"Grands observatoires" - la prochaine génération de télescopes spatiaux de la NASA et leur impact sur le prochain siècle d'astronomie d'observation

Le jour de Noël 2021 a été une occasion heureuse pour la plupart des astronomes du monde entier, comme c'était le cas lorsque le très retardé Télescope spatial James Webb (JWST) a finalement été lancé. Cependant, la fanfare entourant son déploiement dans l'espace au cours du mois prochain, ainsi que la jubilation qui a suivi sur ses premières images, a masqué un problème troublant dans l'astronomie d'observation - qui est qu'une grande partie du reste de la flotte d'observatoires en orbite spatiale de la NASA vieillit. La Le télescope spatial Hubble travaille depuis 1990, tandis que le Observatoire à rayons X de Chandra a été lancée près d'une décennie plus tard. Pendant ce temps, leur compatriote infrarouge, le Télescope Spitzer, lancé en 2003, n'est plus en activité, ayant été fermé en 2020.

C'est pourquoi les astronomes craignent que si quelque chose arrivait à un ou plusieurs de ces télescopes de plus en plus branlants, ils pourraient être coupés de pans entiers du spectre électromagnétique. Avec l'arrêt de Spitzer, l'infrarouge lointain (160 um) est déjà hors de portée car le JWST ne s'aventure que dans l'infrarouge moyen à 26 μm. De la même manière, le JWST n'est pas optimisé pour observer les longueurs d'onde visibles ou ultraviolettes comme le fait Hubble. Bien sûr, la prochaine Télescope spatial romain Nancy Grace - anciennement le Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) - est un télescope optique et proche infrarouge, mais son champ de vision est beaucoup plus large que celui de Hubble, ce qui signifie qu'il n'est pas conçu pour un travail rapproché et détaillé ; il n'a pas non plus la couverture ultraviolette de Hubble.

Grands observatoires

Pour garantir que notre vision de l'univers à travers le spectre reste brillante, les astronomes américains sélectionnent et choisissent actuellement la prochaine cohorte de télescopes spatiaux. La principale recommandation de la dernière enquête décennale astronomique des Académies nationales des sciences, de l'ingénierie et de la médecine des États-Unis - le rapport de 614 pages Voies de découverte en astronomie et astrophysique pour les années 2020 (Astro2020) – est de mettre en place des plans pour qu'une nouvelle génération de « grands observatoires » commence à être lancée dans les années 2040. Cela fait écho lorsque Chandra, Hubble, Spitzer et le Observatoire de rayons gamma de Compton (qui a fonctionné entre 1991 et 2000 et a été remplacé en 2008 par le télescope spatial Fermi) étaient en cours de développement, et qui ont été annoncés comme les « grands observatoires ».

Travaillant côte à côte pour étudier l'univers, ces télescopes ont été le fer de lance de la recherche en astrophysique de la NASA pendant des décennies. La réutilisation de cette expression « grands observatoires » dans la nouvelle enquête décennale est délibérée, déclare le coprésident de l'enquête, Fiona Harrison du California Institute of Technology. "C'est pour faire comprendre que les observations panchromatiques, des rayons X à l'infrarouge, sont vraiment essentielles pour l'astrophysique moderne", dit-elle. "Une grande partie du succès des grands observatoires [initiaux] est qu'ils ont été développés et lancés les uns après les autres, avec des observations qui se chevauchent."

La construction d'un télescope spatial réussi est un long processus, qui prend généralement 25 ans entre le début du développement et le lancement. Le travail de conception pour Hubble a commencé dans les années 1960, tandis que les plans pour le JWST ont été élaborés pour la première fois en 1995, après la Images de champ profond de Hubble ont montré que les premières galaxies sont à portée d'un plus grand télescope. La prochaine génération de telles sondes spatiales ne sera donc pas lancée avant les années 2040, au plus tôt. Mais ils incluront la recommandation numéro un de l'enquête : une mission phare pour remplacer Hubble, s'inspirant de deux concepts - le Observatoire des Exoplanètes Habitables (HabEx) et par Grand UltraViolet, Optique et InfraRouge (LUVOIR) télescope. Également à l'étude, une mission à rayons X et un télescope capable d'observer dans l'infrarouge lointain.

Mais étant donné la santé précaire de notre génération actuelle de télescopes spatiaux, et sachant que les nouvelles missions ne seront pas lancées avant 20 ans, les astronomes n'auraient-ils pas dû commencer à planifier de nouveaux grands observatoires il y a des années ? "Bien sûr", dit Steven Kahn de l'Université de Stanford, qui a présidé l'un des panels de l'enquête décennale sur les futurs télescopes spatiaux. Il cite l'observatoire Constellation-X - une sonde spatiale à rayons X qui a été recommandée comme suivi de Chandra dans l'enquête décennale de 2000, mais qui ne s'est jamais concrétisée en raison du développement prolongé du JWST, qui a aspiré tout le budget de l'astrophysique. "Le JWST a essentiellement dominé le grand programme d'observatoire de la NASA pendant deux décennies et demie", explique Kahn. "En conséquence, il n'y avait pas de place pour faire une mission de suivi par rayons X, ou le genre de mission pionnière dans l'infrarouge lointain que nous envisageons."

