Nancy Grace Roman, le télescope spatial infrarouge de pointe

Le télescope spatial Nancy Grace Roman est le nouveau grand observatoire de la NASA, conçu pour compléter les capacités des télescopes spatiaux Hubble et James Webb et de la prochaine génération de grands télescopes terrestres comme l’Observatoire Vera Rubin. Anciennement nommé « Télescope d’étude infrarouge à grand champ » (WFIRST – Wide Field Infrared Survey Telescope), le télescope spatial Roman est le premier télescope à combiner les atouts des missions phares de la NASA (haut débit et imagerie haute résolution) avec les atouts des relevés au sol les plus puissants (large champ de vue).

Le nouveau nom du télescope rend hommage à Dr. Nancy Grace Roman (1925–2018), première astronome en chef de la NASA et l’une des architectes du programme scientifique moderne de l’agence, et souvent appelée « la mère de Hubble« . Elle a défendu les observatoires spatiaux capables d’étudier l’Univers au-dessus de l’atmosphère terrestre et de rendre leurs données largement accessibles. Connue comme la « mère » du télescope Hubble, elle a joué un rôle encore plus large en étant la force motrice du programme des Great Observatories (Hubble, Chandra, Spitzer).

Ses objectifs scientifiques principaux :

• Matière noire

Roman établira une carte 3D la plus complète de la distribution des galaxies et amas de galaxies, pour étudier comment la matière noire structure l’Univers. La matière visible (étoiles, galaxies, etc.) ne représente qu’environ 1/5 de la matière totale de l’Univers. Le reste est de la matière noire, détectable uniquement via ses effets gravitationnels. En mesurant la distorsion gravitationnelle faible (weak lensing), Roman suivra comment les petits amas de matière noire déforment les formes des galaxies lointaines. Ces mesures permettront de contraindre la nature des particules de matière noire (lourdes et lentes vs légères et rapides) et de guider les expériences de détection directe sur Terre.assets.science.nasa

• Énergie noire

L’expansion de l’Univers, au lieu de ralentir, accélère, sous l’effet d’une force inconnue appelée énergie noire, qui représente environ 68% du contenu total de l’Univers. Roman utilisera trois méthodes pour sonder l’énergie noire : la cartographie 3D de la matière (noire + normale) ou Weak lensing pour comprendre comment l’énergie noire et la gravité s’opposent, la détection de Supernovae de type Ia et d’oscillations acoustiques des baryons (BAO), vestiges d’ondes sonores dans l’Univers primordial, visibles dans la distribution des galaxies, pour mesurer comment l’expansion a évolué.

• Exoplanètes

Roman devrait découvrir environ 100 000 nouvelles exoplanètes, grâce à trois méthodes : le microlentillage gravitationnel, les transits et l’imagerie directe grâce àson coronographe.

Au-delà de ses objectifs principaux, Roman permettra d’étudier des planètes errantes (ou rogue planets), des trous noirs isolés, des séismes stellaires (« starquakes »), des nébuleuses, des disques de formation planétaire autour d’étoiles proches, etc.

Roman orbitera à environ 1,5 million de km de la Terre au point de Lagrange L2 Soleil-Terre, la même orbite que les télescopes James Webb ou Euclid. À L2, la gravité du Soleil et de la Terre, combinée au mouvement orbital, permet à Roman de rester aligné avec la Terre en utilisant peu de carburant. Cette position offre une stabilité optique exceptionnelle, une vue large et dégagée du ciel, une moindre influence thermique de la Terre, du Soleil et de la Lune, cruciale pour un télescope infrarouge.

La mission est prévue pour une mission primaire de 5 ans. l’observatoire a été conçu pour supporter une mission étendue de 5 ans supplémentaires. Le carburant devrait être la ressource limitante. Roman est conçu pour être ravitaillable, même si la NASA ne peut pas encore intervenir sur des observatoires à L2.

