Envisager la prochaine génération de télescopes spatiaux

Lors de la 241e réunion de l'American Astronomical Society (AAS) à Seattle en janvier, de nombreux astronomes ont célébré tout en se mettant au travail. La conférence, l'une des plus importantes dans le domaine, était la première depuis que le télescope spatial James Webb a officiellement lancé ses opérations scientifiques en juillet dernier après avoir terminé six mois de mise en service après le lancement.

Les célébrations sont venues de la performance de JWST. Après des décennies de développement et d'anticipation - et de nombreuses inquiétudes - les scientifiques du projet ont confirmé que le télescope spatial répondait aux attentes, et les dépassait souvent de loin.

"En gros, ce n'est rien d'autre qu'une bonne nouvelle", a déclaré Jane Rigby, scientifique du projet opérationnel pour JWST au Goddard Space Flight Center de la NASA, dans un discours qui a ouvert la conférence le 9 janvier. "C'est vraiment mieux que ce à quoi nous nous attendions dans tous les domaines." Cela va de la sensibilité de ses instruments à la durée de vie du JWST, qui devrait maintenant être d'au moins 20 ans en fonction de la quantité de propulseur à bord.

Les fruits scientifiques de ces capacités ont également été exposés lors de la conférence, alors que les astronomes ont discuté de la manière dont ils ont utilisé JWST pour étudier les galaxies de l'univers primitif et pour confirmer la découverte d'une exoplanète. Les astronomes ont assisté à une séance publique, autrefois utilisée pour fournir des mises à jour sur le développement de l'observatoire, pour apprendre à la place comment préparer des propositions pour la prochaine série d'observations JWST, appelée Cycle 2, qui débutera cet été.

Mais alors même que les astronomes faisaient un «tour de victoire», selon les mots d'un responsable de la NASA, à propos de JWST, certains regardaient au-delà de ce télescope spatial. Ils espéraient capitaliser sur le succès et l'enthousiasme entourant le JWST pour soutenir une future gamme de grands télescopes spatiaux et accélérer leur développement.

Présentation de l'Observatoire des Mondes Habitables

La dernière enquête décennale d'astrophysique, appelée Astro2020 et publiée en novembre 2021, a recommandé que la NASA poursuive le développement d'un télescope spatial de six mètres de diamètre qui fonctionne dans l'ultraviolet, le visible et le proche infrarouge. Le télescope, dont le coût est estimé à 11 milliards de dollars, serait lancé au début des années 2040.

Astro2020 est sorti alors que la NASA et les astronomes se concentraient sur le lancement imminent de JWST. Avec ce télescope spatial maintenant opérationnel, ils ont tourné leur attention vers la décennie et les prochaines étapes pour transformer ce concept en mission.

L'une des premières étapes a été de donner à ce télescope, sans nom dans l'enquête décennale, un surnom. L'automne dernier, la NASA a tranquillement commencé à désigner ce télescope comme «l'Observatoire des mondes habitables», en utilisant le terme dans les présentations et les témoignages du Congrès.

"Nous avons essentiellement dû commencer à utiliser quelque chose parce que nous avons eu beaucoup de discussions avec nos parties prenantes", a déclaré Mark Clampin, qui a pris la direction de la division astrophysique de la NASA en août dernier, lors d'une séance publique de l'agence lors de la conférence AAS.

La désignation – un nom de travail pour le moment – ​​est destinée à refléter la mission du télescope d'étudier les exoplanètes potentiellement habitables tout en servant également d'observatoire à usage général pour l'astrophysique, a-t-il expliqué. (C'était aussi, ont noté certains astronomes, une amélioration par rapport à la désignation que la NASA utilisait : IROUV, un acronyme pour infrarouge, optique et ultraviolet.)

Au-delà du nom, cependant, il y a peu de détails sur l'Observatoire des mondes habitables, y compris même une illustration théorique de celui-ci. Le télescope approuvé par Astro2020 n'était pas l'un des quatre concepts sur lesquels la NASA a financé des études ; il se situe plutôt entre le plus grand télescope LUVOIR, dont le miroir principal mesure entre 8 et 16 mètres de diamètre, et le plus petit HabEx, de quatre mètres de diamètre.

