« On pense gagner trois ordres de grandeur » : l’astrophysicien Marc Sauvage explique pourquoi le nouveau télescope spatial Prima change la donne

On sait que l'astronomie a fait un premier bond de géant quand Galilée a utilisé sa lunette pour observer le ciel, découvrant les taches solaires, les lunes de Jupiter, les étoiles de la Voie lactée et les phases de Vénus. D'autres bonds similaires se sont produits au cours des siècles suivants, non seulement avec des télescopes et des lunettes de plus grande taille, mais aussi en ouvrant de nouvelles fenêtres d'observation dans différents domaines de longueurs d'onde.

On peut citer la radioastronomie à cet égard, mais l'exemple le plus ancien est sans doute celui des débuts rudimentaires de l'astronomie infrarouge il y a un peu plus de deux siècles avec William Herschel. C'est un astronome germano-britannique d'origine allemande, surtout connu pour sa découverte d'Uranus (mais on pourrait citer celle des calottes polaires de Mars et celle des satellites de Saturne Mimas et Encelade). Il explorait également le royaume des nébuleuses et donc aussi des galaxies.

Grâce à cette vidéo, revivez l’expérience de William Herschel et sa découverte des rayonnements infrarouges. © CEA Recherche

L'astronomie infrarouge va progresser très lentement jusqu'à la fin de la Seconde Guerre mondiale, puis de plus en plus rapidement par la suite, devenant finalement un domaine majeur de l'astronomie, notamment quand on veut voir à travers les nuages de poussières dans la Voie lactée, observer des galaxies moins d'un milliard d'années après le Big Bang et des objets froids. Mais on peut citer son utilisation pour d'autres observations, comme lors de la fameuse éclipse du Concorde.

Malheureusement, la lumière infrarouge émise par les objets célestes est en partie absorbée par la vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère terrestre, de sorte que pendant un temps et pour contourner ce problème, les télescopes à infrarouge ont été installés à des altitudes élevées et dans des régions avec une atmosphère aussi sèche que possible.

Quelles technologies pour observer les objets célestes qui émettent du rayonnement infrarouge ? Celles utilisées notamment par le télescope WEBB. Deuxième épisode de notre mini-série Scruter l’Univers : cette fois, nous nous intéressons à l’astronomie infrarouge. © Cnes - juillet 2022

Malheureusement, les parties de la bande spectrale du rayonnement infrarouge - que l'on appelle l'infrarouge moyen et lointain - ne sont pratiquement observables que depuis l'espace. Autre problème, les télescopes et les instruments pour faire de l'astronomie infrarouge rayonnent eux-mêmes dans ce domaine, de sorte que pour éliminer autant que possible ce rayonnement parasite, il faut pouvoir refroidir les télescopes et les détecteurs le plus possible, par exemple en utilisant de l'hélium liquide.

Le début des années 1980 va finalement voir s'ouvrir l'ère fantastique de l'astronomie infrarouge dans l'espace avec les missions Iras de la Nasa et du télescope européen ISO (Infrared Space Observatory). Viendront ensuite les missions Spitzer, toujours de la Nasa, et Herschel de l'ESA. Le télescope spatial James-Webb observe lui-même et essentiellement dans l'infrarouge.

Une vue d'artiste du télescope Iras. © Nasa

Le saviez-vous ?

L'Infrared Astronomical Satellite (Iras) a été le premier télescope spatial à étudier le ciel complet en lumière infrarouge. Il avait été placé par la Nasa sur une orbite héliosynchrone le 25 janvier 1983, fonctionnant durant dix mois jusqu'à l'épuisement de l'hélium liquide servant à refroidir ses instruments. Iras était un précurseur technique et scientifique de futures missions spatiales infrarouges emblématiques, notamment les télescopes spatiaux Spitzer, James-Webb et Herschel. Iras a détecté environ 350 000 sources infrarouges et fait un certain nombre de découvertes inattendues, dont des preuves de grains de poussière autour des étoiles Véga et Bêta Pictoris, ce qui suggérait fortement déjà l'existence de systèmes planétaires autour d'autres étoiles.

On comprend donc l'excitation de la communauté scientifique à l'annonce de la sélection de la mission Prima (PRobe far-Infrared Mission for Astrophysics) par la Nasa dans le cadre de son appel à projet Astrophysics Probe Explorer (Apex). C'est un projet d'observatoire spatial consacré à l'infrarouge lointain complet, un domaine largement négligé depuis des années et qui devrait être lancé à l'horizon des années 2030 à destination du fameux point de Lagrange L2 où se trouvaient déjà Herschel et Planck et le James-Webb aujourd'hui.

Le télescope de 1,8 mètre de Prima y sera refroidi à 4,5 K et son miroir et ses détecteurs à des températures encore plus basses, pouvant être de l'ordre de 125 mK. Il est équipé de deux instruments principaux complémentaires : Firess (Far InfraRed Spectrometer System), un spectromètre ultra-sensible et PRIMAger, un imageur/polarimètre spectrophotométrique. Ce dernier illustre l'excellence de l'astronomie infrarouge française, notamment avec sa maîtrise de technique de cryogénie puisque la Nasa a fait appel au Cnes, aux Laboratoire d'astrophysique de Marseille (LAM) et du CEA (sites de Paris-Saclay et Grenoble) pour aider à sa réalisation.

