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Des miroirs pour observer les exoplanètes

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Un reportage vidéo du CNRS vient de paraître sur un savoir-faire qui fait la renommée internationale d’un laboratoire marseillais.

Réaliser des instruments d’observation de l’Univers fait appel à des compétences multidisciplinaires de haut niveau, notamment en optique pour élaborer des miroirs toujours plus performants. Dans ce domaine, le Laboratoire d’astrophysique de Marseille (LAM) [1] développe depuis plus de 40 ans un savoir-faire unique dans la réalisation d’optiques asphériques d’extrême qualité de surface, qu’il est le seul à maitriser à ce niveau de précision au niveau mondial. Ce savoir-faire unique lui a valu d’être sollicité dernièrement par la NASA pour participer à la conception du télescope spatial Nancy-Grace-Roman, chargé d’étudier l’énergie noire, détecter des exoplanètes et cartographier le ciel dans l’infrarouge, qui devrait être lancé en mai 2027. Avec l’aide et le support du CNES, le LAM a ainsi pu livrer l’ensemble des miroirs à la NASA en juillet 2021 puis juin 2022.Reportage CNRS | Des miroirs infiniment polis

23.05.2022

C’est un savoir-faire qui a fait la renommée mondiale du Laboratoire d’astrophysique de Marseille : actuellement, on y polit, avec une infinie méticulosité, des petits miroirs de 6 cm. Huit d’entre eux, commandés par la Nasa, seront envoyés en 2027 dans l’espace à bord du Roman Space Telescope, la première mission spatiale conçue pour l’imagerie des exoplanètes. Leur polissage doit être parfait pour capter et renvoyer les lumières de faible intensité des exoplanètes.

Consulter : Le reportage photo de CNRS Images

Voir en ligne : Retrouvez ce communiqué sur le site de la DR12

Adoption de la mission d’exploration spatiale Comet Interceptor

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La mission spatiale Comet Interceptor vient d’être adoptée par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) pour être la prochaine mission d’exploration du système solaire. Développée en collaboration avec l’agence spatiale japonaise (JAXA), plusieurs agences spatiales nationales et centres de recherches en Europe, dont le CNES et le CNRS, Comet Interceptor sera la première mission spatiale à visiter une comète issue des confins du système solaire, voire hors du système solaire. Une particularité unique de cette mission spatiale sera de rester en attente dans le système solaire avant de fondre vers cette comète. Une telle comète ne pourra être découverte que dans quelques années et potentiellement après que Comet Interceptor quittera la Terre.

La mission d’exploration spatiale Comet Interceptor, proposée par la communauté scientifique européenne et pré-sélectionnée par l’ESA en 2019 pour étudier sa faisabilité, vient d’être adoptée le 8 juin 2022 par l’ESA. Elle sera implémentée dans les prochaines années pour être lancée en 2029.Comet Interceptor peut être considérée comme une descendante des missions cométaires pionnières de l’ESA Giotto et Rosetta. Elle est cependant différente, d’une part, parce qu’elle fournira les premières observations simultanées – en trois points différents – d’un objet situé en dehors de l’environnement terrestre, et, d’autre part, parce qu’elle ciblera une comète visitant le système solaire interne pour la première fois – provenant probablement du vaste nuage d’Oort entourant les extrémités du système solaire. Ce type de comète ne peut être observé que quelques années avant d’entrer dans le système solaire interne, si bien que l’une des singularités de la mission Comet Interceptor est que sa cible n’a pas encore été découverte, même si elle a déjà commencé son voyage vers nous.

Comet Interceptor sera composée de trois sondes spatiales. Le vaisseau composite attendra patiemment en un point du système solaire (le point de Lagrange L2) une comète cible appropriée, puis voyagera conjointement avant que les trois sondes spatiales qui la composent ne se séparent quelques semaines avant d’intercepter la comète. Ses trois engins spatiaux effectueront alors des observations simultanées autour de la comète. Chaque sonde spatiale sera équipée d’instruments scientifiques spécifiques qui fourniront des informations complémentaires sur le noyau de la comète et son environnement de gaz, de poussière et de plasma, pour comprendre la nature d’une comète primitive en interaction avec l’environnement du vent solaire en constante évolution. Ils créeront ainsi le premier profil 3D d’une comète venant du nuage d’Oort, contenant des matériaux ayant survécu depuis la formation du Soleil et des planètes.

