Les astronomes ont découvert plus de 5 000 planètes en dehors du système solaire à ce jour. La grande question est de savoir si l’une de ces planètes abrite la vie. Pour trouver la réponse, les astronomes auront probablement besoin de télescopes plus puissants que ceux qui existent aujourd’hui.
Je suis un astronome qui étudie l’astrobiologie et les planètes autour d’étoiles lointaines. Depuis sept ans, je codirige une équipe qui développe un nouveau type de télescope spatial capable de collecter cent fois plus de lumière que le télescope spatial James Webb, le plus grand télescope spatial jamais construit.
Presque tous les télescopes spatiaux, y compris Hubble et Webb, collectent la lumière à l’aide de miroirs. Notre télescope proposé, l’observatoire spatial Nautilus, remplacerait les grands miroirs lourds par une nouvelle lentille mince qui est beaucoup plus légère, moins chère et plus facile à produire que les télescopes à miroir. En raison de ces différences, il serait possible de lancer de nombreuses unités individuelles en orbite et de créer un puissant réseau de télescopes.
Les exoplanètes, comme TOI-700d montré dans la conception de cet artiste, sont des planètes au-delà de notre système solaire et sont des candidats de choix dans la recherche de la vie. Centre de vol spatial Goddard de la NASA
Le besoin de télescopes plus grands
Les exoplanètes – des planètes qui orbitent autour d’étoiles autres que le Soleil – sont des cibles de choix dans la recherche de la vie. Les astronomes doivent utiliser des télescopes spatiaux géants qui collectent d’énormes quantités de lumière pour étudier ces objets faibles et lointains.
Le télescope spatial James Webb est à peine capable de rechercher des exoplanètes à la recherche de signes de vie. Nasa
Les télescopes existants peuvent détecter des exoplanètes aussi petites que la Terre. Cependant, il faut beaucoup plus de sensibilité pour commencer à connaître la composition chimique de ces planètes. Même Webb est à peine assez puissant pour rechercher sur certaines exoplanètes des indices de vie, à savoir des gaz dans l’atmosphère.
Le télescope spatial James Webb a coûté plus de 8 milliards de dollars et sa construction a duré plus de 20 ans. Le prochain télescope phare ne devrait pas voler avant 2045 et son coût est estimé à 11 milliards de dollars. Ces projets de télescopes ambitieux sont toujours coûteux, laborieux et produisent un seul observatoire puissant mais très spécialisé.
Un nouveau type de télescope
En 2016, le géant de l’aérospatiale Northrop Grumman m’a invité avec 14 autres professeurs et scientifiques de la NASA – tous experts des exoplanètes et de la recherche de vie extraterrestre – à Los Angeles pour répondre à une question : à quoi ressembleront les télescopes spatiaux exoplanétaires dans 50 ans ?
Au cours de nos discussions, nous avons réalisé qu’un goulot d’étranglement majeur empêchant la construction de télescopes plus puissants est le défi de fabriquer des miroirs plus grands et de les mettre en orbite. Pour contourner ce goulot d’étranglement, quelques-uns d’entre nous ont eu l’idée de revisiter une ancienne technologie appelée lentilles diffractives.
Les lentilles diffractives, à gauche, sont beaucoup plus fines que les lentilles réfractives tout aussi puissantes, à droite. Pko/Wikimedia Commons
Les lentilles conventionnelles utilisent la réfraction pour focaliser la lumière. La réfraction se produit lorsque la lumière change de direction lorsqu’elle passe d’un milieu à un autre – c’est la raison pour laquelle la lumière se plie lorsqu’elle pénètre dans l’eau. En revanche, la diffraction se produit lorsque la lumière se courbe autour des coins et des obstacles. Un motif intelligemment agencé de marches et d’angles sur une surface de verre peut former une lentille diffractive.
Les premières lentilles de ce type ont été inventées par le scientifique français Augustin-Jean Fresnel en 1819 pour fournir des lentilles légères pour les phares. Aujourd’hui, des lentilles diffractives similaires peuvent être trouvées dans de nombreuses optiques grand public de petite taille – des objectifs de caméra aux casques de réalité virtuelle.
Les lentilles diffractives minces et simples sont connues pour leurs images floues, elles n’ont donc jamais été utilisées dans les observatoires astronomiques. Mais si vous pouviez améliorer leur clarté, l’utilisation de lentilles diffractives au lieu de miroirs ou de lentilles réfractives permettrait à un télescope spatial d’être beaucoup moins cher, plus léger et plus grand.