Comme l'explique le CEA, « Prima marque le redémarrage d'une grande capacité d'observation spatiale dans l'infrarouge lointain (quelques dizaines et plusieurs centaines de microns), domaine aujourd'hui dépourvu d'observatoire dédié depuis la fin de Herschel en 2013 et de Sofia (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) en 2022. »

Comme l'expliquent également des communiqués du Cnes et du CEA, la mission du télescope spatial Prima s'articulera alors autour de trois axes principaux : 

• caractériser l'évolution des poussières stellaires au sein des galaxies anciennes afin de déterminer l'origine du pic de formation d'étoiles il y a 10 milliards d'années ; 
• mieux comprendre la formation des disques protoplanétaires, en étudiant notamment le transport de l'eau dans ces derniers ;
• étudier la coévolution des galaxies et de leurs trous noirs supermassifs.

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Pour en savoir plus sur Prima, Futura s'est donc tourné vers l'astrophysicien Marc Sauvage. Il était déjà très impliqué dans l'astronomie infrarouge avec la mission Herschel et il nous a confié que, lors de sa thèse, il avait utilisé des données prises par Iras. Plus récemment, il s'est retrouvé impliqué dans la mission Euclid, qui fait également des observations dans l'infrarouge proche.

Marc Sauvage, chercheur CEA au sein du département d’astrophysique de l’Irfu, s’est impliqué dans Euclid dès 2011 sur le segment sol et il est maintenant membre du board du consortium qui est responsable de la coordination entre les équipes internationales. À l’occasion du lancement du satellite Euclid, le 1^er juillet 2023 sur une fusée Falcon9, le CEA vous présente son implication dans ce projet exceptionnel. Grâce à Euclid et ses deux instruments VIS et NISP, la communauté internationale espère préciser la nature de la matière noire et l’énergie noire. © CEA

Le chercheur a bien voulu répondre à nos questions. Les voici ainsi que ses réponses !

Futura : On sait que des missions spatiales observant dans l'infrarouge proche, bien qu'affranchies des limites d'observations de l'atmosphère sur Terre, ont besoin de refroidir télescopes et instruments proches du zéro absolu. Mais ces missions, qui utilisent pour cela initialement de l'hélium liquide qui s'évapore, ont un temps de vie limité. On l'a vu, par exemple, avec la phase froide de la mission Spitzer, même si une fois les réserves d'hélium épuisées, certaines observations étaient encore possibles pour sa phase chaude. Aura-t-on le même problème avec Prima ?

Marc Sauvage : Pas du tout, le refroidissement se fait d'une autre manière, de sorte que même si la mission est censée durer au moins 5 ans, on estime probable qu'elle durera 10 ans et, de toute manière, nous n'avons pas la limitation qu'imposerait l'usage de l'hélium.

En premier lieu pour refroidir Prima, le satellite sera placé en orbite autour du point de Lagrange L2 du système Soleil-Terre, à environ 1,5 million de kilomètres au-delà de la Terre, dans la direction opposée au Soleil. L2 n'est toutefois pas en permanence dans l'ombre de la Terre, mais généralement dans sa pénombre.

Tout comme pour le James-Webb, Prima ne sera donc pas protégé du Soleil par l'ombre de la Terre et il utilisera donc un pare-soleil. Il n'en reste pas moins que le télescope et les instruments de Prima déjà refroidis pour cette raison se retrouveront dans un environnement thermiquement bien plus stable que celui du télescope Hubble, qui passe fréquemment du jour à la nuit en orbite autour de la Terre.

Prima utilise ensuite toute une série de techniques cryogéniques pour abaisser en cascade les températures. Bien que son miroir soit plus petit que celui qui équipait Herschel, sa température sera plus basse, 1,5 K, de sorte que nous ferons de bien meilleures observations dans l'infrarouge lointain. On pense d'ailleurs gagner trois ordres de grandeur !

Futura : Il y a trois grands thèmes de recherche qui sont prévus avec Prima, mais cela signifie-t-il qu'ils épuisent les explorations possibles ?

Marc Sauvage : En fait, non, ces trois grands thèmes n'occuperont qu'un quart des temps d'observations alloués, les trois quarts restants seront ouverts pour des propositions autres venant de la communauté scientifique astronomique. Certaines études ont d'ailleurs déjà été envisagées après coup et profiteront des données déjà collectées pour l'un des thèmes de recherche.

Je vais donner un exemple. Il est prévu d'étudier la polarisation des émissions lumineuses en provenance des grains de poussière dans la Voie lactée et dans d'autres galaxies. Cette polarisation, qui particulièrement bien observable dans l'infrarouge lointain, traduit la façon dont une onde électromagnétique oscille dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation de cette onde. Selon la longueur d'onde, on s'attend à ce que cette polarisation change et ce d'une façon qui dépend des caractéristiques des grains de poussières.

