres galactiques, évolution et dynamique des galaxies, sursauts gamma, disques protoplanétaires, exoplanètes et objets du système solaire. Nous insisterons particulièrement sur les thèmes scientifiques poursuivis à l’IPAG. En ce qui concerne l’imagerie d’exoplanètes et de disques circumstellaires, comprendre comment les planètes se forment et évoluent, quelle est leur structure interne et celle de leur atmosphère, représente l'un des défis majeurs de l'astronomie moderne. L’exploitation du mode haut contraste de MAORY-MICADO ciblera des objets jeunes, enfouis dans leur disque. L’étude de la formation et de l'évolution des petits corps distants du Système Solaire (astéroïdes, objets transneptuniens – KBO - et Centaures) bénéficiera également du système MCAO qui devrait offrir une vision affinée (taille, forme, couleurs, composition chimique et densité) de ces objets grâce à la résolution angulaire et la sensibilité inédites des images produites. Celles-ci seront en effet corrigées uniformément des effets de la turbulence atmosphérique par une optique adaptative MCAO qui, contrairement à un mode SCAO, fonctionne sur une large portion du ciel indépendamment de la magnitude apparente et du mouvement propre de la cible. La formation et l'évolution des amas globulaires (GC), des jeunes amas massifs et des régions de formation d'étoiles, qu’ils appartiennent à notre galaxie ou à ses voisines, est un objectif d'une importance capitale pour MICADO-MAORY. En effet, la MCAO donne tout son potentiel pour l’observation de tels champs à haute densité d'étoiles car il offre l'avantage d'un large champ de vision avec une PSF uniforme. Le résultat est un gain de sensibilité pour les sources ponctuelles, une minimisation de la confusion de la population stellaire, une photométrie plus complète et plus stable ainsi que la possibilité de mesurer simultanément le mouvement propre de nombreuses étoiles individuelles améliorant les statistiques.

Le SKA Observatory (SKAO) sera le plus grand observatoire radio basse et moyenne fréquence (0,50 à 15,4 GHz) du monde. Sa construction est prévue commencer cette année. La création officielle de cette nouvelle organisation inter-gouvernementale (la deuxième au monde en astronomie au sol après l’ESO) au début de 2021 a vu aussi l'annonce du Ministère de l'Enseignement Supérieur, de la Recherche et de l'Innovation que la France est désormais engagée dans le processus de demande d'adhésion à l'Observatoire SKA.

Je présenterai des pistes de synergies entre SKAO et ELT, accompagnées d’éléments d’information pour que la communauté puisse s’insérer efficacement dans la finalisation de la préparation à l’exploitation scientifique de l’Observatoire SKA.

In few years from today, the largest optical telescope ever built will start exploring the Universe. This giant of 39m diameter - the European Extremely Large Telescope (ELT) - will address fundamental astrophysical science cases as for instance the direct imaging and characterization of exo-worlds or the study of bulk and evolution of the first galaxies. To fully exploit the scientific potential of the ELT, it will be equipped with a suit of instruments, amongst which HARMONI is the first light Integral Field Spectrograph.

HARMONI will observe in the visible and near infra-red range (from .5 to 2.4 microns), with a spectral resolution covering from R = 3000 to R = 20000, and at an angular resolution from 60mas and down to 4mas. HARMONI has been designed to exploit the diffraction limit of the ELT, and it will be equipped with two Adaptive Optics (OA) systems. The first is a conventional OA system (SCAO) and the second will be a high sky-coverage AO system, assisted by laser (LTAO).

In this presentation, we will first see the specificities of the future ELT, and in particular the technological challenge it represents to provide an optimal image quality. I will then focus on HARMONI, providing a description of the instrument and the current status of the project. Finally, I will illustrate some scientific cases unique to the ELT, and in particular to the HARMONI instrument.

I will present METIS, the E-ELT thermal infrared (L to N band) imager and spectrometer. I will describe its modes and their expected performances. Some of these performances will be compared to that of the JWST space observatory that observes at the same wavelengths, highlighting the complementarity of the two. 

