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Il y a plus de 3 900 planètes confirmées au-delà de notre système solaire. La plupart d’entre eux ont été détectés à cause de leurs « transits » – des cas où une planète traverse son étoile, bloquant momentanément sa lumière. Ces réductions dans la lumière des étoiles peuvent en dire un peu aux astronomes sur la taille d’une planète et sur sa distance par rapport à son étoile.

Des Cubesats pour créer des étoiles guides laser

Mais pour en savoir plus sur une planète, notamment si elle contient de l’oxygène, de l’eau et des signes vie, cela nécessite des outils beaucoup plus puissants. Idéalement, il s’agirait de télescopes beaucoup plus grands placés dans l’espace, dotés de miroirs photorécepteurs aussi larges que ceux des plus grands observatoires au sol.
Les ingénieurs de la NASA développent actuellement des concepts pour de tels télescopes spatiaux de prochaine génération, notamment des télescopes «segmentés» dotés de plusieurs petits miroirs pouvant être assemblés ou déployés pour former un très grand télescope une fois lancé dans l’espace.
Le futur télescope spatial James Webb de la NASA est un exemple de miroir primaire segmenté, d’un diamètre de 6,5 mètres et de 18 segments hexagonaux. Les télescopes spatiaux de nouvelle génération devraient atteindre 15 mètres, avec plus de 100 segments de miroir.
Un défi pour les télescopes spatiaux segmentés consiste à maintenir la stabilité de ces segments et de les orienter collectivement vers un système exoplanétaire. Ces télescopes seraient équipés de coronographes, des instruments suffisamment sensibles pour discerner la lumière émise par une étoile et la lumière beaucoup plus faible émise par une planète en orbite.
Mais le moindre décalage dans l’une des pièces d’un tel télescope pourrait fausser les mesures du coronographe et perturber les mesures de l’oxygène, de l’eau ou d’autres caractéristiques planétaires.
Aujourd’hui, les ingénieurs du MIT proposent qu’un deuxième engin spatial de la taille d’une boîte à chaussures, équipé d’un simple laser, puisse voler à une distance d’un grand télescope spatial et agir comme une « étoile guide », fournissant une lumière vive et constante près du système cible que le télescope pourrait utiliser comme point de référence dans l’espace pour rester stable.

Un concept réalisable avec la technologie actuelle

Dans un article publié aujourd’hui dans l’Astronomical Journal, les chercheurs montrent que la conception d’une telle étoile guide laser serait réalisable avec la technologie actuelle. Les chercheurs expliquent que l’utilisation de la lumière laser du deuxième engin spatial pour stabiliser le système atténuerait la demande de précision d’un un grand télescope segmenté, permettant ainsi d’économiser du temps et de l’argent, tout en permettant une conception plus flexible des télescopes.
« Ce document suggère qu’à l’avenir, nous pourrons peut-être construire un télescope un peu plus souple, moins stable mais utiliser une source lumineuse comme référence pour maintenir une parfaite stabilité », déclare Ewan Douglas, postdoctorant au Département de l’aéronautique du MIT et auteur principal de cette recherche.
Cette recherche inclut également Kerri Cahoy, professeure agrégée en aéronautique au MIT, ainsi que les étudiants diplômés James Clark et Weston Marlow, ainsi que Jared Males, Olivier Guyon et Jennifer Lumbres de l’Université de l’Arizona.

Dans la ligne de mire

Depuis plus d’un siècle, les astronomes utilisent les étoiles réelles comme « guides » pour stabiliser les télescopes au sol. «Si des imperfections dans le moteur ou les engrenages du télescope entraînaient un léger ralentissement de sa trajectoire, vous pourriez regarder votre étoile guide et le maintenir au bon endroit pendant que vous prendriez une longue exposition», explique Douglas.
Dans les années 1990, les scientifiques ont commencé à utiliser des lasers au sol comme étoiles guides artificielles en excitant le sodium contenu dans la haute atmosphère et en les orientant dans le ciel pour créer un point de lumière situé à une quarantaine de kilomètres du sol. Les astronomes pouvaient alors stabiliser un télescope en utilisant cette source de lumière, qui pouvait être générée partout où l’astronome voulait diriger son télescope.
« Nous étendons maintenant cette idée, mais plutôt que de diriger un laser du sol vers l’espace, nous le projetons depuis l’espace vers un télescope dans l’espace », explique Douglas. Les télescopes au sol ont besoin d’étoiles guides pour contrer les effets de l’atmosphère, mais les télescopes spatiaux pour l’imagerie des exoplanètes doivent faire face aux changements infimes de la température du système et aux perturbations dues au mouvement.
L’idée du laser pour obtenir une étoile guide basé dans l’espace est née d’un projet financé par la NASA. L’agence a étudié la conception de grands télescopes segmentés dans l’espace et a chargé les chercheurs de trouver des moyens de réduire le coût des énormes observatoires.
«La raison pour laquelle cela est pertinent maintenant est que la NASA doit décider dans les prochaines années si ces grands télescopes spatiaux seront notre priorité dans les prochaines décennies», a déclaré Douglas. « Cette prise de décision est en cours, tout comme celle du télescope spatial Hubble dans les années 1960, mais elle n’a pas été lancée avant les années 1990. »

