Univers

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Alors que le James Webb Space Telescope (JWST) sort de la plus grande cuve cryogénique du monde, une étape cruciale pour le télescope et ses instruments a été franchie avec la réussite des tests cryogéniques. Au sein d’un consortium international, la France, en particulier le CEA, le CNRS et le CNES, a joué un rôle clé pour fournir au successeur de Hubble et Spitzer son imageur infrarouge, MIRIM, lui permettant d’obtenir des images dans une gamme de 5 à 28 microns de longueur d’onde.

Une équipe française a participé aux tests en grandeur réelle du James Webb Space Telescope (JWST), le successeur du Hubble Space Telescope. Le JWST est un programme conduit par la NASA auquel participent l’Europe (à travers l’Agence spatiale européenne, l’ESA) et le Canada.

À l’occasion de ces tests cryogéniques qui ont débuté le 22 août et se sont terminés le 26 septembre, le télescope et ses instruments étaient installés dans la gigantesque cuve cryogénique du centre spatial de la NASA à Houston aux États-Unis. C’est la seule cuve au monde d’une taille suffisante pour permettre les tests cryogéniques d’un télescope dont le miroir fait 6,5 mètres de diamètre (en comparaison, le miroir de Hubble ne mesurait que 2,4 mètres de diamètre). Puis, le JWST a été lentement réchauffé et remis sous pression pour permettre la réouverture de la cuve.

À l’intérieur de la cuve, la température est abaissée jusqu’à – 253°C. Elle est également équipée d’un « simulateur d’étoiles », un dispositif constitué d’une fibre optique infrarouge qui permet de vérifier la bonne qualité optique et l’alignement du miroir du JWST en confrontant les images obtenues à celles attendues par la simulation. Les tests ont montré le bon alignement optique entre le télescope et les instruments, point clef pour atteindre les performances attendues. C’est la première fois que l’ensemble, télescope et instruments, était testé. Les instruments avaient déjà été testés préalablement, mais indépendamment du télescope, lors d’une série de 3 tests cryogéniques réalisés au cours des années 2013 – 2016 dans une cuve plus petite au centre de vol spatial Goddard de la NASA, à Greenbelt (Maryland, États-Unis). « Plusieurs laboratoires français, ont fortement contribué à l’un des quatre instruments qui équipent le JWST, l’instrument MIRI (Mid-InfraRed Instrument) et plus précisément à son imageur appelé MIRIM », explique Anne Peyroche, présidente du CNRS. Ce sont les laboratoires Lesia (Observatoire de Paris-CNRS-UPMC -Université Paris Diderot), LAM (CNRS-AMU), IAS (CNRS-Université Paris Sud) et AIM (CEA-CNRS-Université Paris Diderot), sous la maîtrise d’œuvre CEA (via son Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers) et maîtrise d’ouvrage CNES.

« Allô Houston » : D’Apollo au JWST La cuve à Houston, qui accueille le JWST pour ces tests cryogéniques, présente également une riche histoire scientifique et une forte valeur symbolique quant à l’avancée des sciences et techniques humaines. Cette « chambre A » du Johnson Space Center de la NASA fut en effet initialement développée dans le cadre du programme Apollo. Elle a été profondément réaménagée pour permettre de reproduire les difficiles conditions environnementales que le JWST va rencontrer une fois dans l’espace. Les experts français du CEA et du CNRS viennent de participer à la série de tests qui a eu lieu dans cette cuve.

Aujourd’hui, ce voyage n’est pas encore terminé. Prochaine étape, la Californie où le télescope sera équipé de ses boucliers thermiques puis le tout sera mis en place sur la plateforme du satellite. L’ensemble prendra alors la mer jusqu’à Kourou, en Guyane Française. C’est ici que Jean-Yves Le Gall, président du CNES, maître d’ouvrage du MIRI, donne « rendez-vous à ce télescope, dont la réussite des tests cryogéniques illustre à nouveau l’efficacité des coopérations internationales dans le domaine du spatial, pour son dernier voyage où il sera lancé au printemps 2019 par un lanceur Ariane 5. » Le JWST atteindra alors enfin sa destination, au point de Lagrange L2 situé à 1,5 million de km de la Terre, soit environ 4 fois plus éloigné de la Terre que ne l’est la Lune. « En cas de problème, il ne sera donc évidemment pas question d’envoyer une équipe le réparer, comme cela a pu être le cas pour Hubble ¹. C’est pourquoi les ultimes tests menés par nos experts français sur le JWST et ses instruments sont si importants », souligne Daniel Verwaerde, administrateur général du CEA, maître d’œuvre de MIRIM.

 

Installé depuis 2014 sur le Très grand télescope (VLT) de l’ESO au Chili, l’instrument européen SPHERE vient d’obtenir pour la première fois le cliché d’une nouvelle exoplanète grâce à des méthodes de détection directe. A ce jour, seule une poignée d’exoplanètes a pu être observée de manière directe sur les 3600 qui ont été détectées depuis 1995. D’une masse de 6 à 12 fois celle de Jupiter, HIP 65426 b est une planète jeune et massive qui orbite autour d’une étoile brillante à rotation rapide, située dans l’association d’étoiles du Scorpion-Centaure. Cette découverte soulève de nouvelles interrogations sur la formation des systèmes extrasolaires. Cette découverte, réalisée par une équipe internationale comprenant des chercheurs du CNRS, parmi lesquels des chercheurs du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM), soulève de nouvelles interrogations sur la formation des systèmes extrasolaires. Elle sera publiée prochainement dans la revue Astronomy & Astrophysics.

