Univers

Repérer et capturer des flashs de lumière de quelques secondes apparaissant aléatoirement dans le ciel, telle est la prouesse accomplie par le télescope terrestre COLIBRI. Conçu dans le cadre de la mission spatiale SVOM¹ dont l’objectif est de rechercher et d’étudier les sursauts gamma, il constitue un instrument unique au monde pour tenter de répondre à de nombreuses questions relevant de l’étude de phénomènes astronomiques transitoires² (identification des objets astrophysiques à l’origine des ondes gravitationnelles ou des sources de neutrinos cosmiques de hautes énergies par exemple), ainsi que pour comprendre l’enfance de l’univers (identification de la première génération d’étoiles et étude des premières galaxies notamment).

Haut de 4 mètres pour un poids de 8 tonnes, COLIBRI est en effet capable de pointer vers n’importe quelle région du ciel en moins de 20 secondes. Il dispose d’un miroir collecteur d’1,30 mètre de diamètre et de trois caméras permettant de réaliser simultanément des observations relevant du domaine du visible et de l’infrarouge. En tant que télescope robotisé, il effectue des observations et relevés sans intervention humaine à partir d’un programme d’observation, ce qui augmente d’avantage sa réactivité et diminue les coûts de fonctionnement.

Débutée en 2016, la conception du télescope COLIBRI a impliqué près de 120 personnes et a été dirigée par des scientifiques du Laboratoire d’astrophysique de Marseille (Aix-Marseille Université/CNES/CNRS), de l’Institut Pytheas (Aix-Marseille Université/CNRS/INRAE/IRD), ainsi que de l’Institut d’astronomie de l’UNAM. Des scientifiques du Centre de physique des particules de Marseille (Aix-Marseille Université/CNRS) et de l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie (CNES/CNRS/Université Toulouse III – Paul Sabatier) ont également participé à ce projet³. Il constitue à ce jour la seule infrastructure de recherche en astrophysique commune à la France et au Mexique et s’inscrit dans la lignée d’une longue tradition de collaboration entre les deux pays, récemment consolidée sous la forme d’un International Research Project⁴.

Le télescope a été entièrement assemblé à l’Observatoire de Haute-Provence et ses performances évaluées sur le ciel pendant plus d’un an avant d’être expédié au Mexique. COLIBRI est installé à l’Observatoire astronomique national de San Pedro Mártir au Mexique, où il a été inauguré le 7 septembre et a livré ses premières images.

Parmi la flotte de télescopes destinés à observer et mieux comprendre l’Univers, le futur télescope spatial Nancy Grace Roman, développé par la NASA, va permettre de grandes avancées dans le domaine de la cosmologie et de la planétologie. Le télescope embarquera un coronographe, démonstrateur technologique capable de détecter et étudier les exoplanètes similaires à Jupiter dans notre Système solaire, en mesurant de manière directe la lumière de leur étoile qui se reflète sur le sommet de leur atmosphère en direction de la Terre. L’instrument permettra d’atténuer le signal de l’étoile d’un facteur de plus de 100 millions pour révéler le signal extrêmement faible de ses planètes voisines. L’instrument de démonstration technologique a récemment quitté le Jet Propulsion Laboratory de la NASA pour le Goddard Space Flight Center où il rejoindra le reste de l’observatoire spatial en vue d’un lancement au plus tard en mai 2027.

Le CNES et le Laboratoire d’astrophysique de Marseille (LAM – Aix-Marseille Université, CNRS, CNES) ont été sollicités par la NASA pour fournir des optiques de très haute qualité, développées par le LAM. Grâce à ce démonstrateur et à ses performances, Roman va permettre pour la première fois de détecter cette lumière réfléchie dans les longueurs d’ondes visibles afin d’étudier la composition des atmosphères de ces lointaines exoplanètes et ainsi mieux comprendre leur formation. Les équipes de recherche françaises sont largement impliquées dans la préparation technique et scientifique de la mission et pourront ainsi accéder aux données lorsque le satellite sera en vol. En plus des fournitures des miroirs du coronographe, le CNES et le CNRS participent activement aux activités de planification des observations, de préparation des outils d’analyse et d’interprétation des données, ainsi que de planification de la phase de vérification en vol de l’instrument qui aura lieu dans les trois mois suivant le lancement. Le coronographe de Roman prépare également de futures missions de la NASA et de l’ESA, capables de détecter et d’étudier des planètes habitables. Pour ces missions, la qualité des optiques devra encore être améliorée d’un facteur 10 et les développements technologiques nécessaires sont d’ailleurs déjà en cours au LAM.

L’instrument coronographique s’annonce très prometteur. Avant son transfert, celui-ci a subi le test le plus complet de ses capacités de blocage de la lumière des étoiles, ce que les ingénieurs appellent « creuser la zone sombre ». L’instrument coronographique a démontré pleinement ses performances, notamment grâce aux optiques françaises.

