Univers

Samedi 1er juillet 2023, le satellite Euclid de l’ESA, destiné à explorer l’évolution de l’Univers sombre, a été mis en orbite par un lanceur Falcon 9 de la société SpaceX depuis la base spatiale américaine de Cap Canaveral en Floride aux États-Unis.

Dans les bureaux de deux laboratoires marseillais c’est le soulagement et la joie… combinés à l’impatience pour certains de recevoir les premières données. En effet ; l’équipe Euclid-NISP du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, a assuré la maitrise d’œuvre et le développement technique de l’instrument NISP, en étroite collaboration avec le CNES. Le Centre de Physique des Particules de Marseille avait quant à lui la responsabilité scientifique de l’instrument. Les scientifiques de ces deux laboratoires seront donc en première ligne pour la collecte et l’analyse des données.

La mission Euclid est une mission principalement dédiée à la cosmologie, précisément sur l’étude de l’origine, de la nature, de la structure et de l’évolution de l’Univers. Elle a pour but d’accroître nos connaissances sur deux composantes encore mystérieuses de notre Univers, l’énergie noire et la matière noire. Développé pour explorer l’évolution de l’Univers sombre, Euclid créera une carte 3D de l’Univers, avec le temps comme troisième dimension, en observant des milliards de galaxies jusqu’à 10 milliards d’années-lumière, dans plus d’un tiers du ciel.

Depuis longtemps la présence de cavités et d’anneaux dans les disques protoplanétaires entourant les étoiles jeunes est attribuée à la présence de planètes en formation. SPHERE a mis en évidence pour la première fois une proto-planète logée à l’intérieur d’un disque de transition autour de l’étoile PDS70, âgée de seulement 5 à 6 Millions d’années.

La planète, PDS70b, orbite autour de son étoile à une distance de 22 unités astronomiques, et effectue une révolution complète en environ 120 ans. Le système est situé à 113 parsecs, soit 370 années lumières, ce qui rend la détection de cette planète difficile (elle se situe à seulement 0.2’’ de son étoile). Le mouvement orbital de la planète est visible en comparant des observations de SPHERE obtenues en 2015, 2016 et 2018 et celles d’autres instruments (NACO au VLT et NICI sur Gemini Sud). L’étude spectroscopique dans le proche infrarouge (0.96 à 3.8 microns) indique une température de 1000 à 1600 Kelvin environ ce qui devrait correspondre à une masse de l’ordre de 5 à 10 fois la masse de Jupiter. La comparaison avec les modèles d’atmosphères suggère également la présence de nuages dans son atmosphère. Certains modèles favorisent une taille relativement large, jusqu’à 3.7 rayon de Jupiter, ce qui est inhabituel. Il est possible que la planète soit en train d’accréter du gaz pendant qu’elle orbite à l’intérieur du disque. Deux articles publiés par M. Keppler and A. Müller (Max Planck Institute for Astronomy in Heidelberg) présentent la détection et la caractérisation du disque et de la planète. Les chercheurs du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille ont contribué à cette découverte en aidant à la caractérisation de cette nouvelle planète. SPHERE a également obtenue des observations polarimétriques qui une fois combinées aux observations en intensité permettent de contraindre les propriétés des poussières composant le disque (en particulier leur taille). Le disque possède une cavité de 54 unités astronomique à l’intérieur de laquelle se situe la planète ainsi qu’un arc, peut être un bout d’un bras spiral, localisé au Nord dans l’image. Cette découverte majeure de SPHERE ouvre de nouvelles opportunités pour étudier et mieux comprendre la formation des planètes et leur évolution.

Entre Mars et Jupiter, la ceinture d’astéroïdes est pleine de corps rocheux et de débris. Malgré sa nature morcelée et fragmentée, la masse totale contenue dans la ceinture est considérable – environ quatre pour cent de celle de la Lune ! La majorité de cette masse est contenue dans deux corps distincts : Ceres, une planète naine constitue un tiers de la masse de la ceinture ; l’astéroïde Vesta en détient environ neuf pour cent. Vesta est photographiée ici.

Vesta a été récemment observée par l’instrument SPHERE/ZIMPOL sur le Very Large Telescope (VLT) de l’ESO – l’image SPHERE est montrée à gauche après déconvolution avec l’algorithme MISTRAL (Fusco et al. 2003 ; Fetick et al. en preparation), avec une vue synthétique dérivée des données spatiales, montrée à droite pour comparaison. SPHERE (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch instrument) est un puissant instrument pour la recherche et la photographie de planètes. ZIMPOL est l’un de ses sous-systèmes : une caméra spécialisée parfaitement adaptée à la prise d’images très détaillées de petits objets – comme Vesta.

L’image synthétique a été générée à l’aide d’un outil développé pour les missions spatiales appelé OASIS. Des facteurs tels que la réflectance de la surface de Vesta et les conditions géométriques des observations VLT / SPHERE ont été pris en compte par OASIS, qui a utilisé un modèle 3D de la forme de Vesta basé sur des images de la sonde spatiale Dawn de la NASA (qui a photographié Vesta pendant 14 mois entre 2011 et 2012).

