Une nouvelle génération de télescopes explorera les « inconnues inconnues » qui pourraient transformer notre connaissance de l’univers

Au cours des dernières décennies, nous avons appris énormément de choses sur l’univers et son histoire. Le développement rapide de la technologie des télescopes, sur Terre comme dans l’espace , a joué un rôle clé dans ce processus, et ceux qui devraient commencer à fonctionner au cours des deux prochaines décennies devraient repousser encore plus loin les limites de notre compréhension de la cosmologie .

Tous les observatoires ont une liste d’objectifs scientifiques à atteindre avant de s’allumer, mais ce sont leurs découvertes inattendues qui peuvent avoir le plus d’impact. De nombreuses avancées surprenantes en cosmologie ont été réalisées grâce aux nouvelles technologies, et les télescopes suivants ont des capacités puissantes.

Il existe néanmoins des lacunes, comme le manque de télescopes spatiaux pour l’astronomie dans l’ultraviolet et dans la lumière visible. La politique et les intérêts nationaux ont ralenti le progrès scientifique. Les ceintures financières se resserrent même dans les observatoires les plus célèbres.

Cet article fait partie de notre série La cosmologie en crise ? qui révèle les plus grands problèmes auxquels sont confrontés les cosmologistes aujourd’hui – et discute des implications de leur résolution.

Les télescopes à réflexion comme l’ELT utilisent un miroir primaire pour collecter la lumière du ciel nocturne, puis la renvoient sur d’autres miroirs vers une caméra. Les miroirs plus grands collectent plus de lumière et voient des objets moins lumineux.

Un autre télescope terrestre en construction au Chili est le télescope Vera C. Rubin . La caméra de Rubin est la plus grande jamais construite : elle fait la taille d’une petite voiture et pèse environ trois tonnes. Ses 3 200 mégapixels photographieront l’ensemble du ciel tous les trois jours pour repérer les objets en mouvement. Au cours des dix prochaines années, ces photographies seront combinées pour former une vidéo accélérée géante de l’univers.

L’astronomie était autrefois un métier physiquement exigeant, nécessitant de se déplacer vers des télescopes éloignés dans des sites sombres – mais de nombreux astronomes ont commencé à travailler à domicile bien avant la COVID. À la fin du 20e siècle, les principaux observatoires terrestres ont commencé à mettre en place une technologie permettant aux astronomes de contrôler les télescopes pour les observations de nuit, même lorsqu’ils n’étaient pas présents en personne. L’observation à distance est désormais monnaie courante, réalisée via Internet.

Attendez-vous à l’inattendu

La vue d’un télescope terrestre est toutefois limitée, même s’il est situé au sommet d’une montagne. Le lancement de télescopes dans l’espace peut permettre de contourner ces limitations.

L’ histoire opérationnelle du télescope spatial Hubble a commencé lorsque la navette spatiale l’a soulevé au-dessus de l’atmosphère le 25 avril 1990. Hubble a reçu le traitement de science-fiction complet des années 1960 : une fusée pour le lancer, des gyroscopes pour le pointer et des caméras électroniques à la place des pellicules photographiques. Mais un projet a échoué : Hubble devait accueillir un astronaute-astronome itinérant, travaillant résolument loin de chez lui.

Le télescope Hubble a été conçu pour recenser la Voie lactée et les galaxies voisines. Son successeur, le télescope spatial James Webb , étudierait des galaxies encore plus lointaines .

Ces deux télescopes ont révolutionné notre compréhension de l’univers, mais d’une manière que personne n’avait anticipée. Les plans initiaux d’Hubble ne mentionnent aucune des découvertes aujourd’hui considérées comme ses plus grands succès : les panaches d’eau jaillissant d’Europe, la lune de Jupiter, le vortex autour des trous noirs , la matière noire invisible qui maintient l’univers en place et l’ énergie noire qui le déchire.

Webb, lancé le 25 décembre 2021, passe désormais un tiers de son temps à observer des planètes autour d’autres étoiles qui n’étaient même pas connues lors de sa conception.

L’objectif affiché d’un télescope coûteux n’est généralement qu’un argument de vente auprès des agences spatiales, des gouvernements et (chut…) des contribuables. Le télescope Webb devrait atteindre ses objectifs scientifiques initiaux , mais les astronomes ont toujours su que voir plus loin, plus précisément ou avec plus de couleurs pouvait accomplir bien plus. Les découvertes inattendues des télescopes sont souvent plus importantes que les objectifs scientifiques énoncés au départ.

Adopter une vision à long terme

Pour les scientifiques, c’est un soulagement de voir que les télescopes vont au-delà de leur mission, car Hubble et Webb ont tous deux mis plus de 25 ans à se lancer. Pendant ce temps, de nouvelles questions scientifiques se posent.

La construction d’un grand télescope spatial prend généralement environ deux décennies. Les télescopes spatiaux Chandra et XMM-Newton ont nécessité respectivement 23 et 15 ans de construction. Ils ont été conçus pour observer les rayons X provenant du gaz chaud autour des trous noirs et des amas de galaxies, et ont été lancés très près l’un de l’autre en 1999.

Ils ont été suivis par le satellite japonais à rayons X Hitomi , dont la construction a duré 18 ans , et par l’ instrument allemand eRosita sur l’observatoire spatial russe Spektr-RG , dont la construction a duré 20 ans .