GRAVITY and the VLTI have transformed optical interferometry with groundbreaking results on the Galactic Center (see Nobel prize in Physics 2020), active galactic nuclei, and exoplanets. Through its upgrades (off-axis fringe-tracking, extreme adaptive optics (AO) and laser guide stars for the 4 UTs), GRAVITY+ will open up the extragalactic sky for milli-arcsec resolution interferometric imaging, and give access to targets as faint as K = 22 mag. GRAVITY+ will measure the black hole masses of active galactic nuclei across cosmic time, and obtain high quality exoplanet spectra and orbits. I will present the GRAVITY results and the GRAVITY+ project and prospects, opening up for discussions on synergies with the ELT.

BlueMUSE is a large-field panoramic Integral Field Spectrograph in the optical, inspired from the MUSE architecture and proposed for the Very Large Telescope as part of the VLT2030 program. I will present the synergies between the BlueMUSE science case and the ELT instruments.

I will present the status of MOSAIC, the multi object spectrograph for the ESO extremely large telescope.

THESEUS is a space mission concept, currently under Phase A study by ESA as candidate M5 mission, aiming at exploiting Gamma-Ray Bursts for investigating the early Universe and at providing a substantial advancement of multi-messenger and time-domain astrophysics. THESEUS will be equipped of an unprecedented combination of X/gamma-ray monitors, providing the capabilities of detecting and accurately localize GRBs and many classes of transients in an energy band as large as 0.1 keV - 10 MeV, with an on-board NIR telescope providing detection, localization (arcsec) and redshift determination of the NIR counterpart.

In this talk I will present how the synergy of THESEUS and ELT observations will bring unique information on the first galaxies, on their chemical enrichment, and on the study of the electromagnetic counterparts of gravitational waves, especially on their impact in our understanding of stellar evolution and the heavy element production in the universe.

L'imagerie directe tient une place particulière pour l'étude des systèmes exoplanétaires puisqu'elle permet de mesurer la lumière émise ou réfléchis par ces objets et donc d'avoir une information cruciale sur leur composition. La mise sur le ciel d'instruments dédiés à l'imagerie directe des exoplanètes au cours de la dernière décennie a permis la découverte d'un petit nombre de nouveaux compagnons planétaires jeunes. Cependant, le faible nombre de détections a surtout mis en lumière la nécessité de pouvoir sonder des séparations angulaires plus faibles et à un plus grand contraste afin d'atteindre le coeur des populations de planètes prédites par les modèles de formation ou déjà détectées par d'autres méthodes. Au sol, l'ELT promet d'atteindre cet objectif grâce à leur très grand diamètre et à divers instruments génériques ou dédiés (HARMONI, MICADO, METIS, HIRES, PCS) à l'imagerie des exoplanètes. Dans l'espace, le télescope spatial Roman (RST) de la NASA va incorporer le premier instrument spécifiquement optimisé pour l'imagerie d'exoplanète, CGI. Grâce à du contrôle de front d'onde via deux miroirs déformables et à différents coronographes, RST/CGI promet d'atteindre des contraste sans commune mesure avec ce qui peut être fait depuis le sol. Cependant, le diamètre de 2.4 m du télescope limitera les détections uniquement aux régions les plus externes des systèmes planétaires proches. Cette présentation a pour but de présenter les synergies possibles entre l'ELT au sol et le RST dans l'espace.

LISA is a low-frequency gravitational wave experiment, which will have the ability to detect merging massive black holes with masses in the range 1e4-1e7 solar masses. Some of these events are expected to have an electromagnetic counterpart, and multi-messenger observations can inform us on the physical conditions when and where  massive black hole merge: the relative role of gas and stars in the dynamical evolution of binaries, constraining accretion physics -- and how that differs from single massive black holes, the delay between galaxy and massive black hole mergers. Furthermore, if we can measure the redshift via electromagnetic observations we can constrain cosmological parameters, since gravitational wave measurements provide the luminosity distance. At variance with LIGO/Virgo, which can perform these cosmological tests only at low redshift, LISA has the capability of detecting massive black hole mergers out to high redshift. Since LISA's massive black holes have relatively low masses, the sources will be relatively faint: high-sensitivity telescopes, such as ELT, are expected to play a crucial role in characterizing these sources. I will discuss possible synergies between LISA and ELT in this context.