Le gagnant prend tout 

En effet, le développement du JWST a rencontré de nombreux problèmes, notamment d'énormes dépassements de coûts et de temps de développement, qui ont presque entraîné l'annulation du projet. Le souvenir de ces erreurs plane sur la nouvelle enquête décennale, influençant certaines des recommandations faites pour rétablir l'équilibre de l'astrophysique aux États-Unis. Mais ça n'a pas toujours été comme ça. Kahn déplore le fait qu'avant l'enquête de 2000, le simple fait de figurer sur la liste des recommandations d'une enquête décennale suffisait à garantir pratiquement que votre projet ou votre mission se réaliserait. Mais à l'ère moderne des télescopes à 10 milliards de dollars, "vous devez être le numéro un ou vous n'y arriverez pas", déclare Kahn. "Le problème est que dans cet environnement où le gagnant rafle tout, tout le monde veut jeter toutes les cloches et tous les sifflets qu'il peut sur un projet, car si vous pensez que vous n'obtiendrez qu'une seule chance lors d'une grande mission dans les 50 prochaines années , vous voulez que ça compte.

C'est cette façon de penser qui peut conduire aux problèmes que le JWST a rencontrés et causés. Plus la conception d'une mission devient complexe, plus vous voulez qu'elle dispose d'instruments et de capacités pour la rendre intéressante, ce qui signifie qu'elle devient plus coûteuse et prend plus de temps à se développer. "Tout cela nous ramène dans ce cercle vicieux du gagnant prend tout", poursuit Kahn.

Harrison est d'accord, soulignant que cette nouvelle enquête décennale est une tentative pour essayer de changer l'approche de l'astronomie américaine. "Pour une enquête décennale, dire que c'est la chose numéro un, nous devons le faire quoi qu'il en coûte, à n'importe quel prix, n'est pas une approche responsable", dit-elle. Pour tenter de contrer cela, la récente enquête fait un certain nombre de nouvelles propositions. Parmi eux se trouve l'idée que les missions devraient être conçues en accord avec des priorités scientifiques spécifiques, plutôt que de laisser le concept de mission s'enfuir avec lui-même, avec toutes les « cloches et sifflets », pour citer Kahn.

Par exemple, l'une des principales questions scientifiques examinées par le panel de Kahn était la manière dont les trous noirs supermassifs actifs dans les galaxies lointaines et poussiéreuses influencent la formation des étoiles. L'accrétion de matière sur de tels trous noirs serait détectable par un télescope à rayons X à haute résolution angulaire, tandis qu'une mission spectroscopique dans l'infrarouge lointain serait capable de regarder à travers la poussière et de sonder des raies spectrales spécifiques liées à la formation d'étoiles et à la rétroaction de vents de trou noir. L'espoir est que les deux missions puissent être lancées à quelques années d'intervalle et fonctionner à l'unisson. Cependant, la forme que prendront ces missions est toujours en suspens.

Avant l'enquête décennale, il y avait deux concepts de mission - le Observatoire de rayons X Lynx et par Télescope spatial Origins – qui fonctionnerait dans l'infrarouge moyen à lointain, avec un miroir de télescope de 6 à 9 m de diamètre. Chacun était estimé à environ 5 milliards de dollars, mais l'enquête décennale a conclu que ces coûts étaient sous-estimés et que leurs capacités scientifiques ne correspondaient pas tout à fait aux exigences recherchées par le panel.

Missions phares

Et c'est là qu'intervient l'une des autres innovations de l'enquête décennale, à savoir une nouvelle classe de télescopes spatiaux dits « probe-class », dotés de budgets de quelques milliards de dollars. "Nous devons reconnaître que si tout allait coûter aussi cher que JWST, il serait difficile de faire fonctionner tous les grands observatoires en même temps", déclare Marcia Rieke de l'Université de l'Arizona, qui a dirigé le deuxième panel sur les télescopes spatiaux, axé sur le régime optique et le proche infrarouge. "La meilleure façon pourrait être d'avoir une mission phare, puis de faire couvrir les autres parties du spectre électromagnétique par des missions de sonde."

En effet, toutes les missions possibles de classe sonde à rayons X et infrarouge lointain pourraient également être rejointes par un télescope ultraviolet de classe sonde. Les améliorations apportées aux revêtements de miroirs et aux détecteurs au cours des dernières décennies signifient qu'un télescope de 1.5 m pourrait en fait être plus sensible que Hubble aux longueurs d'onde ultraviolettes. "Cela fournirait une certaine robustesse contre les défaillances totales de Hubble", déclare Rieke.

Pour aider à développer ces futurs télescopes spatiaux, qu'ils procèdent comme des mastodontes de 10 milliards de dollars ou comme des missions de sonde plus modestes (mais toujours ambitieuses), l'enquête décennale recommande que la NASA crée un nouveau Mission Grands Observatoires et Programme de Maturation Technologique. Il ne s'agirait pas seulement de développer la technologie, mais aussi de "mûrir les concepts de mission", explique Harrison. De son côté, la Nasa organise déjà des ateliers dans le cadre de ce nouveau programme et a élaboré un projet d'appel à missions de sonde.