Des délais similaires s’appliquent aux télescopes Hipparcos et Gaia de l’Agence spatiale européenne , qui ont cartographié toutes les étoiles de la Voie lactée. Les missions Cobe et Planck, qui ont étudié la rémanence de la lumière micro-onde du Big Bang, ont également duré deux décennies. Les dates précises dépendent de la façon dont on compte, et quelques exceptions ont été « plus rapides, meilleures et moins chères » , mais les agences spatiales nationales sont généralement réticentes au risque et lentes à développer ces projets.

Les télescopes spatiaux les plus récents sont donc des milléniaux. Ils ont été conçus à une époque où les astronomes mesuraient l’ expansion naissante de l’univers après le Big Bang, ainsi que son expansion accélérée à l’âge adulte . Leur principal objectif est désormais de combler ce vide, car, étonnamment, les interpolations des temps anciens aux temps récents ne se rencontrent pas au milieu.

Les mesures de la vitesse d’expansion de l’univers sont contradictoires, tout comme les résultats concernant l’ agrégation de matière dans le cosmos. Ces deux mesures remettent en cause nos théories sur l’évolution de l’univers.

L’observation du Moyen-Âge de l’Univers nécessite des télescopes fonctionnant à de grandes longueurs d’onde, car la lumière des galaxies lointaines est étirée au moment où elle nous parvient. Ainsi, Webb dispose de caméras à zoom infrarouge, tandis que le télescope spatial Euclid de l’Agence spatiale européenne , lancé en 2023, et le télescope Nancy Grace Roman de la Nasa , qui devrait être lancé en 2026, disposent tous deux de vues grand angle infrarouge.

Trois bus arrivent en même temps

La plupart des étoiles brillent dans des couleurs ultraviolettes et infrarouges qui sont bloquées par l’atmosphère terrestre, ainsi que par les couleurs que nos yeux ont évolué pour voir.

Les couleurs supplémentaires sont utiles. Par exemple, nous pouvons peser les étoiles de l’autre côté de notre galaxie, car les étoiles massives sont brillantes dans l’infrarouge , tandis que les plus petites sont faibles – et elles le restent tout au long de leur vie. Cependant, nous savons où naissent les étoiles, car seules les jeunes étoiles émettent de la lumière ultraviolette .

De plus, des mesures indépendantes d’un même objet sont essentielles pour une science rigoureuse. Les télescopes infrarouges, par exemple, peuvent fonctionner ensemble et ont déjà fait des découvertes surprenantes . Mais le fait que les télescopes spatiaux Webb, Euclid et Roman voient tous des couleurs infrarouges n’est pas très favorable à la diversité.

La politique terrestre est également un obstacle. Il est peu probable que les données du télescope spatial chinois de classe Hubble, Xuntian , soient partagées à l’échelle internationale. Et en signe de protestation contre l’invasion de l’Ukraine par la Russie, l’Allemagne a éteint en février 2022 son instrument à rayons X eRosita qui fonctionnait parfaitement, en collaboration avec la Russie, à un million de kilomètres de la Terre.

Des lancements commerciaux à bas prix pourraient sauver la mise. Euclid devait décoller à bord d’une fusée russe Soyouz depuis un port spatial de l’Agence spatiale européenne en Guyane française. Lorsque la Russie a mis fin à ses opérations dans ce pays en représailles, le lancement d’Euclid a été transféré avec succès à la dernière minute vers une fusée Falcon 9 de SpaceX.

Si de grands télescopes peuvent également être repliés à l’intérieur de satellites « Cubesat » de la taille d’une boîte à chaussures , leur coût moindre permettrait de les faire échouer. La tolérance au risque crée un cercle vertueux qui rend les missions encore moins coûteuses.

Des télescopes sont également testés dans des lieux innovants, comme des ballons géants à hélium ou des avions . Un jour, ils pourraient aussi être déployés sur la Lune , où l’environnement est propice à certains types d’astronomie.

Mais la technologie la plus inhabituelle, celle qui pourrait apporter les découvertes les plus inattendues, est peut-être celle des détecteurs d’ondes gravitationnelles. Les ondes gravitationnelles ne font pas partie du spectre électromagnétique et nous ne pouvons donc pas les voir. Il s’agit de distorsions, ou « ondulations », de l’espace-temps provoquées par certains des processus les plus violents et les plus énergétiques de l’univers. Il peut s’agir d’une collision entre deux étoiles à neutrons (des objets denses formés lorsque des étoiles massives manquent de carburant) ou d’une étoile à neutrons fusionnant avec un trou noir.

Si les télescopes sont nos yeux, les détecteurs d’ondes gravitationnelles sont nos oreilles . Mais encore une fois, les détecteurs d’ondes gravitationnelles actuels sur Terre ne sont que des essais préliminaires à ceux que les astronomes déploieront finalement dans l’espace .

Quand on me demande ce que la prochaine génération d’observatoires va découvrir, je n’en ai aucune idée. Et c’est une bonne chose. Les meilleures expériences scientifiques ne devraient pas seulement nous renseigner sur les choses que nous nous attendons à trouver, mais aussi sur les inconnues inconnues.

Richard Massey

Professeur d’astrophysique extragalactique (matière noire et cosmologie), Université de Durham