EXPLORATION SPATIALE - LE BLOG DE PIERRE BRISSON

Lorsque le gouvernement de Donald Trump a proposé de réduire le budget des sciences spatiales de la NASA, l’argument principal mis en avant était que les instruments dont le lancement dans l’espace était annulé, étaient inutiles et trop coûteux. La première réaction de réprobation des personnes intéressées par la connaissance de l’Univers, a résulté de l’abandon, probable dans ce contexte, du télescope Nancy Roman (anciennement WFIRST i.e. Wide Field InfraRed Survey Telescope). Il est vrai que ce renoncement, s’il était confirmé par le Congrès, serait extrêmement préjudiciable au progrès des sciences. Ce télescope est porteur en effet de beaucoup de découvertes potentielles qui ne peuvent être effectuées par les télescopes actuels. Je vous laisse juge par la lecture du texte ci-dessous où l’intelligence artificielle claude.ai répond à mes demandes (1) de comparaison du télescope Roman avec son prédécesseur le télescope Webb (JWST), et (2) sur ce dont nous risquons de manquer pour la suite de l’exploration spatiale. NB : ma contribution personnelle, outre les questions posées à Claude, figure en italique dans le texte.

(1) Comparaison des instruments et des capacités du James Webb Space Telescope et du Nancy Roman Telescope.

Réponse :

Ce sont deux observatoires spatiaux importants, mais avec des missions et des capacités distinctes.

James Webb Space Telescope (JWST)

• Date de lancement : 25 décembre 2021
• Miroir principal : 6,5 mètres de diamètre, composé de 18 segments hexagonaux en béryllium
• Gamme spectrale : Principalement infrarouge (0,6 à 28,5 micromètres)
• Distance : Point de Lagrange L2 (1,5 million de kilomètres de la Terre)
• Instruments principaux :
  • NIRCam (caméra proche-infrarouge),
  • NIRSpec (spectrographe proche-infrarouge),
  • MIRI (instrument infrarouge-moyen),
  • FGS/NIRISS (capteur de guidage fin/imageur et spectrographe sans fente, proche-infrarouge).
• Spécialités : Observation des premières galaxies, étude de l’atmosphère des exoplanètes, observation des objets froids et des régions poussiéreuses

Nancy Grace Roman Space Telescope

• Date de lancement prévue : Mai 2027. NB : Ce télescope a été initié en 2010. Il a changé de nom (anciennement WFIRST) en 2020 pour honorer la mémoire de l’astronome américaine Nancy Grace Roman décédée en 2018). Elle était la « mère » du télescope Hubble.
• Miroir principal : 2,4 mètres de diamètre (même taille que Hubble);
• Gamme spectrale : Visible à proche-infrarouge (0,5 à 2,3 micromètres);
• Instruments principaux :
  • WFI (imageur à grand champ),
  • CGI (imageur coronographique).
• Spécialités : Cosmologie, matière noire, exoplanètes, et grand relevé du ciel.
• Distance prévue : Point de Lagrange L2 (comme le JWST). NB: ce point est dans le cône d’ombre de la Terre par rapport au Soleil.

Différences clés

1. Champ de vision : Roman a un champ de vision 100 fois plus large que le télescope JWST ou que Hubble (résolution de 0,1 secondes d’arc sur 0,281 degrés carrés), ce qui en fait un télescope de « survey » idéal pour cartographier de vastes régions du ciel ;
2. Sensibilité spectrale : JWST est optimisé pour l’infrarouge-lointain, tandis que Roman se concentre sur le visible et le proche-infrarouge ;
3. Mission principale : JWST est conçu pour observer en profondeur des objets spécifiques, alors que Roman est conçu pour des relevés larges et des études statistiques;
4. Autres missions : Roman, instrument à large champ de vue et à forte sensibilité aux émissions des objets froids, serait un atout formidable pour déceler la Planète-9;
5. Coronographe : Roman dispose d’un coronographe de démonstration avancé spécifiquement conçu pour imager directement des exoplanètes.

En résumé, ces deux télescopes sont complémentaires : JWST excelle dans l’observation détaillée d’objets spécifiques en infrarouge, tandis que Roman est conçu pour les grands relevés astronomiques avec un champ de vision très large. Roman permettra de repérer des objets intéressants que JWST pourra ensuite étudier en détail.

Fin de la réponse de claude.ai.

Au-delà de cette comparaison, j’ai interrogé claude.ai sur les points suivants : savoir (1) quelles sont les spécificités du télescope Roman pour pouvoir vérifier la réalité de la matière noire et de l’énergie noire et savoir comment il devrait procéder pour le faire, et (2) comment le coronographe CGI (Coronagraphic Instrument), démonstrateur technologique pour imager les exoplanètes proches, pourrait préparer la mission HWO (Habitable Worlds Observatory).