L’un des avantages des lentilles diffractives est qu’elles peuvent rester fines tout en augmentant de diamètre. Daniel Apai/Université de l’ArizonaCC BY-ND
Un objectif fin et haute résolution
Après la réunion, je suis retourné à l’Université de l’Arizona et j’ai décidé d’explorer si la technologie moderne pouvait produire des lentilles diffractives avec une meilleure qualité d’image. Heureusement pour moi, Thomas Milster – l’un des plus grands experts mondiaux de la conception de lentilles diffractives – travaille dans le bâtiment à côté du mien. Nous avons formé une équipe et nous nous sommes mis au travail.
Au cours des deux années suivantes, notre équipe a inventé un nouveau type de lentille diffractive qui nécessitait de nouvelles technologies de fabrication pour graver un motif complexe de minuscules rainures sur un morceau de verre transparent ou de plastique. Le motif et la forme spécifiques des coupes concentrent la lumière entrante sur un seul point derrière la lentille. La nouvelle conception produit une image de qualité presque parfaite, bien meilleure que les lentilles diffractives précédentes.
Une lentille diffractive plie la lumière en utilisant des gravures et des motifs sur sa surface. Daniel Apai/Université de l’ArizonaCC BY-ND
Parce que c’est la texture de surface de l’objectif qui fait la mise au point, pas l’épaisseur, vous pouvez facilement agrandir l’objectif tout en le gardant très fin et léger. Des lentilles plus grandes collectent plus de lumière et un faible poids signifie des lancements moins chers en orbite – deux caractéristiques intéressantes pour un télescope spatial.
En août 2018, notre équipe a produit le premier prototype, une lentille de 2 pouces (5 centimètres) de diamètre. Au cours des cinq années suivantes, nous avons encore amélioré la qualité de l’image et augmenté la taille. Nous terminons maintenant une lentille de 10 pouces (24 cm) de diamètre qui sera plus de 10 fois plus légère qu’une lentille de réfraction conventionnelle.
Puissance d’un télescope spatial à diffraction
Cette nouvelle conception de lentille permet de repenser la façon dont un télescope spatial pourrait être construit. En 2019, notre équipe a publié un concept appelé l’Observatoire spatial Nautilus.
En utilisant la nouvelle technologie, notre équipe pense qu’il est possible de construire une lentille de 29,5 pieds (8,5 mètres) de diamètre qui n’aurait qu’environ 0,2 pouce (0,5 cm) d’épaisseur. La lentille et la structure de support de notre nouveau télescope pourraient peser environ 1 100 livres (500 kilogrammes). C’est plus de trois fois plus léger qu’un miroir de style Webb de taille similaire et serait plus grand que le miroir de 21 pieds (6,5 mètres) de diamètre de Webb.
La lentille mince a permis à l’équipe de concevoir un télescope plus léger et moins cher, qu’ils ont nommé l’observatoire spatial Nautilus. Daniel Apai/Université de l’ArizonaCC BY-ND
Les lentilles ont aussi d’autres avantages. Premièrement, ils sont beaucoup plus faciles et rapides à fabriquer que les miroirs et peuvent être fabriqués en masse. Deuxièmement, les télescopes à base de lentilles fonctionnent bien même lorsqu’ils ne sont pas parfaitement alignés, ce qui rend ces télescopes plus faciles à assembler et à faire voler dans l’espace que les télescopes à base de miroirs, qui nécessitent un alignement extrêmement précis.
Enfin, comme une seule unité Nautilus serait légère et relativement peu coûteuse à produire, il serait possible d’en mettre des dizaines en orbite. Notre conception actuelle n’est en fait pas un télescope unique, mais une constellation de 35 unités de télescope individuelles.
Chaque télescope individuel serait un observatoire indépendant et très sensible capable de collecter plus de lumière que Webb. Mais la véritable puissance de Nautilus viendrait de tourner tous les télescopes individuels vers une seule cible.
En combinant les données de toutes les unités, la puissance de collecte de lumière de Nautilus équivaudrait à un télescope près de 10 fois plus grand que Webb. Avec ce puissant télescope, les astronomes pourraient rechercher des centaines d’exoplanètes à la recherche de gaz atmosphériques pouvant indiquer une vie extraterrestre.
Bien que l’observatoire spatial Nautilus soit encore loin du lancement, notre équipe a fait beaucoup de progrès. Nous avons montré que tous les aspects de la technologie fonctionnent dans des prototypes à petite échelle et nous nous concentrons maintenant sur la construction d’une lentille de 3,3 pieds (1 mètre) de diamètre. Nos prochaines étapes consistent à envoyer une petite version du télescope aux confins de l’espace sur un ballon à haute altitude.
Avec cela, nous serons prêts à proposer un nouveau télescope spatial révolutionnaire à la NASA et, espérons-le, à explorer des centaines de mondes à la recherche de signatures de vie.
Daniel Apai, doyen associé à la recherche et professeur d’astronomie et de sciences planétaires, Université d’Arizona