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La mission spatiale comet interceptor attendra dans le système solaire avant de partir intercepter une comète issue des confins du système solair.

Crédit : ESA

Le CNRS et le CNES participent pleinement à la mission Comet Interceptor à travers des contributions à 4 instruments embarqués, dont deux sont directement sous responsabilité française. Le CNRS est aussi responsable de la coordination de la modélisation scientifique, crucial pour la sélection de la comète cible. Des astrophysiciens de 10 laboratoires français (LPC2E à Orléans ; IRAP et LAPLACE à Toulouse ; LAM à Marseille ; LAB à Bordeaux ; LGLTPE à Lyon ; Lagrange à Nice ; IMCCE, LESIA, LATMOS à Paris) sont aujourd’hui impliqués dans la mission. Les contributions françaises à Comet Interceptor illustrent le fort héritage scientifique et technique acquis par la communauté scientifique française avec la fructueuse précédente mission spatiale cométaire Rosetta.

Le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (Aix Marseille Univ, CNRS, CNES) fournit le miroir primaire de la caméra CoCa. Cette caméra est développée par l’Université de Berne, en Suisse, et fournira des images couleurs du noyau et de son environnement proche pendant la phase d’approche et de survol. Ces images serviront à mieux comprendre l’origine de cette comète et ses processus d’évolution.

Une nouvelle vision de la formation de Jupiter

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En 1995, la sonde atmosphérique Galileo de la NASA réalise la première mesure in situ de la composition de l’atmosphère de Jupiter. Elle révèle que l’atmosphère est enrichie en éléments volatils, tel que le carbone, l’azote, le phosphore ou les gaz nobles, mais que l’oxygène, présent sous forme d’eau, est moins abondant. De nombreuses théories sont développées pour expliquer ces observations, mais certains scientifiques remettent également en question les mesures.

Après 15 ans de préparation et 5 ans de trajet Terre-Jupiter, la sonde Juno de la NASA effectue une nouvelle mesure en 2020. Les données confirment les enrichissements mesurés par Galileo, mais elles indiquent aussi un enrichissement en oxygène. Il devient donc nécessaire de réviser les théories de la formation du système jovien.

Pour tenter d’expliquer la composition de l’atmosphère de Jupiter, une équipe de recherche, comprenant des chercheurs du laboratoire d’astrophysique de Marseille de l’INSU, propose une nouvelle théorie pour la formation de Jupiter, compatible avec les mesures de Juno. Leur modèle simule l’évolution de la nébuleuse protosolaire, disque de gaz et de poussières en orbite autour du Soleil avant la formation des planètes. Les planètes se créent à partir de la matière contenue dans ce disque, qui peut être sous forme solide ou gazeuse. Jusqu’à maintenant, l’enrichissement en volatils dans Jupiter était attribué à un bombardement de son enveloppe par une masse importante de roches et de glaces au cours de sa croissance. Les résultats de ce modèle montrent que l’enveloppe de Jupiter aurait pu se former directement en amassant du gaz enrichi en volatils, sans qu’un apport en matériaux solides soit requis au cours de sa croissance.

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Vue d’artiste de la sonde atmosphérique Galileo (au centre) entrant dans l’atmosphère de Jupiter le 13 juillet 1995. L’orbiteur (à gauche) est resté en orbite pour recevoir les données de la sonde et les envoyer vers la Terre.

Crédit : NASA

Superbe image du survol de Rosetta : l’ombre de la sonde sur la comète

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Quelques jours après le passage en “rase-motte” – 6 kilomètres tout de même – de Rosetta sur la comète Chury le 14 février 2015, les images prises par l’instrument OSIRIS, ont été reçues. Avec une résolution sans précédent de 11 centimètres par pixels, ces données de la NAC 1 nous révèle des structures de surface cométaire vue depuis la sonde avec un niveau détail encore jamais atteint. Étant donné qu’au point le plus rapproché de ce survol, le Soleil, Rosetta et la comète étaient presque parfaitement alignés l’ombre, ou plus exactement la pénombre de la sonde est visible sur l’image.

