La NASA choisit le télescope PRIMA pour étudier l’Univers caché de l’infrarouge lointain

La NASA a sélectionné un nouveau télescope spatial conçu pour observer l’Univers dans l’infrarouge lointain, une gamme de longueurs d’onde que les observatoires existants ne peuvent pas détecter efficacement. Cette mission d’un milliard de dollars, baptisée PRIMA, sera développée et exploitée par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, géré par Caltech.

La mission Probe far-Infrared Mission for Astrophysics examinera des objets et des processus cachés aux télescopes opérant dans la lumière visible. L’IPAC de Caltech assurera la gestion du centre scientifique de la mission : il recevra et traitera les observations, conservera les données obtenues et coordonnera l’accès des astronomes à l’observatoire.

PRIMA vise à répondre à des questions sur la manière dont se forment les galaxies et les trous noirs supermassifs, dont apparaissent les étoiles et les systèmes planétaires, et dont les atmosphères planétaires acquièrent leur composition. Les scientifiques l’utiliseront également pour étudier l’origine de la poussière et des éléments lourds dans l’ensemble de l’Univers.

Une vision plus froide et plus précise

Le télescope et ses détecteurs seront refroidis à des centaines de degrés sous zéro. L’abaissement de leur température doit réduire les interférences liées à la chaleur, susceptibles de brouiller ou de submerger les faibles signaux provenant de sources cosmiques lointaines.

Selon la NASA, cette conception devrait rendre PRIMA bien plus sensible que les précédentes missions dans l’infrarouge lointain, tout en produisant des images exceptionnellement détaillées. L’observatoire couvrira des longueurs d’onde comprises entre 24 et 235 micromètres. L’extrémité la plus courte représente environ un tiers de l’épaisseur d’un cheveu humain ; les plus grandes longueurs d’onde équivalent à peu près à deux feuilles de papier empilées.

Un télescope de 1,8 mètre refroidi par cryogénie alimentera deux instruments principaux. PRIMAger utilisera l’imagerie polarimétrique pour couvrir de vastes zones du ciel, tandis que FIRESS fournira une spectroscopie haute résolution et multimode. Ensemble, ces instruments permettront aux chercheurs d’étudier à la fois la position des objets lointains et les informations physiques et chimiques encodées dans leur lumière.

Les cibles de la mission comprennent la naissance des étoiles et des systèmes planétaires, l’évolution des propriétés des galaxies au cours de l’histoire cosmique, les atmosphères des exoplanètes et les corps de notre propre système solaire. Nicky Fox, administratrice associée de la NASA, a décrit PRIMA comme une nouvelle manière d’étudier la formation des planètes, des étoiles et des trous noirs, ainsi que l’histoire de l’eau sur Terre.

Une nouvelle catégorie de mission

PRIMA sera la première mission d’astrophysique de la NASA appartenant à la catégorie des sondes. Cette catégorie a été recommandée par l’étude décennale Astro 2020, dirigée par la physicienne de Caltech Fiona Harrison. Les missions de la catégorie des sondes sont destinées à occuper l’espace entre les missions Explorer de plus petite taille, comme SPHEREx, et les grands observatoires phares, notamment le télescope spatial Nancy Grace Roman.

Le JPL supervisera l’architecture de la mission et l’ingénierie des systèmes, et intégrera le vaisseau spatial à sa charge utile scientifique. Caltech et le JPL ont participé à la conception et au développement technologique de PRIMA, en s’appuyant sur des décennies de travaux dans le domaine de l’astronomie infrarouge.

L’observatoire reposera sur des détecteurs supraconducteurs à inductance cinétique micro-onde, également appelés MKID ou KID. Le physicien de Caltech Jonas Zmuidzinas et l’ingénieur du JPL Rick LeDuc ont développé cette technologie en 1999. Selon l’université, les premiers travaux visant à utiliser des matériaux supraconducteurs pour détecter le rayonnement infrarouge lointain ont commencé de manière informelle dans un café près de Caltech.

Les détecteurs ont été testés en 2007 à l’observatoire submillimétrique de Caltech, aujourd’hui fermé, à Hawaii, puis ont été embarqués sur des instruments au sol et aéroportés par ballon. Au cours des cinq dernières années, des chercheurs de Caltech, du JPL et du Microdevices Laboratory du JPL ont travaillé à améliorer la sensibilité des matrices et à les rendre suffisamment robustes pour les vols spatiaux. Des matrices prototypes ont désormais démontré le niveau de maturité requis pour PRIMA.

Zmuidzinas a déclaré que le long développement de cette technologie avait créé une occasion d’accroître considérablement la sensibilité dans une partie relativement peu explorée du spectre. Caltech a indiqué que l’amélioration attendue pourrait être de l’ordre d’un millier de fois.

Des données pour l’ensemble de la communauté astronomique

L’IPAC contribuera à la planification de la mission, à la programmation des observations, à l’étalonnage et au traitement des données. Les observations du télescope seront conservées dans l’Infrared Science Archive, qui contient déjà les données de plus de 20 missions de la NASA.

Le centre s’appuiera sur l’expérience acquise lors de missions comme le télescope spatial Spitzer de la NASA, qui a fonctionné de 2003 à 2020, SPHEREx de la NASA et l’observatoire Herschel de l’Agence spatiale européenne. L’IPAC a également soutenu des observatoires terrestres, développant une expertise qui sera appliquée aux opérations de PRIMA.

Une fois l’observatoire pleinement opérationnel, environ 75 % de son temps d’observation devrait être attribué sur la base de propositions évaluées par les pairs et soumises par l’ensemble de la communauté scientifique. Près de 200 utilisations potentielles des données de PRIMA ont déjà été proposées par plus de 400 astronomes.

L’étude des flux moléculaires sortants des galaxies constitue l’un des domaines d’intérêt. Ces flux de matière peuvent accompagner des périodes de formation rapide d’étoiles ou l’activité du trou noir central d’une galaxie, et pourraient influencer la croissance des galaxies. Herschel a observé de tels flux sortants dans un nombre limité de galaxies proches ; PRIMA doit permettre d’étendre ce type de recherche à une période beaucoup plus vaste de l’histoire cosmique.