Cependant, Clampin a offert un aperçu de l'approche qu'il prévoyait d'adopter pour l'observatoire, proposant un ensemble de principes pour guider son développement qui, selon lui, expliqueraient «comment le construisons-nous et comment convainquons-nous les personnes qui vont être notre parties prenantes et nous permettre de le construire, que nous sachions ce que nous faisons », a-t-il déclaré.

D'abord et avant tout, a-t-il dit, il s'agissait de construire le télescope selon un calendrier fixe. La NASA fixerait une date de lancement pour la mission et en ferait une exigence de «niveau 1» aux côtés des exigences scientifiques, une approche qu'il a comparée aux missions planétaires avec des fenêtres de lancement limitées. "Nous mûrissons les technologies, puis nous fixons le calendrier", a-t-il déclaré. Cela, a-t-il soutenu, contribuerait à limiter son coût et permettrait à la NASA de passer plus rapidement à d'autres missions phares.

Lié à cela, un deuxième principe était de faire évoluer les technologies existantes et de limiter les investissements dans les toutes nouvelles qui sont beaucoup moins matures. Il a cité comme exemple la conception du miroir segmenté de JWST, qui, selon lui, serait probablement adoptée pour l'Observatoire des mondes habitables. Un instrument clé du télescope sera un coronographe qui bloque la lumière des étoiles, permettant des observations directes des exoplanètes en orbite autour de lui ; il sera basé sur celui construit pour le télescope spatial romain qui sera lancé plus tard cette décennie.

« Cela montre que nous sommes concentrés. Cela montre que nous nous appuyons sur les investissements de la NASA », a-t-il déclaré.

Un troisième principe est que la NASA concevra le télescope pour tirer parti des capacités des nouveaux grands lanceurs. Cela pourrait le rendre plus facile et moins coûteux à développer car il n'aurait pas besoin de se replier aussi étroitement pour s'adapter à quelque chose comme Starship ou le Space Launch System.

"Nous serions fous de ne pas les utiliser", a-t-il déclaré. "Les gros carénages sur les grosses fusées vous donnent de la flexibilité. Ils vous permettent de ne pas être limité par la masse ou le volume, qui sont tous deux de gros problèmes. Même avant la sortie d'Astro2020, les ingénieurs ont étudié comment des concepts comme le plus grand LUVOIR pourraient s'intégrer dans Starship ou SLS.

Les six principes de Clampin pour l'Observatoire des Mondes Habitables

1. Construire selon le calendrier	Fixez une date de lancement et faites-en une exigence de « niveau 1 » parallèlement aux exigences scientifiques.
2. Faire évoluer la technologie	Faites évoluer les technologies existantes et limitez les investissements dans les toutes nouvelles.
3. Fusées de nouvelle génération	Concevez le télescope pour tirer parti des grands nouveaux lanceurs comme Starship et SLS pour faciliter les échanges de masse et de volume.
4. Entretien planifié	Concevez-le pour qu'il soit desservi par des robots au point de Lagrange L2
5. Des marges solides	Concevez-le avec de grandes marges techniques et scientifiques.
6. Les technologies matures d'abord	Nouvelles technologies pleinement matures nécessaires pour l'observatoire avant de passer au développement.

Un quatrième principe est de concevoir un Observatoire des Mondes Habitables à desservir. "Il y a une véritable ruée vers l'or d'entreprises commerciales qui cherchent à faire de l'entretien robotique", a déclaré Clampin, dont la NASA peut profiter.

Cet entretien s'étendrait à la mise à niveau des instruments du télescope, permettant à la NASA de contourner certains des défis liés au calendrier et à la technologie auxquels la mission est confrontée. "Nous n'avons pas nécessairement à atteindre tous les objectifs scientifiques du premier coup", a-t-il déclaré.

Avoir des marges scientifiques solides était le cinquième principe décrit par Clampin, qui, selon lui, répond à une partie de l'incertitude quant à la réalisation des objectifs scientifiques. Parmi eux se trouve un chiffre appelé "eta Earth", ou le nombre moyen de planètes de la taille de la Terre dans la zone habitable d'une étoile, un facteur clé pour déterminer dans quelle mesure le télescope peut atteindre ses objectifs de caractérisation de ces planètes.