L’alignement entre le soleil, la sonde et la comète offre des conditions d’observation tout à fait singulières qui permettent de mieux caractériser les propriétés de la surface. On note en particulier la présence d’une vaste zone circulaire centrée sur l’ombre de Rosetta légèrement plus brillante que le reste de la surface. Cela s’explique par le phénomène bien connu d’opposition, dû à la rétrodiffusion de la lumière qui est amplifiée par la présence de petites particules à la surface de la comète (ce phénomène est observé sur la lune et d’autres petits corps recouverts d’une couche de fines poussières appelée régolithe). L’étude de cet effet d’opposition permettra de caractériser les propriétés de la poussière cométaire.

Vue rapprochée de la région d’Imhotep prise par la Narrow angle camera de instrument OSIRIS le 14 février 2015
Prise de vue lors du survol à basse altitude (6 kilomètres) de Rosetta sur la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko. Les pixels correspondent à 11 centimètres sur la surface du noyau. On peut voir l’ombre de la sonde, qui se projette sur le bas de l’image.
Crédit : ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

L’ombre de Rosetta que l’on voit très bien en bas de l’image forme un rectangle de 20 mètres par 50. Ces dimensions correspondent à la pénombre créée par la sonde qui est éclairée par une source lumineuse étendue, en l’occurrence le Soleil.

Région d’Imhotep
Sur cette modélisation, le carré rouge montre la zone de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko photographiée par OSIRIS-NAC lors du survole. Il s’agit de la région d’Imhotep.
Crédit : ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

 

1. La NAC, Narrow Angle Camera d’OSIRIS, est un instrument imageur à haute résolution spatiale conçu et développé par le Laboratoire d’astrophysique de Marseille (CNRS / Aix-Marseille Université) en partenariat avec la société ASTRIUM et plusieurs laboratoires européens. Le système d’imagerie OSIRIS a été réalisé par un consortium mené par le Max Planck Institute for Solar System Research (Allemagne) en collaboration avec le CISAS, l’Université de Padova (Italie), le Laboratoire d’astrophysique de Marseille, l’Instituto de Astrofísica de Andalucia (Espagne), le CSIC (Espagne), le Scientific Support Office of the European Space Agency (Pays-Bas), l’Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (Espagne), l’Universidad Politéchnica de Madrid (Espagne), le Department of Physics and Astronomy of Uppsala University (Suède), et l’Institute of Computer and Network Engineering of the TU Braunschweig (Allemagne). OSIRIS a reçu le soutien financier du DLR (Allemagne), le CNES, l’ASI (Italie), MEC (Espagne), le SNSB (Suède) et le Directoire technique de l’ESA.

Une nouvelle carte de l’eau sur Mars

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Des travaux réalisés pour partie au sein de l’équipe « Systèmes planétaires » du LAM (OSU Institut Pythéas / CNRS – AMU – CNES) et de l’Institut Origines ont permis de fournir la première carte globale et à haute résolution des minéraux dits « hydratés » de la surface de Mars. Ces minéraux ont la particularité de s’être formés par interaction chimique entre la roche Martienne et de l’eau liquide, et ils contiennent bien souvent de l’eau piégée dans leur structure. Ce sont ainsi d’excellent traceurs des anciens environnements aqueux de Mars et des cibles exobiologiques de première importance.

Cette cartographie globale qui a pris plus de 10 ans à construire, met en évidence plusieurs centaines de milliers de sites d’altération aqueuse sur Mars, contre environ un millier connu auparavant. Surtout, elle révèle que la surface la plus ancienne de Mars (datant de plus de 3.7 Ga) est altérée par l’eau presque partout, modifiant notre vision de Mars ancienne. De nombreux sites minéralogiques ainsi découverts font l’objet d’études plus poussées de par leur haut potentiel scientifique, notamment dans le cadre de l’exploration in-situ de Mars. C’est ainsi que le site d’atterrissage d’Oxia Planum pour le rover ESA ExoMars a été découvert.