Sur le premier sujet, voici la réponse de claude.ai :

Le télescope Nancy Grace Roman jouera effectivement un rôle crucial dans l’étude de la matière noire et de l’énergie noire. Voici comment il procédera pour explorer ces mystérieuses composantes de notre univers :

Pour l’étude de la matière noire (NB: la réalité de cette matière n’est pas encore prouvée – cf théorie d’invariance d’échelle du vide d’André Maeder. Ce n’est toujours qu’une hypothèse, fondée sur un phénomène constaté, Roman doit précisément nous aider à mieux cerner et comprendre la cause de ce phénomène).

1. Lentilles gravitationnelles : Roman observera des milliers de lentilles gravitationnelles faibles. La matière noire déforme l’espace-temps et modifie le trajet de la lumière provenant des galaxies d’arrière-plan. En analysant systématiquement ces distorsions subtiles à grande échelle, Roman pourra cartographier la distribution de la matière noire.
2. Distribution des galaxies : En cataloguant des milliards de galaxies et leur répartition, Roman pourra révéler la structure filamenteuse de la matière noire qui forme la « toile cosmique ». La façon dont les galaxies se regroupent est fortement influencée par la présence de matière noire.
3. Amas de galaxies : Roman étudiera les amas de galaxies dont la dynamique est largement dominée par la matière noire. En observant le mouvement des galaxies au sein de ces amas, il permettra de mieux comprendre les propriétés de la matière noire.

Pour l’étude de l’énergie noire (NB: la réalité de cette énergie n’est pas encore prouvée -cf théorie d’invariance d’échelle du vide d’André Maeder. Ce n’est toujours qu’une hypothèse, fondée sur un phénomène constaté, Roman doit précisément nous aider à mieux cerner et comprendre la cause de ce phénomène).

1. Supernovae de type Ia : Roman découvrira et suivra des milliers de supernovae de type Ia. Ces « chandelles standard » permettent de mesurer précisément l’expansion de l’univers à différentes époques et donc de contraindre les propriétés de l’énergie noire.
2. Oscillations acoustiques des baryons (BAO) : En cartographiant la distribution des galaxies à diverses distances, Roman mesurera ces « ondes sonores » primordiales figées dans la distribution de la matière. Ces oscillations servent d’échelle standard pour mesurer l’expansion accélérée de l’univers.
3. Relevé à grande échelle : Le High Latitude Wide Area Survey de Roman couvrira environ 2000 degrés carrés du ciel (sur 41253 degrés carré pour la totalité des deux hémisphères) avec une sensibilité inégalée, fournissant des données pour plusieurs tests indépendants des modèles d’énergie noire.
4. Évolution de la structure cosmique : En observant comment les structures se sont formées et ont évolué au fil du temps cosmique, Roman permettra de tester différents modèles d’énergie noire et leurs effets sur la formation des structures.

Atouts uniques de Roman pour ces études

• Son immense champ de vision lui permettra d’observer des millions de galaxies simultanément (cf illustration de titre, crédit NASA).
• Sa précision photométrique exceptionnelle est idéale pour les mesures cosmologiques.
• Sa capacité à réaliser des observations multi-époques permettra de détecter des objets variables comme les supernovae.
• Son spectrographe permettra de mesurer précisément les décalages vers le rouge (redshifts) de millions de galaxies.

Roman testera également des théories alternatives à la matière noire et à l’énergie noire, comme les théories de gravité modifiée (cf théorie d’André Maeder mentionnée ci-dessus). C’est en combinant toutes ces approches observationnelles complémentaires que le télescope Nancy Roman espère apporter des contraintes décisives sur la nature de ces composantes mystérieuses qui constituent environ 95% du contenu énergétique de notre univers. NB : aujourd’hui, on suppose que la masse/énergie de l’Univers est constituée de matière baryonique pour 4,9%, d’énergie sombre pour soit 68,3% et 26,8% de matière noire.

Sur le second sujet, le HWO, voici la réponse de claude.ai :

NB : Je l’interrogeais en particulier sur la probabilité (avant la Présidence Trump !) de ce projet et pour savoir jusqu’à quelle distance il pourrait voir en direct des exoplanètes de la taille de la Terre orbitant des étoiles de la taille du Soleil.

Vous avez tout à fait raison concernant le lien entre le coronographe du télescope Nancy Grace Roman et le futur Habitable Worlds Observatory (HWO).

Le projet HWO

Oui, ce projet HWO a bien commencé. Il a été officiellement recommandé comme priorité principale pour les grands observatoires spatiaux dans le rapport décennal Astro2020 de l’Académie nationale des sciences américaine, publié fin 2021. Ce rapport, qui guide les investissements de la NASA en astronomie pour la décennie à venir, a placé le HWO comme successeur des grands observatoires comme Hubble, Chandra, Spitzer, James Webb, Roman.

Points clés sur le HWO :

• Calendrier prévu : Lancement envisagé vers le milieu des années 2030
• Coût estimé : 11 milliards de dollars ;
• Miroir principal : 6 mètres de diamètre prévu ;
• Mission principale : Recherche de biosignatures sur des exoplanètes semblables à la Terre.

