Science

L’atmosphère terrestre et le besoin de télescopes spatiaux

Les télescopes terrestres doivent composer avec la turbulence et l’absorption atmosphériques. Au cours des dernières décennies, les astronomes ont développé des systèmes sophistiqués d’optique adaptative (OA) pouvant affiner les images des télescopes basés au sol. Toutefois, de tels systèmes ne fonctionnent que sur de petits champs de vision, ne sont efficaces qu’à des longueurs d’onde supérieures à environ 0,5 µm et se font souvent au détriment de fonctions d’étalement ponctuel (« PSF ») variables selon le temps et la position. Pour la plupart des études scientifiques, il est crucial de disposer de PSF nettes et stables.

Les images prises au sol dans les longueurs d’onde du visible ne sont pas toujours très nettes, car l’atmosphère de la Terre absorbe et diffuse la lumière des étoiles. Aux longueurs d’onde visible-rouge et infrarouge (c’est-à-dire, plus longues que λ ≈ 0,8 μm), les observations ne sont possibles que dans des « fenêtres » spécifiques et particulièrement étroites — du moins jusqu’à la fenêtre large du radio à environ 1 cm. Dans le domaine ultraviolet (UV; c’est-à-dire à des longueurs d’onde inférieures à environ 0,3 μm), l’atmosphère est presque entièrement opaque due à l’absorption par l’ozone et à la diffusion de Rayleigh.

L’observation depuis l’espace, contrairement à ce que permet l’observation au sol, offre à la fois un accès sans contrainte à tout le rayonnement UV en plus d’une vision beaucoup plus nette du rayonnement visible. Ces avantages ont constitué la motivation première du télescope spatial Hubble (TSH), dont les images détaillées dans les domaines UV, visible et infrarouge ont révolutionné l’astronomie et séduit le public pendant plus d’un quart de siècle.

L’absorption atmosphérique aux longueurs d’onde UV, visible, IR proche et IR moyen. Les projets Euclid et Roman se concentrent sur les domaines visible-rouge et IR proche, tandis que CASTOR opérerait dans les domaines visible-bleu et UV, qui vus du sol sont fortement affectés par l’absorption due à l’oxygène moléculaire et l’ozone.

L’importante du rayonnement UV/visible-bleu en astronomie

Les astronomes parlent parfois du domaine UVOIR (« UV-Optical-IR ») — une partie du spectre électromagnétique qui s’étend de la limite de Lyman, à environ 0,091 μm, jusqu’à environ 5 μm, la limite supérieure approximative du domaine IR proche au-dessus duquel, en raison de la forte absorption d’eau dans l’atmosphère terrestre, les observations depuis le sol deviennent quasi impossibles. Le domaine UVOIR a une signification particulière en astronomie, car il contient une quantité unique d’informations astrophysiques et est primordiale pour la compréhension des étoiles et des plasmas, jusqu’à des températures d’environ 100 000 K. Ces deux dernières composantes sont, sans l’ombre d’un doute, les deux principaux traceurs des paramètres physiques en astrophysique moderne. Dans l’intervalle spectral de l’UVOIR, les domaines visible-bleu et UV sont particulièrement importants pour l’étude des étoiles, des galaxies, des planètes, du milieu intergalactique et interstellaire ainsi que des noyaux galactiques actifs (NAG). Une couverture continue sur l’ensemble de l’UVOIR, avec une résolution angulaire et une sensibilité élevées, est donc nécessaire pour une compréhension complète de presque tous les objets astronomiques, allant des exoplanètes à la cosmologie.

Une flotte de télescopes spatiaux (JWST, Euclid et, bientôt, Roman) ouvre une nouvelle fenêtre sur l’univers visible-rouge et IR. Pour les longueurs d’onde plus courtes, les astronomes devront faire appel à des télescopes au sol et au télescope spatial Hubble (TSH). Ce dernier fournit un accès direct au domaine UV qui est totalement inobservable depuis le sol. Cependant, les télescopes au sol doivent composer avec l’absorption et la turbulence atmosphériques ainsi qu’avec un ciel nocturne parfois brillant, alors que le TSH est, quant à lui, limité par son petit champ de vision. De plus, puisque le TSH dépend d’un certain nombre de sous-systèmes dont la durée de vie est limitée, tels que des batteries et gyroscopes, il risque de s’éteindre au cours de la prochaine décennie.