Or, il se trouve que ces grains influent sur la formation des étoiles et sont eux-mêmes produits par certaines de ces étoiles. Prima devrait donc nous fournir des renseignements sur la façon dont la poussière a évolué dans les galaxies et donc aussi sur les taux de formation des étoiles.

On a réalisé ensuite qu'il y avait un bonus à ces mesures de la polarisation. Les grains de poussière peuvent s'orienter selon les lignes de champs magnétiques dans les galaxies, de sorte que leurs émissions de lumière polarisée constituent des traceurs de ces lignes de champs et permettent d'estimer leur intensité.

Mais qui dit champ magnétique dit densité d'énergie magnétique et pression dans les nuages moléculaires et poussiéreux qui, en s'effondrant et se fragmentant gravitationnellement, donnent des étoiles. Or, la pression magnétique peut s'opposer à cet effondrement. Plus généralement, les observations de Herschel nous avaient déjà fait réaliser que dans la Voie lactée et en rapport avec des champs magnétiques il y a des structures filamenteuses de la matière dans ces nuages.

Prima va nous donner des informations nouvelles sur les relations entre les champs magnétiques et la formation des étoiles en observant non seulement la Voie lactée, mais aussi les nuages de Magellan et quelques autres galaxies proches comme M31 et M33.

Les objectifs scientifiques de la mission Prima. © Nasa, JPL-Caltech, ChatGPT

Futura : Dans l'infographie donnée par la Nasa concernant les trois principaux thèmes de recherche de Prima, on trouve qu'il est expliqué que la bande d'observation de l'infrarouge lointain permet des observations qui se trouvent entre celles que rend possible le télescope spatial James-Webb (JWST) et le réseau de radiotélescopes d'Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) au Chili et géré en partie par l'ESO (European Southern Observatory). L'infographie indique que Prima se penchera sur la distribution des molécules d'eau dans les disques protoplanétaires.

Marc Sauvage : Absolument, mais nous n'avons pas la résolution suffisante pour obtenir des images de ces disques. Nous allons détecter plusieurs raies spectrales de l'eau et d'autres molécules, notamment celles qui contiennent un atome de deutérium, qui dépendent des modèles de disques protoplanétaires possibles et dans lesquels une certaine partie de l'eau est sous forme de vapeur ou de glace. La forme précise du spectre au niveau de ces raies spectrales pose des contraintes sur la répartition de l'eau entre les différentes zones de température, ce qui impose à son tour des contraintes aux théories concernant la formation des planétésimaux et l'apport d'eau pour des exoplanètes dans la zone habitable.

Futura : On ne comprend pas encore très bien comment évoluent les galaxies et les trous noirs noirs supermassifs qu'elles hébergent (fusions des galaxies et des trous noirs, accrétion de courants froids massifs ?). On sait quand même qu'il y a une relation entre la masse du bulbe des galaxies spirales et celle du trou noir géant central (un facteur d'environ 200), ce qui suggère qu'ils coévoluent. On constate aussi que dans l'histoire du cosmos, il a un pic de la formation stellaire et qu'ensuite, bien des galaxies deviennent « mortes », avec une formation d'étoiles atone. Prima va nous aider à étudier tout cela ?

Marc Sauvage : Oui, notamment parce que les observations que l'on va faire vont concerner un très grand nombre de galaxies et sur une période de temps de l'histoire du cosmos qui contient ce que l'on a appelé le « midi cosmique » (cosmic noon en anglais) qui désigne l'époque où l'Univers a connu son maximum d'activité de formation d'étoiles et aussi une très forte croissance des trous noirs supermassifs, soit environ 2 à 4 milliards d'années après le Big Bang. Ce grand nombre de galaxies va nous permettre de faire des statistiques solides.

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D'une part, Prima va se pencher sur l'étude de l'évolution du taux de formation des étoiles et d'autre part, simultanément, dans l'infrarouge lointain nous allons pouvoir voir à travers les tores et disques de poussières entourant les trous noirs supermassifs du midi cosmique afin de tester divers modèles de l'accrétion de matière pouvant faire croître ces astres, alors que ces trous noirs sont derrière des noyaux de galaxies actifs, tels les quasars, qui sont plus nombreux à cette époque. On a de plus des raisons de penser que des vents de matière accompagnant cet accrétion pourraient avoir conduit plus tard à l'éjection des nuages de gaz dans les galaxies entraînant donc finalement la fin de la formation stellaire.

On devrait pouvoir corréler les deux informations, taux de formation des étoiles et contraintes sur les modèles d'accrétion des trous noirs, pour y voir plus clair sur leurs relations possibles.

En tout état de cause, nous sommes enthousiastes devant la renaissance de l'astronomie dans le domaine de l'infrarouge lointain qui s'annonce avec Prima et qui était plus ou moins au point mort depuis la fin de la mission Herschel.