HIP 65426 b est la première exoplanète imagée par l’instrument SPHERE grâce à des méthodes de détection directe. Située à 385 années-lumière du Système solaire, dans l’association stellaire du Scorpion-Centaure, cette géante gazeuse est très éloignée de son étoile : 3 fois la distance entre le Soleil et Neptune, la planète la plus lointaine de notre Système solaire, soit plus de 14 milliards de kilomètres. « C’est une découverte majeure ! », s’enthousiasme Arthur Vigan, chercheur CNRS au LAM et un des principaux auteurs de cette découverte. « Nous avons déjà observé plusieurs centaines d’étoiles et c’est la première nouvelle planète que nous détectons. » Sa masse estimée équivaut à 6 à 12 fois celle de Jupiter et sa température de 1000 à 1400 degrés Celsius. Son spectre révèle l’existence d’eau dans son atmosphère et la probable présence de nuages – des caractéristiques semblables à certaines des exoplanètes imagées jusqu’ici. « Nous allons maintenant l’étudier sous toutes les coutures et la comparer aux autres planètes géantes déjà imagées », précise Arthur Vigan.

Son étoile, HIP 65426, deux fois plus massive que le Soleil, ne semble toutefois pas entourée d’un disque de débris, comme c’est le cas pour la plupart des jeunes systèmes exoplanétaires. De manière surprenante, cette étoile tourne très rapidement, ce qui interroge sur l’origine et la formation de la planète HIP 65426 b. Les chercheurs ont établi deux scénarios possibles pour expliquer ce système singulier. Soit l’exoplanète se serait formée dans un disque de gaz et de poussières et, une fois ce disque dissipé, aurait interagi avec d’autres planètes pour se déplacer vers une orbite si éloignée, soit l’étoile et la planète se seraient formées dans le cadre d’un système binaire stellaire extrême : deux étoiles se seraient formées au même moment mais l’une étant plus massive, l’autre n’aurait pas pu aller jusqu’au bout de son accrétion et serait devenue une planète, HIP 65426 b.

L’instrument SPHERE, installé sur le VLT depuis 2014, a pour principal objectif de détecter et de caractériser, au moyen de l’imagerie directe, des exoplanètes gazeuses et des disques de poussières autour d’étoiles proches du Soleil (jusqu’à quelques centaines d’années-lumière) avec une finesse et un contraste inégalés. Un challenge de taille puisque de telles planètes se situent à proximité immédiate de leurs étoiles hôtes et sont caractérisées par une luminosité très faible. SPHERE est capable de détecter le signal d’une planète jusqu’à un million de fois plus faible que celui de son étoile hôte. A titre de comparaison, l’instrument serait capable de détecter, depuis Paris, la lumière d’une bougie à 50 cm d’un phare situé à Marseille.

La découverte a été faite en grande partie grâce à la caméra IRDIS de SPHERE développée entièrement par le LAM. C’est un succès pour l’équipe d’ingénieurs et d’astronomes du Groupe Système Planétaires (GSP) qui a conçu cette caméra, ainsi que d’autres éléments clés de l’instrument SPHERE. « C’est la consécration de plus de 10 ans de travail sur cet instrument exceptionnel », se réjouit Kjetil Dohlen, l’ingénieur système de SPHERE et IRDIS.

L’outil SPHERE est équipé d’un miroir déformable qui corrige plus de 1200 fois par seconde et à une échelle nanométrique les effets de la turbulence atmosphérique. Une autre technique de l’instrument, la coronographie, permet d’atténuer la lumière de l’étoile pour révéler celle de la planète. Enfin des techniques d’imagerie et de spectroscopie permettent aussi de caractériser leurs propriétés physiques et spectrales.

Les mécanismes de formation, d’évolution et d’interaction des planètes géantes restent difficiles à étudier mais leur compréhension est primordiale car ces planètes représentent la masse la plus importante au sein des systèmes planétaires dont elles façonnent l’architecture. Elles jouent par ailleurs un rôle clef dans la dynamique des planètes telluriques plus petites et semblables à la Terre. Les observations futures de SPHERE seront donc déterminantes pour mieux comprendre l’évolution et la formation des systèmes extrasolaires. Le Groupe Systèmes Planétaires du LAM, auquel appartient Arthur Vigan, est en première place pour continuer ces travaux et imager de nouveaux mondes.