En orbite loin au-dessus de l’atmosphère terrestre, responsable de la dégradation de la netteté des images, CASTOR observera de vastes étendues du ciel à des longueurs d’onde visible-bleu et UV, avec une résolution comparable à celle du télescope spatial Hubble (et au moins cinq fois supérieure à celle des meilleurs télescopes au sol, à ces longueurs d’onde). En une seule exposition, CASTOR couvrirait une surface environ cent fois plus grande que celle du TSH, et ce, simultanément dans trois bandes spectrales, couvrant complètement les domaines UV/visible-bleu de 0,150 à 0,55 µm.

À une distance de 2,5 millions d’années‑lumière, Andromède est la galaxie géante la plus proche de la Voie lactée et est toujours une cible favorite pour de vastes campagnes d’observation avec des télescope au sol et dans l’espace. À gauche : l’étude la plus ambitieuse d’Andromède jusqu’à maintenant a été menée à l’aide du télescope spatial Hubble qui a couvert à peu près un tiers de son disque avec 414 pointages différents, chacun étant imagés six fois en six filtres différents au cours d’une campagne de 40 jours, l’une des plus longues études jamais entreprises par Hubble. À droite : grâce à sa conception optique révolutionnaire, CASTOR pourrait couvrir le disque entier d’Andromède en seulement six pointages. Par ailleurs, chacun des pointages produirait des images simultanées en trois filtres différents, ce qui nous donnerait par défaut une vue panchromatique de la galaxie. Les champs de vision grandement différents de Hubble et de CASTOR sont superposés sur la pleine lune, à l’échelle au centre de cette image.

À gauche : une partie du champ de COSMOS, l’un des champs les plus profonds et les plus étudiés dans le ciel, image prise par le satellite GALEX de la NASA, lancé en 2003 et désactivé en 2013. À droite : le même champ qui serait observé par CASTOR, dont la résolution correspond à celle du télescope spatial Hubble, mais qui couvre un champ à peu près 100 fois plus vaste.

L’héritage scientifique de CASTOR

CASTOR s’appuierait sur un modèle opérationnel qui a fait ses preuves déjà lors de nombreuses missions afin de répondre à des questions scientifiques ambitieuses et fondamentales, tout en conservant la souplesse nécessaire pour répondre aux besoins des diverses communautés de chercheurs. Grâce à une combinaison de grands relevés et de programmes invités, CASTOR aurait un impact sur une vaste gamme de recherche en astrophysique. Des programmes clés représentatifs comprennent :

Des relevés cosmologiques axés sur le spectre de puissance des masses et la distribution de la matière sombre, tout en testant la gravité à des échelles cosmologiques.
Un accès unique aux longueurs d’onde UV avec une haute sensibilité pour une vaste gamme de phénomènes transitoires en astrophysique, allant de systèmes multiples d’étoiles perturbées par des effets de marées aux événements produisant des ondes gravitationnelles.
L’évolution cosmique de la formation stellaire à des échelles sous-galactiques incluant une relation entre la croissance de la masse stellaire et l’assemblage des halos de matière sombre.
L’échographie des NAG afin d’étudier la géométrie, la cinématique et les conditions physiques du gaz photo‑ionisé dans les galaxies actives.
La découverte de nouveaux satellites et de courants galactiques, et de la structure externe de notre galaxie, la Voie lactée.
Les propriétés UV/visible-bleu des étoiles de toutes sortes, incluant les étoiles jeunes et chaudes, les objets dégénérés et même l’activité chromosphérique des étoiles naines de type spectral M.
La formation stellaire et l’enrichissement chimique des galaxies et des amas de galaxies proches.
La caractérisation des atmosphères d’exoplanètes à partir de la photométrie de transit et de la spectroscopie en série temporelle, ainsi que de l’analyse de courbes de phase.
L’identification des objets les plus petits et/ou les plus éloignés du système solaire externe, ainsi que la chimie de surface des petits corps à partir de leur distribution d’énergie spectrale de l’UV à l’IR.

On prévoit une durée de vie de cinq ans pour CASTOR, avec un lancement envisageable dès le milieu des années 2020, afin de maximiser la synergie avec les missions des télescopes JWST, Rubin, Euclid et Roman, et avec d’autres installations multilongueurs d’onde permettant de couvrir tout le spectre électromagnétique, des rayons gamma aux longueurs d’onde radio.

Profondeur des relevés d’imagerie à grand champ en fonction de la longueur d’onde. Les résultats sont présentés pour le relevé LSST de l’observatoire Rubin, le relevé Euclid (Wide), le relevé aux latitudes élevées du télescope spatial Roman (HLS) et le relevé principal de CASTOR. Les nombres sous chaque filtre indiquent la qualité de l’image (rayon EE50 ~ 0,6×FWHM) pour chaque relevé.