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 vue, 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 la région ultraviolette (UV; c’est-à-dire à des longueurs d'onde inférieures à ~ 0,3 um), 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 WFIRST 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

À gauche: Image prise par GALEX de la galaxie spirale voisine M83, permettant de comparer le champ de vue instantané de CASTOR (encadré blanc pointillé) à celui de l'instrument WFC3 du Télescope spatial Hubble (carré rouge). En haut à droite : Agrandissement d'une région proche du centre de la galaxie extraite de l'image NUV de GALEX. En bas à gauche : La même région, mais vue par CASTOR, simulée à partir de l’image du TSH.

Les astronomes parlent parfois de la région UVOIR (« UV-Optical-IR ») – une partie du spectre électromagnétique qui s’étend de la limite de Lyman, à ~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. La région UVOIR a une signification particulière en astronomie, car elle 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.

 

Au cours de la prochaine décennie, une flotte de télescopes spatiaux (JWST, Euclid, WFIRST) ouvrira 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 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 d’un certain nombre de sous-systèmes dont la durée de vie est limitée, tels que des batteries et gyroscopes, il risque malheureusement 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 100 fois plus grande que celle du TSH, et ce, simultanément dans trois bandes spectrales, couvrant complètement le domaine UV/visible-bleu de 0,135 à 0,55 µm.

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:

Profondeur des relevés d'imagerie à grand champ en fonction de la longueur d'onde. Les résultats sont présentés pour les missions LSST, Euclid (Wide), WFIRST (HLS) et deux relevés possibles avec CASTOR. Les nombres sous chaque filtre indiquent la qualité de l'image (rayon EE50 ≈ 0,6×FWHM) pour chaque relevé.

  • 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 évènements 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 photoionisé dans les galaxies actives.

  • La découverte de nouveaux satellites, 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 LSST, Euclid et WFIRST, et avec d’autres installations multilongueurs d'onde permettant de couvrir tout le spectre électromagnétique, des rayons gamma aux longueurs d'onde radio.