Rayons gamma, X, UV… L’atmosphère terrestre nous protège des ondes électromagnétiques dangereuses. Mais elle empêche aussi les télescopes au sol de travailler dans ces longueurs d’ondes, et elle perturbe les observations dans le visible. La solution? Placer les instruments en orbite pour capter directement la lumière venue de l’espace. Hubble, Herschel et leurs compagnons remplissent à merveille cette mission, en attendant leurs successeurs, le JWST, WFIRST ou encore Athena.

La nébuleuse de l'Aigle vue par Hubble en avril 2015. La nébuleuse, gaz et poussières gris foncé, sont visibles devant un fonds très étoilé.

Les “Piliers de la création”, région centrale de la nébuleuse de l’Aigle, vus par Hubble. Crédit: Nasa/Esa/The Hubble Heritage Team/STScl/AURA

Hubble

Comment parler des télescopes spatiaux sans commencer par Hubble? Depuis 1990, l’instrument en orbite à 590 km d’altitude nous offre les plus belles et spectaculaires images du cosmos. Développé par la Nasa et l’Esa, le Hubble Space Telescope (HST) observe dans le domaine des longueurs d’ondes visibles, l’ultraviolet et le proche infrarouge, entre 10 nm et 2500 nm (voir la fin de notre dossier Les grands observatoires terrestres).

Le télescope du nom de l’astronome Edwin Hubble, qui démontra en 1924 que notre galaxie n’est pas unique, ainsi que l’expansion de l’Univers, a permis des découvertes fondamentales. Il a par exemple obtenu la première image nette des abords d’un trou noir supermassif au centre d’une galaxie.

Première image d’un trou noir prise par Hubble en novembre 1992, dans le centre de la galaxie NGC 4261 à 45 millions d’années lumières de la Terre. L'image légèrement pixelisée est dans les tons jaune/orangé.

Hubble a capté la première image d’un trou noir en novembre 1992, dans le centre de la galaxie NGC 4261 à 45 millions d’années lumières de la Terre. Crédit: Jaffe/Leiden Observatory/Holland/Ford/JHU/STScI/Nasa

Le télescope au miroir de 2,4 mètres de diamètre a également permis de mesurer le taux d’expansion de l’Univers, à 70 km/s/Mpc (1 pc = 1 parsec). Grâce au HST, nous savons que les sursauts gamma, ces flashs de lumière qui apparaissent de manière aléatoire dans le ciel, résultent en fait de l’effondrement gravitationnel ou de l’explosion d’étoiles géantes dans d’autres galaxies. Hubble a également été un des pionniers dans l’étude des exoplanètes, avec sa mesure dès 2002 de la présence d’hydrogène, d’oxygène et de carbone dans l’atmosphère de l’exoplanète Osiris. Située à 154 années-lumière de nous, Osiris est la première exoplanète dont l’atmosphère a été détectée.

Par ailleurs, avec ses clichés en champ profond montrant des milliers les galaxies, le télescope spatial a fourni un aperçu sans précédent de la structure de l’univers.

Blabla

Plus de 10 000 galaxies sont visibles sur cette vue en “Hubble Ultra Deep Field”: certaines sont observées telles qu’elles étaient lorsque l’Univers n’était âgé que de 400 millions d’années… Crédit: Nasa/Esa/Beckwith/STSc/HUDF/Team

Enfin, n’oublions pas de mentionner l’image mosaïque la plus détaillée et résolue jamais réalisée de la galaxie d’Andromède. Diffusée par la Nasa en 2015, elle a nécessité 16 jours complets de temps d’exposition – répartis sur trois ans – et pas moins de 600 écrans HD seraient nécessaires pour l’afficher toute entière!

La galaxie d’Andromède, localisée à 2,9 millions d’années-lumière du Système solaire, vue comme jamais par Hubble sur cette image de 3,9 milliards de pixels. Crédit: Hubble/Nasa

Mais après plus de 25 ans de bons et loyaux services, et une dernière opération de maintenance en 2009, Hubble sera inéluctablement désorbité dans la prochaine décennie. La Nasa a cependant annoncé en juin 2016 le prolongement de la mission pour au moins cinq ans, notamment en raison du retard pris dans la fabrication du James Webb Space Telescope (JWST), son successeur.

Impressionante image de la nébuleuse du Lagon prise par Hubble pour son 28e anniversaire. Couleurs : turquoise, rouge et noir.