Lien avec le coronographe CGI de Roman

Le coronographe CGI du télescope Nancy Grace Roman est effectivement conçu comme un démonstrateur technologique crucial pour le futur HWO. Le CGI doit tester :

• Des techniques avancées pour bloquer la lumière stellaire ;
• Des systèmes de contrôle du front d’onde à haute précision ;
• Des algorithmes de traitement d’images pour détecter des planètes des milliards de fois moins lumineuses que leurs étoiles hôtes.

Les leçons tirées du CGI informeront directement la conception du coronographe plus avancé prévu pour le HWO.

Capacités attendues du HWO pour l’imagerie d’exoplanètes terrestres

Concernant la distance à laquelle le HWO pourrait détecter des exoplanètes de type terrestre :

• Distance maximale estimée : Environ 25 à 30 parsecs (80-100 années-lumière, ‘al’) pour des exoplanètes de taille terrestre orbitant dans la zone habitable d’étoiles de type solaire (NB : il s’agit donc de notre environnement proche. Pour mémoire, Proxima Centauri l’étoile la plus proche du Soleil, évolue à 4,24 al, et notre galaxie, la Voie Lactée, a un diamètre de 100.000 al).
• Nombre de systèmes accessibles : 16 à 32 systèmes de type solaire (« G ») pourraient se trouver dans ce rayon (densité totale d’étoiles 0,0035 par parsec³ mais étoiles de type solaire 7 à 8% seulement du total). En supposant que les planètes de type terrestre en zone habitable d’étoiles de type solaire représentent 10 à 20% de ces étoiles, on pourrait avoir 1 à 6 cibles.
• Capacités de caractérisation : HWO pourrait non seulement détecter ces planètes mais aussi analyser leur atmosphère pour y rechercher des biosignatures (oxygène, méthane, vapeur d’eau…)

L’intérêt réel dépendra évidemment des performances finales du coronographe et de la durée d’observation, mais le HWO représentera un bond technologique majeur par rapport aux capacités actuelles. Pour comparaison, les meilleurs instruments actuels peinent à imager directement même de grosses planètes gazeuses, et généralement uniquement autour d’étoiles jeunes et à grande séparation orbitale (NB : claude.ai ne prend pas encore en compte les propositions budgétaires de la nouvelle administration américaines).

Le HWO vise à atteindre des contrastes de l’ordre de 10^-10, c’est-à-dire être capable de détecter une planète dix milliards de fois moins lumineuse que son étoile, ce qui est nécessaire pour imager directement des planètes comme la Terre.

Cette mission représente l’un des défis technologiques les plus ambitieux de l’astronomie moderne, avec le potentiel de réaliser ce qui était autrefois considéré comme presque impossible : observer directement des « Terres » autour d’autres étoiles et y rechercher des signes de vie.

Fin de la réponse de claude.ai

Conclusion :

On voit donc que si nous ne lançons pas comme il était prévu le télescope Roman en 2027, nous n’allons pas pouvoir lancer le HWO, nous n’allons sans doute pas pouvoir trouver la planète-9, et nous n’allons pas pouvoir réunir les éléments permettant d’avancer sur l’existence de la matière et de l’énergie noire. Ce n’est pas rien. Cela correspondrait à un véritable gel de la recherche en astronomie et en astrophysique. Et que l’on ne nous dise pas que le télescope Roman représente une dépense inconsidérée. Le total hors lancement, est évalué à 4.3 milliards dont 4 milliards sont déjà dépensés (à comparer aux 11 milliards de Hubble). Le seul bémol étant le développement des capacités de transmission, de stockage et de traitement des données. En effet, Roman devrait transmettre 1,4 térabits par jour (et 20.000 sur 5 ans). Ce chiffre de 1375 est à comparer au flux du JWST, 52 térabits, et à celui de Hubble, 2,7 térabits (info NASA Goddard Space Flight Center).

A noter, accessoirement, que l’ESA, partenaire de la NASA dans ce projet, aurait travaillé et dépensé de l’argent pour rien. Heureusement cette contribution n’est pas très importante. Il s’agit de détecteurs (EMCCD) pour le Coronographe, de viseurs d’étoiles et d’une antenne géante de 35 mètres en Australie pour recueillir une partie de la masse des données.

Illustration de titre : champ de vision du télescope Raman comparé à celui de Hubble (Credit: STScI, NASA). Remarquez le petit carré à gauche qui montre les capacités du télescope Hubble.

Liens :

https://roman.gsfc.nasa.gov/science/docs/roman-capabilities-galaxies.pdf https://roman.gsfc.nasa.gov

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Roman_factsheet https://fr.wikipedia.org/wiki/Nancy-Grace-Roman_(t%C3%A9lescope_spatial)

« An alternative to the ΛCDM model: the case of scale invariance », par André Maeder, dans « The Astrophysical Journal »:

http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/834/2/194/meta

Article paru dans Le Temps sur l’étude d’André Maeder :

https://www.letemps.ch/sciences/un-professeur-genevois-remet-question-matiere-noire

Article de Huterer et Terner sur l’énergie sombre:

https://arxiv.org/pdf/0803.0982.pdf

Articles de la NASA sur le projet WFIRST:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/nasa-s-next-major-telescope-to-see-the-big-picture-of-the-universe

https://wfirst.gsfc.nasa.gov

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