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 maintenant le JWST remplissent à merveille cette mission, en attendant leurs successeurs Roman ou encore Athena.
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.
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.
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
Après plus de 25 ans de bons et loyaux services, et une dernière opération de maintenance en 2009, Hubble devrait pouvoir fonctionner jusqu’en 2030.
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, dont le lancement a eu lieu le 25 décembre 2021, va prendre la suite de Hubble dans le ciel mais n’est pas un HST nouvelle génération. En effet, contrairement à Hubble, il n’observe 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.
Phase d’intégration et de test du JWST à Redondo Beach (Californie). 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 n’est en effet pas en orbite autour de la Terre, mais occupe le point de Lagrange L2 à 1,5 millions de kilomètres de la Terre sur l’axe Terre-Soleil. Le JWST est le plus grand télescope astronomique jamais envoyé dans l’espace.
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 & Roman
Lancé en 2009, le télescope spatial Kepler de la Nasa était spécialement conçu pour détecter les exoplanètes similaires à la Terre. À l’achèvement de sa mission en octobre 2018, l’instrument a détecté 2 662 planètes, ensuite confirmées par d’autres observations. Cela représente plus de la moitié des exoplanètes découvertes à ce jour !
Kepler a tourné autour du Soleil et “suivait” notre planète sur son orbite à 150 millions de kilomètres. Comme Hubble, il observait dans le domaine des longueurs d’ondes visibles et proche infrarouge entre 430 nm et 890 nm.
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 mesurait ainsi 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.
Le télescope Kepler traque les exoplanètes similaires à la Terre, depuis son orbite héliocentrique, à 150 millions de kilomètres “derrière” notre planète. Crédit: Nasa
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 : les “super-Terres” ou “mini-Neptunes”. La mission a également découvert de nombreux systèmes multi-planétaires et a permis d’esquisser une statistique de la distribution des planètes par taille et orbite, malgré un biais observationnel sur les très petites planètes et celles à longue période orbitale.
A présent, la Nasa planche sur un nouveau projet de télescope qui aura lui aussi pour mission l’étude des exoplanètes. Le Nancy Grace Roman Space Telescope ou Roman (qui a d’abord été appelé WFIRST) doit être lancé en 2025 au point de Lagrange L2. Il aura pour objectif d’effectuer un recensement des exoplanètes situées dans le bulbe galactique, et d’identifier celles situées à proximité du Système solaire à l’aide d’un coronographe. Ce coronographe aura la capacité de masquer une étoile 100 millions de fois plus brillante que les planètes qui gravitent autour d’elle.
Le télescope spatial Roman sera lancé en 2025. Crédit : Nasa/WFIRST Project
Le télescope spatial Roman doit également s’intéresser à l’énergie noire, qui composerait 68 % de la densité d’énergie de l’Univers et dont la nature est aujourd’hui inconnue. Il aura aussi pour mission de cartographier la totalité du ciel dans l’infrarouge. Ses instruments devraient lui permettre de produire des images de la qualité de Hubble, tout en couvrant 100 fois plus de surface.
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.
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 2025.
Chandra, toujours opérationnel en 2022, 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 2031, d’étudier les phénomènes les plus violents et énergétiques de l’Univers.
Spitzer & Herschel
Le télescope américain Spitzer couvrait les domaines infrarouges proche, moyen et lointain. En observant l’Univers froid de 2003 à 2020, 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. Il est aujourd’hui hors service.
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 aobservé dans le domaine des micro-ondes de 2009 à 2013, 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.
Première lumière émise dans l’Univers et photographiée par Planck: le fonds diffus cosmologique (CMB). Crédit: Esa/Planck Collaboration