Des coronographes munis de masques volent déjà dans l’espace, mais ils n’ont pas la capacité de détecter une exoplanète semblable à la Terre. Depuis un autre système stellaire, notre planète apparaîtrait environ 10 milliards de fois moins lumineuse que le Soleil et les deux sont extrêmement proches l’un de l’autre. Par conséquent, essayer d’obtenir une image directe de la Terre reviendrait à essayer de voir une luciole à côté d’un phare à une distance de 5 000 kilomètres. Avec les technologies coronographiques actuelles, même l’éblouissement d’une étoile masquée écrase une planète semblable à la Terre.

Le coronographe Roman fera la démonstration de techniques permettant d’éliminer davantage de lumière stellaire indésirable que les coronographes spatiaux actuels, grâce à l’utilisation de plusieurs composants mobiles. Ces éléments en feront le premier coronographe « actif » à voler dans l’espace. Ses principaux outils sont deux miroirs déformables, chacun d’un diamètre de 5 centimètres, soutenus par plus de 2 000 minuscules actionneurs pistons qui se déplacent vers le haut et vers le bas. Les pistons travaillent ensemble pour modifier la forme des miroirs déformables afin qu’ils puissent compenser la lumière parasite indésirable qui se répand sur les bords des masques. Les miroirs déformables permettent également de corriger les imperfections des autres optiques du télescope Roman. Bien qu’elles soient trop petites pour affecter les autres mesures très précises du télescope, ces imperfections peuvent envoyer de la lumière parasite dans la zone sombre. Des modifications précises de la forme de chaque miroir déformable, imperceptibles à l’œil nu, compensent ces imperfections. Les résultats obtenus par la caméra du coronographe montrent donc une région en forme d’anneau beignet autour de l’étoile centrale, qui s’assombrit lentement au fur et à mesure que l’équipe éloigne la lumière de l’étoile, d’où le surnom de « creuser le trou noir ». Dans l’espace, une exoplanète tapie dans cette région sombre apparaîtrait lentement au fur et à mesure que l’instrument fait son travail avec ses miroirs déformables.

Plus de 5 000 planètes ont été découvertes et confirmées autour d’autres étoiles au cours des 30 dernières années. La plupart d’entre elles ont été détectées indirectement, c’est-à-dire que leur présence est déduite de la façon dont elles affectent leur étoile parente. Il est beaucoup plus facile de déceler ces changements relatifs dans l’étoile parente que de voir le signal d’une planète beaucoup moins lumineuse. Moins de 70 exoplanètes ont fait l’objet d’une image directe. Les planètes qui ont été directement imagées à ce jour ne ressemblent pas à la Terre, il s’agit de planète gazeuses beaucoup plus grosses, plus chaudes et plus éloignées de leur étoile mère. Ces caractéristiques les rendent plus faciles à détecter mais aussi moins propices à la vie telle que nous la connaissons. Pour rechercher des mondes potentiellement habitables, les scientifiques ont besoin d’images de planètes qui sont non seulement des milliards de fois moins lumineuses que leur étoile, mais qui orbitent également à la bonne distance pour que de l’eau liquide puisse exister à la surface de la planète (un précurseur du type de vie que l’on trouve sur Terre).

Dans la nuit du 10 au 11 mai 2024, les observateurs du ciel nocturne ont été les heureux spectateurs d’un spectacle exceptionnel : des aurores boréales intenses ont illuminé tout le territoire français (Figure 1), une première depuis près de 20 ans. Cet orage auroral, qui a duré près de 20h, a pu ensuite être admiré par le public nord-américain.

Au-delà d’un spectacle poétique, les aurores sont la partie visible d’une chaîne processus physiques fascinants, qui se déploient ailleurs dans le système solaire et au-delà, dont la compréhension mobilise une large communauté de chercheurs, mais qui fait aussi souvent l’objet de simplifications réductrices et de confusions, notamment dans la presse.

De la lumière dans la haute atmosphère

Les aurores polaires, boréales au nord et australes au sud, sont des émissions lumineuses qui se produisent dans la haute atmosphère entre 80 km et plusieurs centaines de km d’altitude au voisinage des pôles magnétiques, auxquels renvoie l’adjectif « polaire ». Vues depuis l’espace, elles se concentrent le long de deux ovales de haute latitude connectés magnétiquement, dont la position moyenne est située entre 60° et 70°. Les aurores sont produites par l’afflux vers la Terre de particules énergétiques chargées électriquement, autrement dit des électrons et des ions, qui peuplent la cavité magnétique qui l’entoure et que l’on nomme la magnétosphère (schématisée à la Figure 2). Quand ces particules chutent dans l’atmosphère – plus elles ont d’énergie, plus elles pénètrent bas – elles transfèrent une partie de leur énergie cinétique aux atomes et aux molécules locales qui la réémettent sous forme de lumière. Les couleurs observées dans le domaine visible et leur altitude sont ainsi caractéristiques de la composition chimique de notre atmosphère : les émissions verte et rouge sont produites par l’oxygène atomique à basse et haute altitude, les émissions rouge et bleu/violet par l’azote moléculaire neutre ou ionisé plutôt à basse altitude (Table 1).

