Au cours de la prochaine décennie, la NASA enverra des installations vraiment impressionnantes dans l'espace. Il s'agit notamment des télescopes spatiaux de nouvelle génération tels que le télescope spatial James Webb (JWST) et le télescope spatial infrarouge à large champ (WFIRST). S'appuyant sur les fondations établies par Hubble, WFIRST utilisera sa suite avancée d'instruments pour enquêter sur certains des mystères les plus profonds de l'Univers.
L'un de ces instruments est le coronographe qui permettra au télescope de voir clairement les planètes extra-solaires. Cet instrument a récemment terminé une étude préliminaire de conception menée par la NASA, une étape importante dans son développement. Cela signifie que l'instrument a satisfait à toutes les exigences de conception, de calendrier et de budget, et peut maintenant passer à la prochaine phase de développement.
Le chronographe est un élément important des instruments de chasse à la planète de WFIRST. Habituellement, l'imagerie directe des exoplanètes est difficile en raison de l'éblouissement intense provenant de leurs étoiles parentes. Cette lumière est beaucoup plus puissante que la lumière réfléchie par la surface ou l'atmosphère d'une planète. Pour cette raison, les petites traces de lumière qui indiquent la présence d'exoplanètes sont obscurcies pour les instruments conventionnels.
Mais en annulant l'éclat intense d'une étoile, les astronomes auront de bien meilleures chances de repérer les planètes qui l'orbitent. Cela offre l'avantage supplémentaire de pouvoir étudier les exoplanètes directement, plutôt que de s'appuyer sur des méthodes indirectes où les étoiles sont surveillées pour les baisses de luminosité (la méthode de transit) ou les signes de mouvement d'avant en arrière, ce qui indique la présence d'un système planétaire (le Méthode de vitesse radiale).
En comparaison, la méthode d'imagerie directe offre de nombreux avantages, tels que la possibilité d'obtenir des spectres directement à partir de la surface et de l'atmosphère d'une planète. Cela permettra des évaluations plus précises de la composition d'une planète et de la composition de son atmosphère - c'est-à-dire a-t-elle de l'eau de surface, un oxygène-azote
Comme Jason Rhodes, le scientifique du projet pour le télescope infrarouge à champ large (WFIRST) au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, a expliqué:
«Ce que nous essayons de faire, c'est d'annuler un milliard de photons de l'étoile pour chacun que nous capturons de la planète… Avec WFIRST, nous serons en mesure d'obtenir des images et des spectres de ces grandes planètes, dans le but de prouver des technologies qui sera utilisé dans une future mission - pour éventuellement regarder de petites planètes rocheuses qui pourraient avoir de l'eau liquide à leur surface, ou même des signes de vie, comme la nôtre. »
L'instrument coronographe du WFIRST (alias ses «lunettes étoilées») est une technologie multicouche et très complexe, composée d'un système de masques, de prismes, de détecteurs et de deux miroirs à flexion automatique. Ces miroirs sont les composants clés, qui changent de forme en temps réel pour s'adapter à la lumière entrante afin de compenser les infimes changements dans l'optique du télescope.
Associés à des «masques» de haute technologie et à d'autres composants - appelés collectivement «contrôle actif du front d'onde» - ces miroirs éliminent les interférences causées par les ondes lumineuses qui se plient autour des bords des éléments de blocage de la lumière du coronographe. Le résultat final de cela est que la lumière des étoiles devient atténuée tandis que des objets légèrement brillants (qui étaient auparavant invisibles) apparaissent.
En plus d'être 100 à 1 000 fois plus performant que les coronographes précédents, le coronographe du WFIRST sert de démonstrateur technologique qui testera son efficacité à aider à trouver des exoplanètes. Ces tests ouvriront la voie à l'ajout de versions à plus grande échelle à des télescopes encore plus grands, qui comprend les quatre observatoires proposés qui seront envoyés dans l'espace d'ici les années 2030.
Il s'agit notamment de la Grand géomètre ultraviolet / optique / infrarouge (LUVOIR), le Télescope spatial Origins (OST) et le Arpenteur à rayons X Lynx. En utilisant des coronographes plus grands et plus avancés, ces télescopes seront capables de générer des «images» à un pixel de planètes plus petites qui orbiteront plus près de leurs soleils (c'est là que les planètes rocheuses sont les plus susceptibles d'être trouvées).
