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40 ans d'astrophysique spatiale au CEA

Il y a 40 ans, un instrument du CEA, embarqué à bord d’un ballon stratosphérique, enregistrait pour la première fois en Europe de la lumière cosmique de haute énergie (rayons X), lumière qui est arrêtée par l’atmosphère terrestre. C’est le début d'une longue aventure de recherche, qui n'est pas prête de se terminer, puisque 95% de l’Univers reste inconnu.

La galaxie AndromèdeL’astrophysique spatiale est une branche de l'astronomie qui étudie la nature des corps célestes (galaxies, étoiles…), leur formation et les lois physiques qui régissent leur évolution.
© NASA/ESA

L’astrophysique vise à comprendre l’histoire de l’Univers et son devenir en étudiant la formation et l’évolution de ses composants (étoiles, planètes, galaxies, amas de galaxies). Pour cela elle se sert d’instruments de plus en plus perfectionnés et s’appuie sur la physique pour l’interprétation des observations. En même temps, l’étude du cosmos, où l’on trouve les conditions les plus extrêmes, permet de tester les limites de la physique actuelle. Contrairement au physicien travaillant dans son laboratoire, un astrophysicien ne peut pas provoquer les phénomènes qu'il veut étudier et il n'accède qu'indirectement à l'objet de ses études. Comment ? En poursuivant inlassablement les plus infimes traces que tout objet (étoiles, planètes, etc.) ou évènement (explosion d'étoiles, passage de comètes), laisse dans l’Univers.

Ces traces sont des rayonnements qui se situent à des millions ou des milliards d’années-lumière et mettent parfois des millions ou des milliards d’années-lumière pour nous parvenir. Pour les détecter, les chercheurs ont besoin d’outils hors normes, de haute technologie et d’une sensibilité inégalée. C’est ainsi que l’astrophysique est une science récente née avec les progrès de la physique contemporaine. "Pourtant, explique Pierre-Olivier Lagage, chef du Service d’Astrophysique (le SAp), du CEA (Commissariat à l’énergie atomique) si l’astrophysique est aujourd’hui une affaire mêlant intimement sciences et techniques, c’est aussi et surtout l’une des voix pour répondre aux grandes interrogations de l’homme dont, bien sur, celles qui ont trait au mystère de nos origines. Savez-vous que 95 % de l’Univers est d’une nature totalement inconnue ? C’est l’une des découvertes récentes, et un grand domaine de recherche pour l’avenir."

Presque tous les corps célestes émettent des rayonnements électromagnétiques. La lumière visible est l’un de ces rayonnements. Il en existe beaucoup d’autres (rayonnement radio, infrarouge, ultra-violet, rayons X et gamma), invisibles à l’œil nu mais mesurables avec des détecteurs spécifiquement conçus. Ces rayonnements ne pénètrent pas tous de la même manière dans l’atmosphère. C’est pour cela que certaines mesures ne sont possibles que lorsque les détecteurs de lumière sont positionnés dans l’espace. L’astrophysique devient alors spatiale.

Notre connaissance de l’Univers est encore bien imparfaite. On estime qu’il est né il y a 13,7 milliards d'années, lors d'une explosion initiale : le Big Bang. Depuis cet événement, l'Univers serait en expansion continue. Mais selon certains chercheurs, depuis 5 milliards d'années cette expansion s’accélérerait de plus en plus ! Qu’est ce que cela signifie ? "On ne le sait pas encore, mais c’est pour répondre à ce type de question, commente Pierre-Olivier Lagage, que le CEA conçoit des instruments qui partiront dans l’espace dans une dizaine d’années."

01.Une mission spatiale : un projet sur plus de 20 ans

Satellite SOHOLa sonde spatiale SOHO (SOlar and Heliospheric Observatory) a pour objectif d'étudier la structure interne du Soleil, la chaleur de son atmosphère, les origines du vent solaire. Elle est le fruit d’une collaboration entre l’ESA et la NASA. Elle a été lancée le 2 décembre 1995 et fonctionne depuis février 1996 ; sa mission est prolongée jusqu’en 2007.
© ESA
Une mission spatiale compte de nombreuses étapes planifiées sur une vingtaine d’années : définition des objectifs scientifiques, montage du projet avec les partenaires, conception et réalisation d’instruments, tests dans des conditions se rapprochant progressivement de l’environnement spatial, étalonnage et enfin lancement du satellite ou de la sonde. Et lorsque les données parviennent aux laboratoires des chercheurs, il faut encore les exploiter ! Les équipes d’astrophysique travaillent donc dans la durée et intègrent des compétences variées. Les ingénieurs et les techniciens sont chargés de la partie instrumentation. Ils conçoivent et fabriquent des outils aussi différents que des détecteurs, des caméras, ou des télescopes. Puis les observations sont décryptées, comparées à des résultats précédents et modélisées par les chercheurs, tandis que les théoriciens cherchent à leur donner du sens et de la cohérence. Cette union des compétences est indispensable à la réussite des projets “Dans le service que je dirige, précise P-O Lagage, 150 personnes travaillent pour moitié dans l’instrumentation et pour moitié dans l’observation et l’interprétation ; il y a en plus une trentaine d’ingénieurs et techniciens d’autres services du DAPNIA, département de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers, qui travaillent pour des projets d’astrophysique. Nos statuts ne font pas de distinction entre les différentes spécialités, et permettent à chacun de trouver sa place.”