Un concept général pour une étoile guide laser

Le laboratoire de Cahoy a mis au point des communications laser à utiliser dans des CubeSats, des satellites de la taille d’une boîte à chaussures pouvant être construits et lancés dans l’espace à un coût bien inférieur à celui des engins spatiaux conventionnels.
Pour cette nouvelle étude, les chercheurs ont examiné si un laser, intégré à un CubeSat ou à un SmallSat – légèrement plus grand – pouvait être utilisé pour maintenir la stabilité d’un grand télescope spatial segmenté, inspiré du modèle LUVOIR de la NASA (pour les grands détecteurs infrarouges optiques UV), une conception qui comprend plusieurs miroirs et qui seraient assemblés dans l’espace.
Les chercheurs ont estimé qu’un tel télescope devrait rester parfaitement immobile, à 10 picomètres – environ un quart du diamètre d’un atome d’hydrogène – pour qu’un coronographe embarqué puisse mesurer avec précision la lumière d’une planète près de son étoile.
L’équipe a mis au point un concept général pour une étoile guide laser qui serait suffisamment éloignée d’un télescope pour être perçue comme une étoile fixe – à des dizaines de milliers de kilomètres de là – et qui pointerait en arrière et enverrait sa lumière vers le télescope. Les miroirs, dont chacun refléterait la lumière laser vers une caméra embarquée. Cette caméra mesurerait la phase de cette lumière réfléchie au fil du temps. Toute modification de 10 picomètres ou plus indiquerait une instabilité du télescope, que les actionneurs embarqués pourraient alors corriger rapidement.
Douglas et Cahoy ont collaboré avec des collègues de l’Université de l’Arizona pour trouver différentes sources de luminosité, afin de déterminer, par exemple, à quel point un laser devait être brillant pour fournir une certaine quantité d’informations sur la position d’un télescope, ou de fournir une stabilité en utilisant des modèles de stabilité de segments issus de grands télescopes spatiaux. Ils ont ensuite établi un ensemble d’émetteurs laser existants et calculé à quel point chaque laser devait être stable, puissant et éloigné du télescope pour servir d’étoile guide fiable.
Ils ont découvert que les technologies actuelle permettaient des conceptions d’étoiles à guide laser, et que le système pourrait être entièrement intégré à un SmallSat de la taille de 30 cm cube. Selon Douglas, une seule étoile guide pourrait éventuellement suivre le « regard » du télescope, se déplaçant d’une étoile à l’autre lorsque le télescope changerait de cible. Cependant, cela obligerait le plus petit des vaisseaux spatiaux à parcourir des centaines de milliers de kilomètres couplés au télescope à distance, le télescope se repositionnant pour regarder différentes étoiles.

Une flotte d’étoiles guides

Au lieu de cela, Douglas a déclaré qu’une petite flotte d’étoiles guides pourrait être déployée, à moindre coût et dans le ciel, pour aider à stabiliser un télescope alors qu’il surveillerait plusieurs systèmes exoplanétaires. Cahoy souligne que le succès récent de marCO CubeSats de la NASA, qui supportait l’atterrisseur Mars Insight en tant que relais de communication, démontre que les CubeSats avec des systèmes de propulsion qui peuvent fonctionner dans l’espace pour des durées plus longues et sur de longues distances.
« Nous analysons à présent les systèmes de propulsion existants et déterminons la meilleure façon de le faire. », déclare Douglas. « En fin de compte, nous pensons que c’est un moyen de réduire le coût de ces grands télescopes spatiaux segmentés. »
Source : MIT
Crédit image : Dessin

De petites satellites pour guider les grands télescopesmartinEspace
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