Sur Terre, certaines minéraux hydratés comme les argiles (phyllosilicates) ou des sels (sulfates) sont connus pour leur potentiel à séquestrer et préserver de la matière organique, notamment dans des contextes géologiques sédimentaires. L’identification sur Mars depuis l’orbite de sites à la composition et géologie similaire en font d’importants candidats à l’exploration de la matière organique sur Mars et de son potentiel exobiologique. A terme, cette carte minérale servira à mieux contraindre la quantité d’eau Martienne piégée aujourd’hui dans ses roches, afin de répondre à une question clef de l’histoire de Mars : la planète a-t-elle « bu » l’essentiel de son eau dans ses roches ? Un autre objectif à long terme est fixé : proposer des sites d’atterrissage pour de futures missions humaines là où ces dépôts minéraux permettront l’utilisation de ressources in-situ via l’extraction de volatiles (dont l’eau) et comme matériaux de construction.

Voir en ligne : Communiqué de Presse de l’ESA

Tchouri sous l’œil de Rosetta

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De forme surprenante en deux lobes et de forte porosité, le noyau de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko (surnommée Tchouri) révèle une large gamme de caractéristiques grâce aux instruments MIRO, VIRTIS et OSIRIS de la mission Rosetta de l’ESA, à laquelle participent notamment des chercheurs du CNRS et de plusieurs universités 1, avec le soutien du CNES. On notera notamment pour ce qui concerne notre région la forte implication du Laboratoire d’astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université) 2. Au nombre de sept, leurs études, publiées le 23 janvier 2015 dans Science, montrent également que la comète est riche en matériaux organiques et que les structures géologiques observées en surface résultent principalement des phénomènes d’érosion. L’instrument RPC-ICA a quant à lui retracé l’évolution de la magnétosphère de la comète alors que l’instrument ROSINA cherche les témoins de la naissance du système Solaire.
  • Le noyau de 67P/Churyumov-Gerasimenko
Exemple de trou circulaire observé sur le noyau de la comète 67P. L’augmentation du contraste révèle la présence d’activité Image prise par la caméra OSIRIS-NAC le 28 août 2014 depuis une distance de 60 km, avec une résolution spatiale de 1 m/pixel. Crédit : ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

Les images de la comète 67P prises par la caméra OSIRIS montrent une forme globale inhabituelle composée de deux lobes séparés par un « cou » dont l’origine demeure inexpliquée. Sa surface de composition globalement homogène présente une grande diversité de structures géologiques qui résultent des phénomènes d’érosion, d’effondrement et de redéposition. L’activité de la comète, surprenante à grande distance du Soleil, se concentre actuellement dans la région du « cou ». L’ensemble des images a permis de réaliser un modèle en trois dimensions de la comète et la topographie détaillée du site original d’atterrissage de Philae. Combiné avec la mesure de la masse, ce modèle a donné la première détermination directe de la densité d’un noyau cométaire qui implique une très forte porosité. Ce modèle fournit également le contexte « cartographique » pour l’interprétation des résultats des autres expériences.

  • Les propriétés de surface de 67P/Churyumov-Gerasimenko

L’instrument MIRO a permis aux chercheurs d’établir une carte de la température sous la surface de 67P. Celle-ci montre des variations saisonnières et diurnes de température qui laissent supposer que la surface de 67P est faiblement conductrice au niveau thermique, en raison d’une structure poreuse et peu dense. Les chercheurs ont également effectué des mesures du taux de production d’eau de la comète. Celui-ci varie au cours de la rotation du noyau, l’eau dégagée par la comète étant localisée dans la zone de son « cou ».

  • Une comète riche en matériaux organiques

VIRTIS a fourni les premières détections de matériaux organiques sur un noyau cométaire. Ses mesures de spectroscopie indiquent la présence de divers matériaux contenant des liaisons carbone-hydrogène et/ou oxygène-hydrogène, la liaison azote-hydrogène n’étant pas détectée à l’heure actuelle. Ces espèces sont associées avec des minéraux opaques et sombres tels que des sulfures de fer (pyrrhotite ou troïlite). Par ailleurs, ces mesures indiquent qu’aucune zone riche en glace de taille supérieure à une vingtaine de mètres n’est observée dans les régions illuminées par le Soleil, ce qui indique une forte déshydratation des premiers centimètres de la surface.