Les lancements de satellites et les programmes spatiaux sont des opérations sensibles, pilotées par des agences mises en place par les gouvernements : le Centre National d'Études Spatiales (CNES) en France, Inter-Kosmos en Russie, la NASA (National American Space Agency - agence spatiale nationale américaine) aux Etats-Unis, la China Aerospace Science and Technology Corporation en Chine. Cependant les coûts et les enjeux scientifiques des projets d’astrophysique nécessitent presque toujours que plusieurs pays joignent leurs forces. En Europe, ces collaborations internationales sont dirigées par l’Agence Spatiale Européenne (ESA – European Space Agency), qui peut elle-même travailler avec la NASA ou toute autre agence spatiale. "Le prix d’un micro-satellite du CNES est d’environ 25 millions d’euros, et le prochain projet de grand télescope dans l’espace, le JWST qui remplacera le Hubble Space Telescope actuellement en opération, coûtera plus de 3 milliards d'euros, explique P-O Lagage. C’est pour cette raison que nous coopérons au niveau international. C’est une fusée russe Proton qui a lancé en 2002 le satellite Integral (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory – observatoire international du rayonnement gamma), un observatoire européen chargé de dresser une carte plus précise de notre Galaxie, en explorant les sites célestes qui émettent dans la bande spectrale des rayons gamma de basse énergie. Le projet de microsatellite Eclairs, qui nous permettra d’observer la mort des premières étoiles de l’Univers, est une collaboration avec la Chine. L’astrophysique demande des crédits importants, mais le budget spatial de l’Europe est six à sept fois plus faible que celui des USA.”

Presque tous les observatoires spatiaux sont ouverts à la communauté scientifique internationale. Les temps d’observation sont alloués à des équipes de recherche après évaluation des projets par des comités de spécialistes.

02.Depuis 40 ans, donner à voir l'invisible

Fusée VéroniqueVue d’une fusée Véronique (VERnon-éléctroNIQUE), génération AGI développée pour l’année géophysique internationale de 1957/58). Elle est posée sur sa table de lancement au Centre Interarmées d'Expérimentation des Engins Spéciaux (CIEES). Photo prise lors de la campagne de lancement de mars 1959.
© CNES
L’astrophysique n’a pas attendu l’avènement de l’ère spatiale pour détecter des signaux provenant de l’espace, mais c’est la possibilité de spatialiser des instruments de mesure, c’est-à-dire de les placer dans des satellites ou des sondes, qui a permis d’obtenir de nouveaux résultats qui ont fait évoluer non seulement nos connaissances mais aussi notre conception de l’Univers.

Le 21 mai 1965, un instrument français enregistre pour la première fois un rayon X d’origine cosmique à bord d’un ballon stratosphérique volant à près de quarante kilomètres d’altitude. Cet instrument appartient au CEA, dont c’est le premier acte d’astrophysique spatiale. La spatialisation des technologies dans un environnement "hostile" (terme utilisé par les astrophysiciens pour désigner les conditions particulières régnant dans l'espace) devient une des spécialités du Service d’Astrophysique du CEA (SAp).

Différents instruments seront mis au point par le SAp, seul ou en coopération (française ou étrangère), pour détecter et analyser toutes sortes de rayons invisibles : particules cosmiques, rayons X, rayons gamma, etc.

À la fin des années 60, les Français sont parmi les premiers à placer des instruments scientifiques sur des petites fusées sondes : les fusées "Véronique" permettront de prendre des mesures dans la haute atmosphère (à plus de 150 km d'altitude), et d’étudier les rayons X cosmiques de basse énergie. En 1968, une fusée Véronique enregistre - pendant les quelques 200 secondes de vol à une altitude de 160 km - 25000 rayons X. Ils proviennent d’une seule source : le pulsar du Crabe. Les pulsars, des étoiles denses à rotation rapide, ont été découverts en 1967. L’expérience permet de calculer le rythme de rotation du pulsar du Crabe, qui est de 30 tours par seconde. C’est une première mondiale. Par la suite, on découvrira que les pulsars sont parmi les rares sources de rayons gamma de notre Galaxie.