La nébuleuse de la Lagune à 4100 années-lumière, vue par Hubble à l’occasion de son 28e anniversaire en février 2018. Crédit: Nasa/ESA/STScI

James Webb Space Telescope

Le James Webb Telescope, qui devrait prendre la suite de Hubble dans le ciel en 2021, ne sera pas un HST nouvelle génération. En effet, contrairement à Hubble, il n’observera pas le spectre lumineux de l’ultraviolet au proche-infrarouge, mais a été conçu pour se focaliser entre l’orange visible et l’infrarouge moyen, de 600 nm à 28 000 nm. Cette plage, quasi-impossible à observer depuis le sol, va permettre d’étudier les objets les plus éloignés et donc les plus anciens du Système solaire.

Le JWST en salle blanche en Californie. Il est suspendu en l'air au-dessus des ingénieurs en blouse blanche qui participent à son test et à son intégration.

La phase d’intégration et de test du JWST va se poursuivre à Redondo Beach en Californie, jusqu’au lancement prévu en 2020 depuis Kourou. Crédit: Nasa/Chris Gunn

Doté d’un miroir primaire de 6,5 mètres de diamètre, le JWST doit nous aider à mieux comprendre l’origine de l’Univers, depuis sa position au deuxième point de Lagrange. Le télescope spatial ne sera en effet pas en orbite autour de la Terre, mais occupera le point de Lagrange L2 à 1,5 millions de kilomètres de la Terre sur l’axe Terre-Soleil.

NB: les points de Lagrange L1 et L2 sont des équilibres instables. On n’y trouve aucun corps naturel et un équilibre dynamique peut y être maintenu pour une consommation de carburant raisonnable, car le champ gravitationnel y est faible. Ainsi, ces points sont très utilisés dans le cadre de missions spatiales, et notamment L2 pour les missions qui embarquent des instruments ultra-sensibles devant être détournés de la Terre et de la Lune, et fonctionnant à très basse température. L2 est déjà occupé par les satellites Herschel, Planck, WMAP et Gaia. 

Kepler

Lancé en 2009, le télescope spatial Kepler de la Nasa est spécialement conçu pour détecter les exoplanètes similaires à la Terre. Il tourne autour du Soleil et “suit” notre planète sur son orbite à 150 millions de kilomètres. Comme Hubble, Kepler observe dans le domaine des longueurs d’ondes visibles et proche infrarouge, entre 430 nm et 890 nm. Il doit déterminer la proportion d’exoplanètes de taille proche de celle de la Terre et se trouvant dans la zone habitable de leur étoile (ni trop proche, ni trop éloigné) dans la zone de la Voie lactée définie par sa mission.

Image montrant le télescope spatial Kepler, sur son orbite héliocentrique, à 150 millions de kilomètres derrière la Terre.

Le télescope Kepler traque les exoplanètes similaires à la Terre, depuis son orbite héliocentrique, à 150 millions de kilomètres “derrière” notre planète. Crédit: Nasa

Lorsque une exoplanète passe devant son étoile, plus précisément entre son étoile et la Terre, la luminosité de l’étoile change pour l’observateur terrestre. Kepler mesure cette variation de luminosité, qui doit se reproduire de manière régulière s’il s’agit bien d’une planète en orbite autour de son soleil. Grâce à cette “méthode des transits”, le télescope spatial a déjà découvert près de 2600 exoplanètes.

Kepler a confirmé que la majorité des étoiles disposait d’au moins une planète, et mis en évidence la forte proportion des astres de taille comprise entre celle de la Terre et celle de Neptune. Malheureusement, depuis la panne en 2013 de sa deuxième roue à réaction, le télescope n’est plus capable de pointer en permanence la zone du ciel définie par sa mission initiale. Il doit changer d’orientation tous les trois mois, ce qui ne lui permet d’étudier que les planètes à la période orbitale courte. Les petits propulseurs qui permettent ces opérations consommant ses dernières onces de carburant, Kepler devrait cesser de fonctionner au plus tard en 2019.

Parallèlement, la Nasa planche sur un nouveau projet de télescope qui aura lui aussi pour mission l’étude des exoplanètes, ainsi que celle de l’énergie noire, qui composerait 68% de la densité d’énergie de l’Univers et dont la nature est aujourd’hui inconnue. Le Wide Field Infrared Survey Telescope, ou WFIRST, doit être lancé dans le milieu des années 2020.

XMM-Newton & Chandra

Les observatoires européen XMM-Newton et américain Chandra, ont révolutionné l’astronomie dans le domaine des rayons X. Depuis leur lancement en 1999, les deux télescopes conçus pour détecter les émissions X (entre 0,001 nm et 10 nm) issues de régions très chaudes de l’Univers, sont à l’origine de plusieurs centaines d’articles scientifiques.

