Espionner dans l'espace : la science derrière le télescope spatial romain de la NASA

Alors que la NASA se prépare à lancer ce week-end son nouveau télescope spatial romain Nancy Grace, le professeur Don Figer du Rochester Institute of Technology examine le but du télescope et ses origines dans le domaine des espions américains.

La NASA prévoit de lancer prochainement un nouveau télescope spatial qui étudiera un milliard de galaxies pour retracer l'évolution de l'univers au fil du temps, grâce au programme d'espionnage américain et à des décennies de recherche sur la technologie des détecteurs.

Le télescope, connu sous le nom de Nancy Grace Roman Space Telescope, a d'abord été développé par le National Reconnaissance Office, avant d'être transféré à la NASA en 2012. L'agence de renseignement n'ayant plus besoin du matériel pour ses futures missions, elle a donc envoyé le télescope inutilisé à la NASA. L’agence spatiale a passé plus d’une décennie à apporter des modifications et vise à lancer le télescope dans l’espace dès le 30 août 2026.

Une fois en position, le télescope recueillera des données qui, espèrent les astronomes comme moi, aideront à répondre à certaines des questions les plus déroutantes du domaine.

Les objectifs scientifiques de Roman

Vous pouvez vous attendre à de nombreuses découvertes passionnantes de la part du nouveau télescope, car il a été construit pour observer l’univers et étudier la distribution tridimensionnelle de la matière noire. Bien que les scientifiques ne l'aient jamais observée directement auparavant, la matière noire produit des effets invisibles sur les objets de l'univers, similaires à ceux produits par la matière visible.

De même, Roman verra des étoiles explosives appelées supernovas qui permettront aux astronomes de mesurer la vitesse à laquelle l’univers s’est étendu. Ces mesures aideront les astronomes à mesurer les variations du taux d’expansion de l’univers. La matière noire et l’énergie noire, qui ne sont pas encore directement observées, constituent ensemble la source de la grande majorité de l’énergie de l’univers, mais leur nature physique est inconnue.

Plus près de chez nous, Roman surveillera les petites variations de lumière des étoiles proches du centre de la Voie lactée afin de déduire la présence de planètes voyous dérivant entre les étoiles. Lorsqu'une planète passe devant une étoile, elle perturbe et amplifie brièvement la lumière de l'étoile située derrière elle, confirmant ainsi sa présence.

Enfin, Roman dispose d'un instrument coronographe qui testera la technologie pour les futures missions qui prévoient de détecter des planètes semblables à la Terre autour d'autres étoiles. Un coronographe bloque la majeure partie de la lumière d’une étoile afin que les astronomes puissent détecter les planètes beaucoup plus faibles qui gravitent autour d’elle. Pour une planète semblable à la Terre autour d’une étoile semblable au Soleil, l’étoile hôte peut être 10 milliards de fois plus brillante que la planète.

Le coronographe du télescope romain lui permettra d'étudier les planètes lointaines lorsqu'elles passent devant une étoile.

Du télescope espion à l’étude de l’univers

Lorsque la NASA a reçu Roman, elle a transformé un défi concernant la conception d'espionnage du télescope en une opportunité. Le télescope a un large champ de vision, du moins par rapport à la plupart des télescopes spatiaux conçus pour l'astronomie. Cela signifie qu’il peut voir une grande partie du ciel à la fois. Il existe une opportunité : alors que des télescopes comme le télescope spatial Hubble voient des champs étroits très profondément, Roman sera capable de voir des champs beaucoup plus grands.

La caméra de Roman a un champ si large parce que ses origines de télescope espion lui confèrent une optique inhabituellement rapide. Cela signifie qu’il a une distance focale relativement courte – la distance entre le miroir et le point où la lumière se concentre – pour le diamètre de son miroir. En effet, il peut projeter une partie du ciel beaucoup plus grande sur une zone fixe du télescope, appelée plan focal. Son miroir a à peu près le même diamètre que celui de Hubble, mais il peut capturer une zone environ cent fois plus grande par image.

Grande science, grands détecteurs

Une modification apportée par la NASA comprenait la construction d'un grand plan focal, le composant du télescope qui collecte la lumière, composé de 18 détecteurs proche infrarouge à large zone. Ces détecteurs sont presque identiques à ceux du télescope spatial James Webb, mais ils possèdent quatre fois plus de pixels. Ils capteront la lumière infrarouge, qui a des longueurs d’onde plus longues que la lumière que les yeux humains peuvent voir. Mais alors que chacun sur Webb possède quatre mégapixels, soit 4 millions de pixels, les détecteurs de Roman ont environ 16 mégapixels, ce qui porte la couverture complète des 18 détecteurs à environ 300 mégapixels.