 

• A propos du grand relevé SHINE

Dans le cadre de la campagne d’observation du grand relevé Shine (SpHere INfrared survey for Exoplanets). Le consortium SPHERE est composé de 12 instituts européens majeurs qui ont conçu et construit l’imageur de planète SPHERE pour le Very large telescope de l’ESO : Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble ; Max-Planck-institut für astronomie in Heidelberg ; Laboratoire d’astrophysique de Marseille ; Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en sstrophysique de l’Observatoire de Paris ; Laboratoire Lagrange à Nice ; Onera ; Observatoire astronomique de l’Université de Genève ; Italian national institute for astrophysics coordonné par Osservatorio astronomico di Padova ; Institute for astronomy, ETH Zurich ; Astronomical institute, University of Amsterdam ; Netherlands research school for astronomy (NOVA-ASTRON) et ESO.

 

• A propos du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille dans SPHERE

Au sein de SPHERE, le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) a été responsable de l’ingénierie système de l’instrument et de la caméra IRDIS. Il est maintenant un des responsables scientifiques du relevé SHINE.

Une importante équipe de scientifiques, d’ingénieurs et de techniciens du LAM a travaillé sur le développement de l’instrument VLT-SPHERE. Le LAM a développé la caméra IRDIS (l’instrument principal de SPHERE pour l’imagerie et spectrographie différentielles dans l’infrarouge), des optiques toriques d’extrême qualité optique pour le module optique principal et l’électronique de lecture des détecteurs ultra-rapides de l’optique adaptative. Le LAM a également collaboré de manière étroite avec l’ONERA, responsable de la partie Optique Adaptative de SPHERE.

Le LAM est à présent un des acteurs principaux dans le grand relevé SHINE : il est responsable de l’identification des candidats planètes dans les données et de la caractérisation des nouvelles planètes détectées. En collaboration avec son équipe CeSAM, le LAM développe par ailleurs des outils informatiques, pour la base de données des cibles scientifiques (la Target Data Base) qui sont observées, et pour l’exploitation du relevé dans son ensemble.

La proposition de mission spatiale PLATO – Planetary Transits and Oscillations of stars – a pour objectif la découverte de planètes rocheuses autour d’étoiles proches, semblables à notre Soleil. Sélectionnée par l’ESA en 2014, la mission a été adoptée lors d’une réunion du Comité du Programme Scientifique de l’ESA qui s’est tenue le 21 juin 2017. Cette adoption clôt la phase d’étude et donne le feu vert à la phase de réalisation de la mission. Par suite, dans les prochains mois, un appel d’offre va être lancé pour la fourniture de la plate-forme spatiale sur laquelle seront placés les télescopes.

PLATO sera lancé en 2026, et il sera placé à près de 1,5 millions de km de la Terre. Il surveillera des dizaines de milliers d’étoiles brillantes, recherchant des variations de lumière de quelques dix millièmes, et périodiques, signes du passage d’une planète devant le disque de leur étoile. En effet, lorsque le phénomène se produit, la planète bloque temporairement une petite fraction de la lumière de son étoile.

Cette méthode, dite méthode des transits, a été utilisée avec succès par d’autres télescopes spatiaux, CoRoT et Kepler. La différence est que PLATO vise, outre la détection autour d’étoiles proches, à mesurer les paramètres des planètes avec une précision jamais atteinte. C’est en effet la condition indispensable pour pouvoir déterminer la nature précise de la planète et en particulier s’il s’agit bien d’une planète rocheuse. La découverte de planètes de ce type dans la zone habitable d’étoiles similaires au Soleil c’est à dire à une distance de leur étoile où l’eau, si elle existe, peut être à l’état liquide, marquerait un jalon dans la quête de la recherche de la vie ailleurs que sur notre planète.

Pour atteindre un tel objectif, outre la méthode des transits, PLATO va utiliser une approche particulièrement originale. Elle va en effet combiner cette méthode à l’analyse des signaux sismiques de leur étoile hôte. La détection de ces vibrations infimes permet de mesurer très précisément les masse, rayon et âge des étoiles. Ces derniers sont indispensables pour déterminer la nature d’une planète. Ils aideront en plus à comprendre l’ensemble des systèmes exoplanétaires, leur diversité mais aussi leur formation et leur évolution passée et future. Enfin, parce que PLATO observera des étoiles brillantes, les propriétés de ces planètes, notamment de leur atmosphère, pourront être explorées en détails avec des télescopes au sol afin d’y chercher d’éventuels indicateurs de la présence la vie.

La France contribue, avec les laboratoires du CNRS, le CEA et le CNES, à l’électronique digitale des caméras rapides, les logiciels de vol des caméras normales et assurera les essais thermiques d’une partie des caméras et leur étalonnage. Les équipes françaises joueront aussi un rôle clé dans différents aspects du segment sol scientifique en charge de fournir le catalogue des systèmes planétaires.

Du côté du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, les équipes impliquées participeront au développement et la fourniture de logiciels pour la détection des transits, l’estimation des paramètres des systèmes planétaires et la gestion des performances de l’ensemble du logiciel en charge de produire le catalogue des transits et leurs caractéristiques. Elles développeront des procédures pour établir la liste des priorités parmi les candidats exoplanètes ainsi détectés et participeront à la construction du catalogue d’entrée de la mission, et, après le tir, aux observations complémentaires qui seront réalisées pour caractérisation des systèmes exoplanétaires.