Une fois la lumière de ces images analysée avec un spectromètre, les astronomes seront en mesure de rechercher des signes de vie (aka. Biosignatures) comme jamais auparavant. Comme l'a dit Rhodes:
«Avec WFIRST, nous serons en mesure d'obtenir des images et des spectres de ces grandes planètes, dans le but de prouver les technologies qui seront utilisées dans une future mission - pour éventuellement regarder de petites planètes rocheuses qui pourraient avoir de l'eau liquide sur leurs surfaces, ou même des signes de vie, comme le nôtre. »
L'inclusion d'un coronographe sur WFIRST est importante car ce sera la première mission puisque Hubble (en orbite depuis 1990) est la seule mission phare de la NASA en astrophysique à inclure cette technologie. Bien sûr, les coronographes de Hubble étaient des versions de la technologie beaucoup plus simples et moins sophistiquées que ce que WFIRST utilisera.
Alors que le télescope spatial James Webb sera lancé plus tôt (dont le lancement est actuellement prévu en 2021) et sera également équipé de la technologie, il ne bénéficiera pas de la même capacité de suppression de la lumière des étoiles que WFIRST. Ainsi, bien que WFIRST soit la troisième mission phare à utiliser la technologie des coronographes, elle sera également la plus sophistiquée.
"WFIRST devrait être deux ou trois ordres de grandeur plus puissant que tout autre coronographe jamais volé [dans sa capacité à distinguer une planète de son étoile]", a déclaré Rhodes. "Il devrait y avoir une chance pour une science vraiment convaincante, même s'il ne s'agit que d'une démonstration technologique."
Ce type de technologie de coronographie pourrait également permettre d'obtenir les images les plus nettes jamais prises d'un système stellaire aux premiers stades de la formation. Ceci est caractérisé par une étoile entourée d'un disque massif de poussière et de gaz tandis que les planètes se forment lentement à partir de matériaux accrétés. Actuellement, la meilleure façon d'étudier ces disques consiste à effectuer des levés infrarouges qui peuvent représenter la chaleur absorbée par leur étoile parente.
En tant que Vanessa Bailey, astronome au JPL et technologue en instruments pour le WFIRST
«Les disques de débris que nous voyons aujourd'hui autour d'autres étoiles sont plus brillants et plus massifs que ce que nous avons dans notre propre système solaire. L'instrument de coronographie de WFIRST pourrait étudier un matériau de disque plus faible et plus diffus qui ressemble davantage à la ceinture d'astéroïdes principale, à la ceinture de Kuiper et à d'autres poussières en orbite autour du Soleil. "
Ces études pourraient donner un aperçu de la formation de notre système solaire. Une fois que la technologie aura été démontrée avec succès au cours des 18 premiers mois de la mission, la NASA pourrait commencer ce que l’on appelle un «programme de scientifiques participants». Dans le cadre d'un tel programme, le coronographe serait ouvert à la communauté scientifique, permettant une plus grande variété d'observateurs et d'expériences.
La revue de conception préliminaire est l'une des nombreuses destinées à examiner tous les aspects de la mission. Chaque examen est complet et vise à garantir que chaque partie individuelle fonctionnera avec les autres. Cette revue de conception étant désormais terminée, le calendrier de développement du coronographe progresse rapidement.
Il s'agit du deuxième élément majeur de la mission WFIRST à recevoir l'autorisation. Le Wide-Field Instrument a été nettoyé en juin, une caméra multi-bande proche infrarouge de 288 mégapixels qui fournira une netteté des images comparable à celle obtenue par Hubble sur un champ 100 fois plus grand. Cette caméra est considérée comme le principal instrument du télescope spatial.
Comme Rhodes l’a indiqué, la mission WFIRST sera historique, similaire à la mission Mars Pathfinder mission qui a atterri sur Mars en 1997. Il s'agissait de la première mission de la NASA à déployer un rover (Sojourner) sur Mars, qui a validé des technologies et des méthodes clés qui finiraient par entrer dans le Esprit, Opportunité, Curiosité, et Mars 2020 rovers.
"C'était une démonstration technologique", a déclaré Rhodes. «Le but était de montrer qu'un rover fonctionne sur Mars. Mais il a continué à faire de la science très intéressante au cours de sa vie. Nous espérons donc qu'il en sera de même pour la démo technologique de coronographie de WFIRST. "