Télescope SigmaVue d’artiste du télescope Sigma (Système d’Imagerie Gamma à Masque Aléatoire). Ce télescope français a été embarqué à bord du satellite russe Granat, lancé le 1er décembre 1989, pour l’étude des sources célestes de rayonnement gamma. Il a fonctionné de mars 1990 à novembre 1998.
© Mediatec/CNES
Pour détecter les rayons gamma, les premiers instruments utilisent des "chambres à étincelles optique", un dispositif expérimental qui détecte les particules créées par le photon gamma dans le détecteur et visualise leur passage par des étincelles. En 1972, le SAp lance pour la première fois au monde une chambre à étincelles optique dans l'espace à bord de TD1, premier satellite d'astronomie de l'agence spatiale européenne.

En 1975, le lancement du satellite de l’ESA, Cos-B, permet de capter les rayons gamma pendant près de sept ans afin de donner une carte complète de notre Galaxie. Cette carte, une première mondiale, révèle l’existence d’un fond diffus de rayonnement, sorte de brouillard baignant la Galaxie dont l’origine est inconnue. Ont été trouvées également près de trente sources de rayons gamma, dont la plupart ne sont toujours pas identifiées. Puis le télescope Sigma, fruit d'une collaboration franco-russe, est lancé en 1989. Il fonctionnera pendant huit ans. En examinant le cœur de la Galaxie, surprise : Sigma ne détecte aucune émission de rayons gamma alors qu’une émission intense aux alentours du "trou noir" central de plusieurs millions de fois la masse du Soleil était attendue.

Connaître notre Galaxie, c'est aussi mieux connaître le Soleil, notre étoile. La première sonde interplanétaire Ulysse, destinée à son observation, décolle le 6 octobre 1990 à bord de la navette Discovery. Elle mesure pour la première fois les paramètres du vent solaire (flot de particules énergétiques s'échappant en permanence du Soleil). Ensuite viendra le satellite SOHO (SOlar and Heliospheric Observatory - observatoire solaire et heliosphérique). Lancé en 1995, il doit fonctionner jusqu’en 2008. À son bord, l’instrument de sismologie GOLF (Global Oscillations at Low Frequencies - oscillations globales à basses fréquences) mesure les infimes vibrations de la surface de Soleil, ce qui permet de sonder ses régions les plus internes.

03.Aujourd'hui, de l'étude de Saturne à la cartographie de la Voie lactée

Les anneaux de SaturneLes anneaux sont désignés par une lettre de l'alphabet dans l'ordre chronologique de leur découverte. Ce système d’anneaux comprend plus de 100 000 petits anneaux distincts. Bien qu'ils semblent continus depuis la Terre, ils sont en réalité composés d’innombrables petites particules, roches, gaz et blocs de glace en rotation autour de la planète Saturne. Les anneaux s'étendent jusqu'à 300 000 km de Saturne.
© NASA/JPL
La cartographie de la Voie lactée est la mission qui a été confiée au laboratoire satellite international d'astrophysique Integral, lancé en 2002 et dédié à l'étude des rayons gamma. À son bord se trouve une panoplie de détecteurs dont une caméra électronique révolutionnaire, ISGRI (Integral Soft Gamma-Ray Imager), mise au point par le CEA, capable de produire des images du ciel dans le domaine des rayons gamma avec une finesse de détails jusqu'ici hors d'atteinte. Grâce à Integral, nous savons maintenant que le rayonnement gamma qui baigne notre Galaxie, observé jusqu’alors comme une sorte de brouillard, provient en fait essentiellement d’une multitude de sources. Certaines de ces sources sont des duos stellaires, composés d'une étoile et d'un astre compact (étoile à neutron ou trou noir) et dont la détection avait jusqu’à présent échappé aux télescopes de la génération précédente.

Le monde de Saturne (qui comprend la planète elle-même, ses sept anneaux et au moins 30 satellites), est considéré comme un modèle réduit de notre système solaire. Étudier Saturne et les interactions de la planète avec ses anneaux et ses lunes nous aide à mieux comprendre la façon dont les planètes se forment. La sonde américano-européenne Cassini Huygens, lancée en 1997, s'est mise en orbite autour de Saturne en juillet 2004. C’est le premier vaisseau à observer cette planète sous toutes les coutures. À bord, le spectromètre infrarouge composite CIRS (Composite Infrared Spectrometer - Spectromètre Infrarouge Composite), conçu au CEA, a permis, par exemple, de mesurer précisément la température des anneaux - qui varie de -200 à -150 °C. Les informations liées à la température permettent également d’étudier avec précision les particules formant les anneaux et d’identifier les composants chimiques des atmosphères de la planète et de son satellite Titan, considéré comme une terre glacée.