Un observatoire infrarouge évolué

Roman est un observatoire infrarouge conçu pour offrir des vues profondes, nettes et très étendues du ciel.

Il pèse environ 8 tonnes et mesure en confiugration déployée dans l’espace 12,7 m de long sur 4,4 m de large (soit la taille d’un bus).

L’ensemble du télescope optique est le cœur de l’observatoire. Il se compose d’un miroir primaire, conçu et construit chez L3Harris Technologies, au départ pour un programme milaire du National Reconnaissance Office, ainsi que de neuf miroirs supplémentaires, de structures de support et d’électronique.

Les grandes caractéristiques du miroir primaire :

• 2,4 m de diamètre, soit la même taille que celui de Hubble, mais moins du quart de sa masse (environ 186 kg contre ~2 400 kg pour Hubble), grâce aux avancées technologiques.
• Champ de vue au moins 100 fois plus grand que celui de Hubble, tout en conservant une résolution angulaire comparable.
• Conçu pour observer en infrarouge, traversant poussières et grandes distances pour étudier l’Univers sur de vastes échelles de temps et d’espace.

Deux instruments scientifiques principaux

La lumière collectée par le miroir primaire est dirigée vers deux instruments : le WFI et le Coronograph.

1. Wide Field Instrument (WFI) – la caméra grand champ

• Caméra infrarouge de 300 mégapixels, constituée de 18 détecteurs de ~16,8 millions de pixels chacun.
• Même résolution angulaire que Hubble mais un champ de vue au moins 100 fois plus grand.
• Chaque image couvre une zone du ciel plus grande que la taille apparente de la Lune pleine.
• Capable de collecter des données des centaines de fois plus vite que Hubble, pour un total estimé à 20 000 téraoctets (20 pétaoctets) sur les 5 ans de mission primaire.

2. Coronagraph Instrument

• Le coronographe est un instrument développé au Jet Propulsion Laboratory (JPL) pour démontrer de nouvelles technologies d’imagerie directe d’exoplanètes.
• Il bloque la lumière éblouissante des étoiles lointaines pour révéler la faible lumière des planètes en orbite. Le Coronographe vise à photographier les planètes et les disques poussiéreux autour des étoiles proches en lumière visible.
• Il cible des mondes géants, plus âgés, plus froids et sur des orbites plus proches que les « super-Jupiters » jeunes et chauds imagés jusqu’ici.
• Il est prévu une série d’observations planifiées sur 3 mois, répartis sur les 18 premiers mois de la mission, avec possibilité d’observations supplémentaires selon les retours de la communauté scientifique

Détecteurs, plan focal, panneaux solaires et bouclier thermique

Les détecteurs de Roman s’appuient sur l’héritage des capteurs infrarouges de Hubble et Webb, mais avec un plan focal beaucoup plus grand pour couvrir un champ très étendu.

Grâce à un jeu de trois miroirs aux courbures et inclinaisons ajustées, Roman focalise la lumière non pas au centre, mais sur un anneau autour du centre, là où sont placés les détecteurs du WFI et le coronographe. Cette architecture permet d’obtenir une netteté uniforme sur un très grand champ et d’utiliser les deux instruments en même temps.

Les panneaux solaires sont au nombre de 6. Les 2 panneaux centraux sont fixes, les 4 autres se déploient dans l’espace. Orientés face au Soleil pendant toute la mission, ils fourniront une alimentation électrique stable, et il participe à mettre à l’ombre une grande partie de l’observatoire et àmaintenir les instruments froids, condition essentielle pour un télescope infrarouge (la chaleur propre du satellite brouillerait les détecteurs). Un pare soleil, Lower Instrument Sun Shield, plus petit, complète ce système de refroidissement et de stabilisation thermique.

L’Agence Spatiale Européenne fournit les senseurs stellaires pour la navigation, les batteries, les détecteurs de l’instrument coronographe et un support aux communications via son réseau de stations terrestres dans l’espace lointain, notamment sa nouvelle antenne de 35 m à New Norcia en Australie.