L’image de SPHERE de Vesta est impressionnante étant donné la séparation entre la Terre et Vesta, et la petite taille de l’astéroïde – il est deux fois plus éloigné du Soleil que notre planète et a un diamètre moyen de seulement 525 kilomètres. Elle montre les principales caractéristiques de Vesta : le bassin d’impact géant au pôle sud de Vesta et la montagne en bas à droite. Il s’agit du sommet central du bassin de Rheasilvia, d’environ 22 kilomètres de haut, soit deux fois plus haut que la plus haute montagne de notre planète, Mauna Kea, qui s’élève à environ 10 kilomètres au-dessus bassin océanique du Pacifique et le gigantesque volcan martien Olympus Mons.

SPIRou, le nouveau spectropolarimètre et chasseur de planètes développé pour le télescope Canada-France-Hawaï (TCFH), vient de collecter avec succès sa première lumière d’étoile. Dix ans après sa conception et au terme de quatre mois intensifs d’installation au TCFH, cet instrument international porté par la France va bientôt pouvoir débuter ses missions scientifiques : la détection d’exoplanètes autour de naines rouges voisines du Système solaire et l’étude des étoiles et des planètes naissantes. La conception et la construction de SPIRou a impliqué de nombreux laboratoires français. Il a ensuite été intégré à l’Irap 1 (CNRS/CNES/Université de Toulouse III – Paul Sabatier) avant d’être livré à Hawaii.

Après avoir démontré ses performances à l’Irap, l’instrument a été méthodiquement démonté et mis en caisses par des équipes du CNRS, avant d’être expédié puis ré-assemblé au TCFH, nécessitant un réglage des optiques du spectrographe à une précision micrométrique. Une décennie d’efforts qui s’est avérée payante le 24 avril 2018 lorsque SPIRou a enregistré pour la première fois la lumière d’une étoile collectée par le télescope, AD Leonis, située dans la constellation du Lion et distante d’environ 16 années-lumière de la Terre. La forte activité d’AD Leonis, ses éruptions extraordinairement énergétiques et les perturbations spectrales qui en découlent confèrent à cette étoile un intérêt évident pour ces premiers tests sur le ciel, lors desquels SPIRou a pu détecter et mesurer le champ magnétique présent à sa surface.

Au cours des quelques nuits consacrées à cette première validation sur le ciel, SPIRou a réalisé une impressionnante moisson de 440 spectres, démontrant au passage plusieurs de ses nouvelles capacités. SPIRou a notamment observé des étoiles beaucoup plus froides que le Soleil, baptisées naines rouges – une population stellaire qui inclut la plupart des étoiles proches du Système solaire, et que SPIRou scrutera avec attention lors de son grand programme d’observation à la découverte des systèmes planétaires voisins du nôtre. SPIRou a également observé plusieurs étoiles chaudes, dont le spectre infrarouge révèle essentiellement des raies telluriques induites par l’atmosphère terrestre. Identifier et filtrer ces raies telluriques des spectres collectés est une étape essentielle pour décoder la lumière des étoiles et déchiffrer les informations qu’elle contient, notamment sur la présence d’un système planétaire.

Pour détecter des systèmes planétaires, SPIRou met en œuvre une technique, la vélocimétrie, capable de révéler par effet Doppler les minuscules fluctuations de vitesse des étoiles qui témoignent de la présence de planètes en orbite. SPIRou doit jouer un rôle clé dans les futurs programmes de caractérisation des systèmes planétaires voisins du notre, en coordination avec d’autres instruments au sol ou dans l’espace comme les satellites Tess de la Nasa et Plato de l’ESA, le futur télescope spatial James Webb (Nasa/ESA), ou le grand télescope européen ELT.

Après le transport par le CNRS des dix tonnes de matériel de Toulouse à Hawaii, SPIRou a été installé et ré-assemblé au troisième étage du télescope par une équipe d’ingénieurs et de spécialistes français et canadiens, avec l’appui logistique et technique du TCFH. Une opération nécessitant la plus grande précision : refroidi à une température de 200°C au-dessous de zéro, le spectrographe de SPIRou est régulé thermiquement à une précision d’un millième de degré afin de pouvoir détecter les infimes signatures spectrales induites dans la lumière des étoiles par la présence de planètes. Après l’installation de son détecteur infrarouge de dernière génération (un H4RG TIS), SPIRou a été refroidi pour une nouvelle session intensive de tests en laboratoire et sur le ciel, en préparation de son grand programme d’exploration des naines rouges et des pouponnières stellaires qui débutera cet automne.

SPIRou a été conçu, financé et construit grâce à un consortium international d’instituts de recherche, de laboratoires et d’universités. En France, il implique le CNRS, l’université de Toulouse III – Paul Sabatier, l’université Grenoble Alpes, Aix-Marseille Université et la Région Ile-de-France pour son financement, ainsi que plusieurs laboratoires et observatoires des sciences de l’Univers qui en dépendent :

• l’Irap (CNRS/CNES/Université de Toulouse III – Paul Sabatier),
• l’Ipag (CNRS/Université Grenoble Alpes),
• le LAM (CNRS/CNES/Aix-Marseille Université),
• l’IAP (CNRS/Sorbonne Université)
• l’Observatoire Midi-Pyrénées (CNRS/UPS/IRD/CNES/Météo-France)
• l’Observatoire de Haute-Provence (CNRS/CNES/AMU),
• l’Observatoire des sciences de l’Univers de Grenoble (CNRS/Université Grenoble Alpes/IRD/Météo France/Irstea)
• l’institut Pythéas (CNRS/CNES/AMU), Le consortium implique également le Canada, la Suisse, le Brésil, Taiwan, le Portugal et bien sûr le TCFH.