04.Remonter le temps, jusqu'aux origines de l'Univers

Le télescope HerschelLe télescope Herschel sera lancé en 2007 par la fusée Ariane 5 en compagnie d'un autre observatoire de l'ESA, le satellite Planck. Ils seront placés en orbite autour d'un des points d'équilibre du système Terre-Soleil, situé à environ 1,5 millions de kilomètres de la Terre dans la direction opposée au Soleil. Herschel pourra ainsi effectuer des observations en permanence, avec des contraintes thermiques bien moins sévères que celles qu'avait dû endurer son prédécesseur le satellite ISO, en orbite terrestre.
© Medialab/ESA
Les premiers outils des astrophysiciens restent les télescopes. Les télescopes les plus performants sont ceux dont le miroir est le plus grand. Il en existe plusieurs qui ont été construits pour opérer depuis le sol. Le VLT (Very Large Télescope - très grand télescope), situé au Chili, est actuellement le plus grand : il est constitué de quatre télescopes géants, équivalent à un télescope unique de 16 mètres de diamètre.

Cependant les observations au sol sont limitées car dégradées par les perturbations liées à l’atmosphère. C’est pour cela que ces instruments ont gagné l’espace où, libérés des contraintes atmosphériques, ils surveillent l’Univers grâce à des appareils d’observation des rayonnements infrarouges. Ainsi, deux nouveaux télescopes spatiaux, Herschel et le JWST (James Web Space Telescope - télescope spatial James Webb), seront lancés en 2008 et en 2013.

Herschel est un télescope spatial de 3,5m de diamètre, dédié à l'observation du rayonnement infrarouge lointain et submillimétrique (de 60 à 670 micromètres), domaine quasi inexploré du spectre électro-magnétique. Lancé par une fusée Ariane, Herschel doit fonctionner pendant trois ans. Sa mission est double : étudier les mécanismes de formation des étoiles et les premières phases de formation des galaxies.

Si les astrophysiciens connaissent déjà les mécanismes par lesquels les nuages de gaz interstellaires se contractent, s’effondrent sur eux-mêmes et se fragmentent en embryons d’étoiles, appelés cœurs pré-stellaires, aucune théorie ne permet de prédire la masse qu’auront ces étoiles à leur naissance. Les scientifiques savent uniquement que cette masse est en fait déterminée dès le stade du cœur pré-stellaire. Or ces cœurs pré-stellaires sont des objets froids qui émettent des rayonnements infrarouges dans la bande spectrale accessible justement par Herschel ! Qui devrait donc nous en apprendre beaucoup sur leur formation…

Par ailleurs, Herschel se tournera vers les confins de l’Univers pour étudier les plus anciennes des galaxies. Si les chercheurs connaissent déjà bien la période de l'Univers qui va du présent à environ 5 à 7 milliards d’années, Herschel devrait permettre de remonter de 1 à 4 milliards d'années plus loin.

Le JWST, lui, sera dédié à l'observation du rayonnement infrarouge proche et moyen (de 1 à 30 micromètres). C'est le successeur du télescope spatial Hubble. Mais avec un miroir de 6,56 mètres de diamètre, il sera le plus grand télescope jamais envoyé dans l’espace. Grâce à lui, nous pourrons remonter dans le temps encore bien plus loin que Herschel et savoir ce qui s’est passé au cours des premiers milliards d’années de l’existence de l’Univers. Une période très riche pendant laquelle se sont formés les premiers trous noirs, les premiers quasars, les premières étoiles, …

Outre la quête de nos origines, les astrophysiciens, avec leurs collègues de la physique des particules, veulent aussi comprendre les mystères de la matière et de l'énergie noire. En effet, les chercheurs se sont récemment aperçus que l’Univers contenait sans doute plus de matière que celle qu’ils observaient à partir de la lumière. C’est ainsi qu’est né le concept de matière noire, matière manquante de l’Univers dont elle constituerait 25%. L’idée d’une énergie noire, elle, a été développée quand les chercheurs ont constaté que l’expansion de l’Univers s’accélérait depuis plusieurs milliards d’années.

Énergie et matière noires sont des constituants de l’espace encore presque totalement inconnus. Les recherches pour mettre au point une caméra d’imagerie astronomique géante, chargée d’étudier ces composantes sombres, sont en cours au CEA. Cette caméra a déjà un nom, elle s’appelle Dune, raccourci poétique pour Dark Universe Explorer (explorateur de l'Univers sombre). L’étude de concept a déjà été faite, notamment avec le CNES, l’IAP (Institut d’Astrophysique de Paris), le LAM (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille). Elle devrait maintenant être proposée à l’ESA.

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