Nébuleuse du croissant en expansion vue dans les tons violet et jaunes, rayonnement X par le télescope européen XMM-Newton.

Structure détaillée de la nébuleuse du Croissant à 5000 années-lumière de nous, vue par XMM-Newton. Crédit: Esa/XMM-Newton/Toala/Goldman

Le X-ray Multi-Mirror Newton (XMM-Newton) étudie la formation des étoiles et des amas de galaxies. Il a révélé un Univers peuplé de sources X, certainement des noyaux de galaxies actives, c’est-à-dire des trous noirs supermassifs qui accrètent la matière environnante. Grâce à lui, la physique des parties internes des disques d’accrétion autour des trous noirs est mieux comprise. Enfin, il contribue à mieux cerner la distribution de la matière noire dans l’Univers. La mission de XMM-Newton doit s’achever fin 2020.

Chandra a quant à lui fourni d’impressionnantes images d’explosions de supernovae et observe la région qui entoure le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. Le télescope de la Nasa a également analysé la séparation entre matière noire et matière conventionnelle lors de la collision de galaxies dans un cluster et ses données sont utilisées dans les recherches sur la matière noire et l’énergie noire.

Le film ci-dessous, réalisé sur sept mois par Chandra, montre l’expansion d’un anneau de rayons X autour du pulsar central (point blanc) de la Nébuleuse du Crabe. Cette étoile à neutrons qui tourne sur elle-même environ 30 fois par seconde, résulte de l’explosion d’une supernova.

Par ailleurs, l’Esa et la Jaxa – agence spatiale japonaise – s’activent actuellement à la préparation du prochain grand observatoire spatial en rayons X. Nommé Athena, pour Advanced telescope for high energy astrophysics, il est la seconde grande mission du programme Cosmic Vision de l’agence spatiale européenne, et permettra lui aussi dès son lancement en 2028, d’étudier les phénomènes les plus violents et énergétiques de l’Univers.

Spitzer & Herschel

Le télescope américain Spitzer couvre les domaines infrarouges proche, moyen et lointain. En observant l’Univers froid depuis 2003, il a permis aux scientifiques d’assister pour la première fois au processus de formation des planètes, d’étudier les naines brunes, les nuages interstellaires froids ou encore l’atmosphère des étoiles.

Le stock d’hélium qui refroidit ses instruments étant épuisé, seule sa caméra dans l’infrarouge proche et moyen fonctionne. Spitzer devrait donc continuer à travailler dans cette phase chaude jusqu’en 2020, afin de cartographier les sources infrarouges dans de larges portions du ciel ou d’effectuer des observations de longue durée sur des objets ponctuels.

Image combinée de Spitzer et Hubble, de deux galaxies en interaction: NGC 2336 "le pingouin" et NGC 2937 "l'oeuf". L'oeuf en bas de l'image dans les tons bleu brillant, est surplombé par un pingouin rose et turquoise, tordu comme s'il le couvait.

Image combinée de Spitzer et Hubble, de deux galaxies qui se rapprochent: NGC 2336 “le pingouin” et NGC 2937 “l’oeuf”. Crédit: Nasa/Spitzer/Hubble

Développé par l’Esa, Herschel a observé le ciel dans des longueurs d’ondes encore plus élevées que Spitzer dans l’infrarouge lointain de 2009 à 2013. Le télescope au miroir de 3,5 mètres de diamètre a entièrement rempli ses objectifs en amassant plus de 25 000 heures d’observation. Il a découvert cinq galaxies et permis de mieux comprendre l’évolution des cycles de vie des étoiles et des galaxies.

Planck

Enfin, le télescope spatial européen Planck, qui observait dans le domaine des micro-ondes, a réalisé l’exploit de photographier l’Univers tel qu’il était 380 000 ans après le Big Bang, il y a 13,8 milliards d’années!

L’instrument a ainsi cartographié pendant quatre ans les infimes variations de température du fonds diffus cosmologique (CMB), qui correspondent à de très petites fluctuations en densité. Cette première lumière de l’Univers captée par Planck contient les structures embryonnaires des étoiles et galaxies actuelles.

Le fonds diffus cosmologique sondé par le satellite Planck. Couleurs jaune, bleu et rouge mélangées tel du pointillisme, sur toute la surface du ciel (ovale allongé).

Première lumière émise dans l’Univers et photographiée par Planck: le fonds diffus cosmologique (CMB). Crédit: Esa/Planck Collaboration


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