Les estimations d'eta Earth varient considérablement, a déclaré Jessie Christiansen, astronome à Caltech, lors d'une conférence à la conférence AAS. Cela affecte la conception du télescope : plus la Terre eta est petite, moins un télescope d'une certaine taille pourrait étudier de planètes. "Ce serait vraiment fabuleux pour beaucoup de personnes souffrant de tension artérielle de connaître un peu mieux ce chiffre", a-t-elle déclaré.

Une conception flexible de l'Observatoire des mondes habitables, a déclaré Clampin, pourrait également soulager cette pression. "Ne pas s'enfermer trop tôt dans une taille d'ouverture est fondamental", a-t-il déclaré, un autre argument en faveur de l'utilisation de miroirs segmentés qui peuvent être ajoutés ou supprimés au besoin dans la phase de conception.

Développement de la technologie de cartographie

Le dernier principe dont Clampin a discuté lors de la réunion de la mairie était de faire mûrir pleinement les nouvelles technologies nécessaires à l'observatoire avant de passer au développement. C'était une recommandation d'Astro2020, qui appelait la NASA à établir un programme de développement technologique pour l'Observatoire des mondes habitables et les futurs télescopes phares à rayons X et infrarouge lointain.

La NASA, en réponse, a établi l'année dernière un programme de maturation de la mission et de la technologie des grands observatoires, ou GOMAP. La première étape du programme, en grande partie pour mettre en place l'effort global, est terminée, a déclaré Julie Crooke, responsable du programme GOMAP au siège de la NASA, lors d'une réunion parallèle à la conférence AAS.

La NASA se prépare pour la deuxième étape de GOMAP, qui mènera une étude de maturation du concept pour l'Observatoire des mondes habitables. Cela examinera les diverses possibilités scientifiques, technologiques et architecturales du télescope. "Nous voulons vraiment examiner l'ensemble de l'espace d'options", a-t-elle déclaré.

Cette étude sera réalisée par une équipe indépendante de 20 à 30 scientifiques et ingénieurs, soutenue par des consultants indépendants ayant une expertise dans la modélisation des coûts et la planification. L'étude commencerait plus tard cette année et se poursuivrait jusqu'en septembre 2024.

La troisième étape de GOMAP, après l'achèvement de l'étude de maturation du concept, est ce que la NASA appelle une étude de "pré-phase A évoluée" pour l'Observatoire des mondes habitables. Cela affinera encore la conception du télescope et les technologies clés matures nécessaires pour que les travaux officiels sur la mission puissent commencer dès 2029.

La NASA souhaite avancer "le plus rapidement possible" dans les travaux de conception et de développement technologique de l'observatoire, a-t-elle déclaré, mais a averti que le calendrier qu'elle a présenté était théorique. "Cela dépend du financement que la NASA reçoit."

Répandre l'évangile des Nouveaux Grands Observatoires

Alors que GOMAP entre dans cette troisième étape, il examinera également les technologies nécessaires pour les futurs produits phares : le télescope à rayons X basé sur un concept appelé l'observatoire à rayons X Lynx étudié pour Astro2020, et un télescope infrarouge lointain basé sur un autre Astro2020. concept, le télescope spatial Origins.

"Nous avancerons aussi rapidement que possible pour l'Observatoire des mondes habitables tout en jetant les bases des autres futurs grands observatoires", a promis Crooke.

De nombreux astronomes se sont ralliés à un concept qu'ils appellent les nouveaux grands observatoires, qui comprend l'Observatoire des mondes habitables et les derniers télescopes à infrarouge lointain et à rayons X également approuvés par l'enquête décennale. Ils le comparent aux grands observatoires originaux de la NASA, qui comprenaient le télescope spatial Hubble, l'observatoire Compton Gamma-Ray, l'observatoire Chandra X-Ray et le télescope spatial Spitzer.

Tout comme les grands observatoires originaux fonctionnaient principalement en parallèle (Compton a été désorbité quelques années avant le lancement de Spitzer), les astronomes veulent que les trois nouveaux grands observatoires fonctionnent simultanément, leur permettant de travailler ensemble pour faire des percées dans des domaines comme la recherche d'exoplanètes habitables.