Un traceur de l’interaction soleil-terre

Intéressons-nous maintenant à l’origine des particules qui produisent les aurores, qui n’a été comprise qu’après l’avènement de l’ère spatiale. On peut souvent lire les aurores sont produites directement par les particules du vent solaire, ce n’est pas exact (voir cette compilation d’idées fausses sur les aurores de F. Mottez). Elles proviennent, on l’a dit, de la magnétosphère. Cette cavité est produite par l’interaction entre le champ magnétique terrestre et le vent solaire, ce flot magnétisé de particules chargées qui irrigue en permanent le système solaire. Comme illustré sur la Figure 2, elle est compressée côté jour, où elle s’étend à plus 10 rayons terrestres, et allongée côté nuit. La magnétosphère est alimentée en particules chargées par deux réservoirs : la plus modeste est la haute atmosphère ionisée terrestre (l’ionosphère), la plus importante est le vent solaire dans une circonstance particulière que l’on verra plus bas. Lors de leur circulation dans la magnétosphère, ces particules peuvent facilement acquérir suffisamment d’énergie pour atteindre l’atmosphère. Des aurores sont donc produites quasiment en permanence, mais leur faible intensité et/ou leur grande altitude les rend généralement peu aisées à observer depuis le sol. Néanmoins, l’activité aurorale s’intensifie périodiquement avec des arcs brillants et intenses lors d’épisodes qu’on appelle des « sous-orages » et dont le déclenchement dépend d’un ingrédient principal : l’orientation du champ magnétique solaire au niveau de la Terre.

La magnétosphère terrestre est étanche au vent solaire sauf lorsque son champ magnétique est orienté vers le sud. Lorsque cela se produit, une connexion magnétique s’établit et permet aux particules du vent solaire de pénétrer dans la magnétosphère. Ces particules sont transportées au-dessus des pôles et s’accumulent à l’équateur du côté nuit de la magnétosphère d’où elles sont accélérées par bouffées vers la Terre, produisant des aurores intenses du côté nuit qui s’étendent en latitude. Ce cycle de sous-orages décrit en quelques lignes est un phénomène physique complexe étudié par les chercheurs depuis plus d’un demi-siècle et dont la compréhension a été l’objectif de nombreuses sondes spatiales, dont les flottilles de sondes Themis et MMS sont les dernières en date. La figure 3 montre un exemple d’aurores lors du développement d’un sous-orage.

Le vent solaire peut également, mais beaucoup plus occasionnellement, produire des aurores particulièrement intenses encore lorsqu’il compresse violemment la magnétosphère terrestre, on parle alors d’orage géomagnétique, qui induit des sous-orages et des aurores intenses descendant aux basses latitudes. C’est ce qui s’est passé lors de la journée du 10 mai, lors de laquelle la morphologie des aurores dans l’animation de la figure 4 a été photographiée par des sondes spatiales, et sur laquelle on voit bien des aurores brillantes descendre en deçà de 50° de latitude. Deux jours auparavant, le soleil avait émis une série de six éjections de masse coronale, des bulles de plasma denses et rapide qui ont fusionné pour atteindre la Terre à la mi-journée du 10 mai et provoquer un orage géomagnétique majeur (de classe G5), le plus intense depuis 2003.

Heureux qui comme Ulysse

Ces orages auroraux sont donc directement liés à l’activité solaire et les deux prochaines années, correspondant au prochain pic d’activité solaire, devraient fournir leur lot d’éruptions solaires majeures : autant d’occasions d’observer dans le ciel les manifestations de l’interaction du champ magnétique de notre planète avec le vent de plasma de notre étoile. Les amateurs peuvent suivre l’activité solaire et aurorale en temps réel à l’aide de sites internet dédiés tels que https://www.spaceweatherlive.com.

Mentionnons également que les émissions aurorales s’observent dans d’autres domaines de longueur d’onde (radio à X) sur Terre et plus généralement sur les planètes et étoiles magnétisées, dont elles permettent d’étudier la magnétosphère. Ces processus auroraux ont été analysés en détails sur les planètes géantes avec des sondes polaires telles que Cassini/Juno ou le télescope spatiale Hubble ou pour des étoiles lointaines avec des grands radiotélescopes au sol. Leur étude est un axe de recherche au LAM.

Un risque pour l’industrie

Une conséquence plus concrète des compressions de la magnétosphère sondées par exemple par l’observation des aurores est l’impact que l’activité solaire peut avoir pour les activités humaines. L’observation et la prédiction de l’activité solaire à la Terre a ainsi donné naissance à une discipline nommée météorologie de l’espace, définie ainsi par l’agence spatiale européenne « La météorologie de l’espace étudie les conditions environnementales dans la thermosphère, l’ionosphère, la magnétosphère terrestres causées par le Soleil et le vent solaire et qui peuvent affecter le fonctionnement et la fiabilité de systèmes ou services au sol ou dans l’espace, ou mettre en danger les biens ou la santé de l’homme ». Différents acteurs de la recherche française sont impliqués sur ces aspects, qui dépassent le cadre de cet article, comme l’organisation française pour la recherche applicative en météorologie de l’espace.