Si les missions à rayons X et à infrarouge lointain – surnommées «Fire» et «Smoke» pour l'instant – doivent être de classe sonde, alors le grand observatoire phare sera le remplacement direct tant attendu du télescope spatial Hubble. Le concept qui ouvre la voie est LUVOIR, et deux versions du télescope ont été proposées : soit un télescope de 15 m follement ambitieux, soit un télescope de 8 m, ce dernier restant le plus grand télescope spatial jamais lancé.

Autres terres

Pour des raisons de coût et de praticité, l'enquête décennale a recommandé que la version de 15 m soit abandonnée et que la conception finale fusionne les meilleures parties de LUVOIR et de HabEx. L'objectif scientifique clé de ce télescope, explique Rieke, est qu'il doit être capable de détecter des planètes de masse terrestre dans la zone habitable des étoiles. À cette fin, le panel de Rieke a engagé une discussion avec la communauté des exoplanètes sur le nombre de planètes potentiellement habitables pouvant être détectées en fonction de la taille du télescope.

« En tant que groupe, vous demandez : quels sont les principaux objectifs scientifiques ? Quel niveau de sensibilité est nécessaire ? Quel est le plus petit télescope qui fera le travail ? » dit Rieke. La réponse qu'elle a obtenue était qu'un télescope à ouverture de 6 à 8 m est à peu près aussi petit que vous osez aller si vous voulez trouver des exoplanètes potentiellement habitables.

Le succès n'est pas seulement lié à la taille du télescope ; ses instruments doivent eux aussi être à la hauteur. L'imagerie réussie de planètes de la taille de la Terre proches de leurs étoiles nécessitera un coronographe dans le cadre de sa conception. Les exoplanètes de la taille de la Terre ne peuvent normalement pas être imagées car l'éclat de leur étoile est trop puissant. Un coronographe bloque la lumière de l'étoile, ce qui permet de voir plus facilement toutes les planètes présentes. Ils ont été un incontournable des études sur le Soleil pendant des décennies - leur nom vient du blocage du disque solaire afin que les astronomes puissent voir la couronne solaire. Mais concevoir un coronographe capable de bloquer avec précision la lumière vive d'une étoile, qui apparaît essentiellement comme une source ponctuelle, tout en permettant aux planètes à quelques milliarcsecondes de l'étoile d'être visibles en réduisant le contraste entre l'éblouissement de l'étoile et la lumière des planètes à 10^-10, est « bien au-delà de tout ce que nous avons fait auparavant », déclare Rieke.

Suffisamment financé ?

La réponse générale aux recommandations de l'enquête décennale a été plutôt positive, avec la NASA, le Laboratoire National de Recherche en Astronomie Optique-Infrarouge (NOIRLab) et par Observatoire National de Radioastronomie (NRAO) tous lui donnant leur sceau d'approbation. La prochaine étape, dit Harrison, est de convaincre les politiciens de se séparer des fonds qui seront nécessaires pour rendre les grands observatoires possibles.

La prochaine étape est de convaincre les politiciens de se séparer des fonds qui seront nécessaires pour rendre les grands observatoires possibles

Fiona Harrison, Institut de technologie de Californie

"Certainement un objectif maintenant pour moi et Robert Kennicutt [le co-président de Harrison de l'Université de l'Arizona et de l'Université A&M du Texas] est d'essayer d'exprimer au Congrès l'excitation des projets convaincants recommandés par l'enquête", dit-elle. "C'était une réponse positive de la NASA, et elle veut que les recommandations se concrétisent, mais le budget doit être là."

Si cet argent devait arriver, Rieke estime alors le financement nécessaire pour faire mûrir la technologie du télescope optique à environ un demi-milliard de dollars. « Nous serions alors sur le point, vers la fin de cette décennie, d'avoir tous les canards technologiques en rang et nous pourrons entrer dans la phase de construction », dit-elle.

Les délais impartis sont phénoménaux. Si Hubble et Chandra sont quelque chose à dire, les télescopes de nouvelle génération lancés dans les années 2040 pourraient encore être opérationnels dans les années 2070 ou au-delà. Les recommandations de l'enquête décennale ne sont donc pas seulement importantes pour les 10 prochaines années d'astronomie, mais pour leur impact sur une grande partie de ce siècle. Il y avait donc une énorme pression sur l'enquête pour qu'elle soit correcte.

« C'est là qu'il est important de choisir des objectifs ambitieux », déclare Rieke. "Vous devez identifier quelque chose qui est si important que tout le monde est d'accord, et c'est un pas en avant suffisant pour que quelque chose d'autre ne vous dépasse pas pendant que vous le faites." L'histoire jugera si cette enquête décennale a pris ses décisions clés correctement, mais du point de vue d'aujourd'hui, l'avenir de l'astrophysique promet d'être passionnant.