Les trois relevés fondamentaux du télescope Roman

Durant ses 5 premières années, le télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA réalisera trois grands programmes d’observation, les Core Community Surveys (CCS). Définis par la communauté astronomique, ils occuperont la majeure partie du temps d’observation de Roman et répondront aux objectifs scientifiques centraux de la mission en cosmologie et en démographie des exoplanètes.

Contrairement à Hubble ou JWST, où les observations sont décidées cycle par cycle, les CCS de Roman ont été planifiés avant le lancement et s’étalent sur plusieurs années. Ils ont été conçus à partir de plus de 100 propositions scientifiques (« science pitches »), plus de 70 documents techniques (« white papers »), et 3 comités de définition supervisés par le ROTAC (Roman Observations Time Allocation Committee).

Toutes les données seront ouvertes dès leur acquisition, pour que l’ensemble de la communauté astronomique puisse en profiter.

Avec ces 3 programmes d’observation, le HLWAS s’attaquant à la cosmologie et à l’énergie noire, le HLTDS affinant l’histoire de l’expansion cosmique grâce aux supernovae Ia et aux transitoires et le GBTDS explorant la démographie des exoplanètes et la physique stellaire dans la Voie lacté, Roman devrait offrir une moisson de données pour l’ensemble de la communauté astronomique, des objets du Système solaire aux galaxies lointaines, en passant par les étoiles et les trous noirs de notre Galaxie.

En collaboration avec d’autres missions

Sur les 5 premières années, Roman imagera plus de 50 fois la surface couverte par Hubble en 30 ans. Hubble pourra faire du suivi ciblé (infrarouge, visible, UV) sur des objets intéressants repérés dans les panoramas de Roman.

De même, Roman va repérer des objets rares sur de grandes zones ; Webb les observera en détail. Ensemble, ils révéleront de nouvelles informations sur les galaxies primordiales, les trous noirs et les exoplanètes.

Euclid et Roman étudient tous deux l’énergie noire et la matière noire, mais avec des approches complémentaires. Euclid couvrira ~15 000 deg² (1/3 du ciel) en visible + infrarouge, avec moins de détail, jusqu’à 10 milliards d’années dans le passé. Le plus grand relevé de Roman couvrira ~5 100 deg² (12% du ciel), mais avec plus de profondeur et de précision, jusqu’à 2 milliards d’années après le Big Bang. Les zones se recoupent : les données de haute qualité de Roman permettront de corriger et d’étendre celles d’Euclid.

Selon la NASA, les scientifiques pourront combiner les données infrarouges de Roman avec les observations visibles de le télescope terrestre Rubin et ainsi « démêler » des objets que Rubin verra de manière floue. Les deux missions réaliseront des images répétées pour mesurer la luminosité des étoiles explosives, avec des vues visibles et infrarouges complémentaires.

Roman repérera des planètes similaires à celles du Système Solaire et démontrera des technologies pour photographier directement des exoplanètes de type Jupiter. Cela prépare la voie au futur Habitable Worlds Observatory, qui vise à photographier des planètes de type Terre et à chercher des biosignatures (oxygène, ozone, etc.).

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Le télescope spatial Roman a décollé avec succès le 30 août à 11h26 UTC à bord d’une Falcon Heavy.

Roman s’est séparé du lanceur après 31 minutes de vol. Les panneaux solaires et le pare-soleil se déploieront par la suite.

Dans les jours suivants, l’antenne et le couvercle d’ouverture déployable se déploieront, puis Roman subira une correction de trajectoire à mi-parcours et l’instrument Coronagraph s’allumera. Quelques semaines plus tard, l’instrument à champ large s’activera. Les deux instruments subiront une série d’étalonnages et de tests pendant le reste de la période de mise en service de 90 jours de Roman.

La publication des premières images est prévue d’ici début 2027.