"L'habitabilité d'une planète donnée est affectée par le spectre des rayons X et de l'ultraviolet lointain et l'activité de son étoile", a déclaré Christiansen. "L'Observatoire des Mondes Habitables ne peut réussir sa mission que si nous avons également des capacités contemporaines de rayons X et d'ultraviolet lointain."

Elle a pris la parole lors d'un atelier lors de la conférence AAS où une foule debout seulement a entendu parler des perspectives d'accélération des travaux sur les nouveaux grands observatoires. Une coalition populaire a cherché à obtenir un soutien pour accélérer les travaux sur les télescopes, ce qu'elle a reconnu nécessiterait des augmentations de financement importantes pour les programmes d'astrophysique de la NASA.

Jason Tumlinson, astronome au Space Telescope Science Institute, a présenté quelques profils de financement lors de la réunion. Un profil permettrait à l'Observatoire des mondes habitables, d'un coût de 11 milliards de dollars, d'être lancé en 2041, suivi des télescopes à rayons X et infrarouge lointain en 2047 et 2051. (L'ordre de ces deux futures missions n'est pas important, pensent la plupart des astronomes. ) "C'est ce que nous voulons, mais ce n'est pas assez tôt", a-t-il déclaré.

Même cette évaluation était optimiste pour certains. "Si nous prenons la décennie en face, il convient de noter que le dernier des grands observatoires sera achevé et lancé en 2065", a estimé Jonathan Arenberg, architecte en chef de la mission d'exploration robotique scientifique chez Northrop Grumman. "Inutile de dire que c'est trop lent."

Un profil budgétaire alternatif proposé par Tumlinson permettrait à l'Observatoire des mondes habitables de se lancer en 2035, les deux autres suivant en 2040 et 2045. Le hic ? Il suppose que le budget astrophysique de la NASA, actuellement d'environ 1.5 milliard de dollars par an, passe à 2.5 milliards de dollars par an. "C'est un budget qui exécutera un programme que nous voulons tous, et cela peut être fait", a-t-il déclaré, notant que l'augmentation du budget est inférieure au budget annuel actuel pour la science planétaire à la NASA.

Arenberg, qui a travaillé sur Chandra et JWST, a vu des opportunités pour rendre la conception et la construction de ces télescopes plus efficaces. "Notre paradigme de développement actuel pourrait, au mieux, être décrit comme pré-industriel ou artisanal", a-t-il déclaré. Il a plaidé pour le développement des trois missions en un seul programme (et, vraisemblablement, avec un seul entrepreneur), en maximisant la réutilisation de la technologie et du personnel qui pourrait réduire les coûts et réduire les temps de développement.

L'un des organisateurs de l'atelier était Grant Tremblay, astronome au Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics et en quelque sorte un évangéliste des New Great Observatories. Au début de la réunion, il a décrit tous les facteurs qui vont à l'encontre du concept, des budgets limités et un regain d'intérêt pour les vols spatiaux habités à l'inflation et à l'instabilité géopolitique. Mais, a-t-il soutenu, tous ces défis existaient également dans les années 1980, lorsque les astronomes ont plaidé et finalement obtenu un financement pour les grands observatoires originaux.

Il espère que les récents succès de la NASA, notamment avec JWST, pourront donner une impulsion aux nouveaux grands observatoires. "Ce fut l'une des deux années les plus triomphales de l'histoire récente de la NASA", a-t-il déclaré. Ce que ces succès avaient en commun, a-t-il soutenu, ce sont des défenseurs qui se sont battus pour leurs projets dans les bons et les mauvais moments.

Les nouveaux grands observatoires auront besoin du même plaidoyer, a-t-il déclaré à la salle comble. « Cela fait trois décennies. Nous avons une longue route devant nous », a-t-il déclaré. « Nous ne poursuivons pas seulement un observatoire. Nous poursuivons une flotte, à commencer par l'Observatoire des Mondes Habitables.

Cet article a été initialement publié dans le numéro de février 2023 du magazine SpaceNews.

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• La source: https://spacenews.com/envisioning-the-next-generation-of-space-telescopes/