La naissance de la magnétosphère d’une comète En utilisant l’instrument RPC-ICA, les chercheurs ont retracé la naissance de la magnétosphère, depuis les premières détections d’ions aqueux jusqu’au moment où l’atmosphère cométaire a commencé à stopper le vent solaire (aux alentours de 3,3 UA 3). Ils ont ainsi enregistré la configuration spatiale de l’interaction précoce entre le vent solaire et la fine atmosphère cométaire, à l’origine de la formation de la magnétosphère de « Tchouri ».

Carte de température sous la surface du noyau (en iso-contours) mesurée par l’instrument MIRO
L’illumination de la surface du noyau est représentée en arrière-plan. Les plus basses températures (-250 °C, en bleu) sont sur la face non ensoleillée (à gauche sur la figure).
Crédit : Gulkis et al.
  • 67P/Churyumov-Gerasimenko, témoin de la naissance du système Solaire

Formées il y a environ 4,5 milliards d’années et restées congelées depuis, les comètes conservent les traces de la matière primitive du système Solaire. La composition de leurs noyaux et de leurs comae donne donc des indices sur les conditions physico-chimiques du système Solaire primitif. L’instrument ROSINA de la sonde Rosetta a mesuré la composition de la coma de 67P (la coma, ou chevelure, est une sorte d’atmosphère assez dense entourant le noyau, elle est composée d’un mélange de poussières et de molécules de gaz) en suivant la rotation de la comète. Ces résultats indiquent de grandes fluctuations de la composition de la coma hétérogène et une relation coma-noyau complexe où les variations saisonnières pourraient être induites par des différences de températures existant juste sous la surface de la comète.

Surface de la comète
La composition de la surface de la comète est très homogène avec une petite différence au niveau de la région du cou qui serait peut-être en glace.
Crédit : F. Capaccioni et al.
  • Les poussières de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko

Le détecteur de poussière GIADA a déjà récolté une moisson de données (taille, vitesse, direction, composition) sur les poussières de dimensions de 0,1 à quelques millimètres émises directement par le noyau. En complément, les images d’OSIRIS ont permis de détecter des poussières plus grosses en orbite autour du noyau, probablement émises lors du précédent passage de la comète.

Mesures ROSINA
Rapport CO2/H2O mesuré par ROSINA sur la comète durant la période du 17 août au 22 septembre 2014.
Crédit : ESA/Rosetta/ROSINA/UBern, BIRA, LATMOS, LMM, IRAP, MPS, SwRI, TUB, Umich
  • Les laboratoires français impliqués dans ces études sont
  • Laboratoire d’astrophysique de Marseille (CNRS/ Aix-Marseille Université)
  • Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique (CNRS/Observatoire de Paris/UPMC/Université Paris Diderot)
  • Laboratoire atmosphères, milieux, observations spatiales (CNRS/UPMC/UVSQ)
  • Institut de recherche en astrophysique et planétologie (CNRS/Université Toulouse III – Paul Sabatier)
  • Laboratoire de physique et de chimie de l’environnement et de l’espace (CNRS/Université d’Orléans)
  • Institut de planétologie et astrophysique de Grenoble (CNRS/Université Joseph Fourier)
  • Laboratoire d’étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (CNRS/Observatoire de Paris/UPMC/ENS/Université de Cergy-Pontoise)
  • Institut d’astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud)
  • Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (CNRS/Université de Lorraine)
1. Aix-Marseille Université, UPMC, Université Paris Diderot, UVSQ, Université Toulouse III – Paul Sabatier, Université d’Orléans, Université Joseph Fourier, Université de Cergy-Pontoise, Université Paris-Sud, Université de Lorraine ainsi que l’Ecole Normale Supérieure. Des laboratoires mixtes de l’Observatoire de Paris sont également impliqués.
2. Le LAM a notamment conçu et développé la caméra OSIRIS-NAC, instrument imageur à haute résolution spatiale en partenariat avec la société ASTRIUM et plusieurs laboratoires européens.
3. L’unité astronomique (UA) représente la distance moyenne Terre-Soleil. La valeur de 150 millions de kilomètres est communément admise pour 1 UA.