Ces détecteurs sont des merveilles modernes à part entière et représentent l’aboutissement d’un long héritage de nouvelles technologies qui permettent de nouvelles découvertes.

J'ai travaillé avec des collègues au début des années 2000 pour faire progresser la technologie utilisée dans ce type de détecteur – dont des versions ont été utilisées sur Hubble et Webb. Nous avons mesuré en laboratoire les performances des détecteurs dans un environnement spatial simulé. Nous devions nous assurer qu’ils pouvaient toujours détecter même les plus petits signaux dans l’espace, ce qui permettrait au télescope d’absorber la lumière de planètes, d’étoiles et de galaxies très faibles.

Nous voyons maintenant les fruits de ces efforts dans les belles images produites par Webb, notamment de jeunes galaxies déroutantes du premier univers. Je suis impatient de voir les images que Roman produira, en utilisant la dernière itération de cette technologie.

Nouvelle technologie et héritage de découverte

Les astronomes attendent déjà avec impatience les découvertes astronomiques que permettront Roman et ses détecteurs infrarouges ultra-sensibles. Mais comment peut-on espérer autant d’un observatoire spatial qui n’a même pas quitté le sol ?

C’est parce que la technologie précède la découverte. Les détecteurs de Roman constituent la dernière itération d'une longue histoire de succès scientifique. Vous pouvez directement associer d’innombrables prix Nobel au télescope.

L'équipe de physiciens qui a déduit l'existence de l'énergie noire a reçu un prix Nobel en 2011. Les observations utilisées provenaient de nouvelles familles de détecteurs d'imagerie numérique sensibles appelés dispositifs à couplage de charge, ou CCD, inventés au début des années 1970. Ces appareils ont aidé les astronomes à mesurer la vitesse à laquelle les étoiles se déplaçaient dans l'espace, ce qui confortait l'idée selon laquelle l'espace est imprégné d'une matière « noire » inconnue.

Une validation importante de cette recherche lauréate du prix Nobel est venue de détecteurs proche infrarouge utilisant la même technologie que Roman.

De même, le prix Nobel pour la découverte du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée a été décerné à des chercheurs qui ont utilisé divers instruments infrarouges sur de grands télescopes au sol.

Tous ces télescopes avaient été équipés de nouveaux détecteurs infrarouges disponibles. En effet, ce prix Nobel met en avant l'impact de trois technologies : les détecteurs infrarouges, les grands télescopes et l'optique adaptative.

Fait partie d'un cycle continu

Les gens considèrent souvent la découverte scientifique comme une ampoule eurêka au-dessus de la tête d’un scientifique brillant, mais la découverte se produit rarement de cette façon. Le plus souvent, quelqu’un utilise une nouvelle technologie pour examiner quelque chose qui, jusque-là, était resté invisible.

Galilée a utilisé un télescope pour observer les lunes inédites de Jupiter. Ensuite, la prochaine itération technologique a remplacé l’œil humain par des plaques photographiques au XIXe siècle, ce qui a conduit aux premiers relevés sensibles du ciel. Ces enquêtes ont donné lieu à une pléthore de découvertes astronomiques, notamment sur le fait que l’univers est en expansion.

Les années 1970 ont vu les détecteurs électroniques prendre le relais des plaques photographiques, augmentant ainsi la sensibilité du détecteur d'un ordre de grandeur. Ces gains ont ensuite été transférés à l’infrarouge, plutôt qu’à la seule lumière visible, ouvrant ainsi une nouvelle fenêtre sur l’univers et une autre vague de découvertes.

Et maintenant, c'est au tour de Roman. Mais Roman ne restera pas longtemps à la pointe, car la NASA conçoit déjà le prochain télescope spatial.

L'agence développe l'Observatoire des mondes habitables, une future mission spatiale dont le but est d'imager directement des planètes semblables à la Terre autour d'étoiles proches et d'identifier des signes de vie dans l'univers.

Espérons un voyage en douceur vers l’espace pour Roman. En attendant, les scientifiques planifient déjà la prochaine génération de découvertes, un nouveau détecteur à la fois.

Par le professeur Don Figer

Don Figer est professeur au College of Science et fondateur et directeur du Rochester Imaging Detector Laboratory, du Center for Detectors et de la Future Photon Initiative du Rochester Institute of Technology. Il était auparavant co-fondateur et directeur du laboratoire indépendant d'essais de détecteurs au Space Telescope Science Institute, où il a dirigé une équipe chargée de caractériser de manière compétitive des prototypes de détecteurs infrarouges pour le télescope spatial James Webb.