Crédit d'image: University of Arizona
Il y a plus de 30 ans, le Dr Roger Angel est venu à l'Université de l'Arizona, attiré par les conditions favorables à l'observation astronomique dans la région de Tucson, en Arizona: plusieurs télescopes sont commodément à proximité, et bien sûr, le temps est merveilleusement tempéré. Mais maintenant, Angel propose de construire un télescope dans un endroit un peu plus éloigné et pas tout à fait aussi doux: un cratère polaire sur la lune.
Connu pour ses innovations dans les miroirs de télescope légers et l'optique adaptative, Angel dirige maintenant une équipe de scientifiques des États-Unis et du Canada qui étudient la faisabilité de construire un observatoire infrarouge à champ profond près d'un des pôles lunaires à l'aide d'un télescope à miroir liquide (LMT) ).
Ce concept est l'une des 12 propositions qui ont commencé à recevoir un financement en octobre dernier de la NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC). Chacun obtient 75 000 $ pour six mois de recherche pour effectuer les premières études et identifier les défis du développement. Les projets qui franchissent la première phase sont admissibles à 400 000 $ de plus sur deux ans.
Les LMT sont fabriqués en faisant tourner un liquide réfléchissant, généralement du mercure, sur une plate-forme en forme de bol pour former une surface parabolique, parfaite pour l'optique astronomique. Isaac Newton a initialement proposé la théorie, mais la technologie permettant de créer un tel appareil avec succès n'a été développée que récemment. Seule une poignée de LMT sont utilisés aujourd'hui, y compris un LMT de 6 mètres à Vancouver, au Canada, et une version de 3 mètres que la NASA utilise pour son Observatoire des débris orbitaux au Nouveau-Mexique.
Sur Terre, les LMT sont limités en taille à environ 6 mètres de diamètre car le vent auto-généré qui provient de la rotation du télescope perturbe la surface. De plus, comme d'autres télescopes basés sur la Terre, les LMT sont soumis à l'absorption et à la distorsion atmosphérique, ce qui réduit considérablement la portée et la sensibilité de l'observation infrarouge. Mais la lune sans atmosphère, dit Angel, fournit l'emplacement parfait pour ce type de télescope tout en fournissant la gravité nécessaire à la formation du miroir parabolique.
Le potentiel d'un LMT sur la lune est de faire un très gros télescope. Pour référence, le télescope spatial Hubble a un miroir de 2,4 mètres, et le télescope spatial James Webb (JWST) en cours de développement pour être lancé en 2011 aura un miroir de 6 mètres. Le concept de la proposition NIAC d'Angel est un miroir de 20 mètres, mais avec les recherches que l'équipe a faites jusqu'à présent, ils envisagent maintenant de créer de très grands miroirs, avec 100 mètres étant l'option la plus importante. Ils envisagent également des LMT plus petits. "Nous ne pouvons évidemment pas aller sur la lune et fabriquer un miroir de 100 mètres en premier", a déclaré Angel. "Nous examinons une séquence de tailles d'échelle de 2 mètres, 20 mètres et 100 mètres, et nous examinons le potentiel de chacun." Angel pense que le télescope de 2 mètres pourrait être fabriqué sans aucune présence humaine sur la lune, et configuré comme un télescope robotique, tout comme les instruments scientifiques sur les rovers martiens fonctionnent actuellement.
La limitation d'un miroir liquide est qu'il ne pointe que vers le haut, donc ce n'est pas comme un télescope standard qui peut être pointé dans n'importe quelle direction et suivre des objets dans le ciel. Il ne regarde que la zone du ciel qui est directement au-dessus.
Ainsi, l'objectif scientifique d'un LMT n'est pas de regarder tout le ciel, mais de prendre une zone de l'espace et de la regarder intensément. Ce type d'astronomie a été très «rentable», comme l'a décrit Angel, en termes de richesse d'informations collectées. Certains des efforts scientifiques les plus productifs du télescope spatial Hubble ont été ses photographies «Deep Field».
Être capable de regarder une seule zone d'espace à tout moment conduit Angel et son équipe à se tourner vers l'un des pôles lunaires pour trouver le meilleur emplacement pour ce télescope. Comme pour les pôles de la Terre, regarder directement depuis les pôles sur la lune fournit toujours le même champ de vision extragalactique. "Si nous allons au pôle Nord ou Sud de la lune, nous allons tout le temps imaginer une portion de ciel, ce qui vous permet de réaliser une intégration extrêmement profonde, bien plus profonde encore que le champ profond de Hubble." Combinez cela avec une grande ouverture, et ce télescope fournirait une profondeur d'observation qui serait inégalée avec n'importe quel télescope sur Terre ou dans l'espace. "C'est la niche ou la force particulière de ce télescope", a déclaré Angel.
Un autre avantage des miroirs liquides est qu'ils sont très peu coûteux par rapport au processus de fabrication d'un miroir standard en créant, polissant et testant un grand morceau de verre rigide, ou en créant de plus petits morceaux qui doivent être polis, testés puis assemblés très avec précision. De plus, les LMT n'ont pas besoin de supports, supports, systèmes de suivi ou dôme coûteux.
"Le coût total du télescope James Webb devrait dépasser un milliard de dollars, avec le prix sur le miroir à lui seul autour d'un quart de million de dollars", a déclaré Angel. «Ce miroir mesure 6 mètres, donc si nous adaptons cette technologie à des miroirs encore plus grands dans l’espace, nous finirons par casser la banque, et nous ne pourrons pas nous le permettre avec la technologie actuelle de fabrication du miroir poli et monter dans l'espace. "
Même si le télescope de 2 mètres serait un prototype, il aurait toujours une valeur astronomique. «Nous pourrions faire des choses complémentaires au télescope spatial Spitzer et au télescope Webb, car le télescope de 2 mètres sur la lune remplirait le territoire entre ces deux télescopes.» Un miroir de 20 mètres fournirait une résolution 3 fois supérieure à la JWST, et en intégrant, ou en laissant le «volet» ouvert pendant de longues périodes, comme un an, des objets 100 fois plus faibles pourraient être visualisés. Un miroir de 100 mètres fournirait des données hors des graphiques.
L'un des défis du développement d'un LMT sur la lune est de créer les roulements pour faire tourner la plate-forme en douceur et à vitesse constante. Les paliers à air sont utilisés pour les LMT sur Terre, mais sans air sur la lune, c'est impossible. Angel et son équipe étudient les roulements de lévitation cryogénique, similaires à ceux utilisés pour les trains de lévitation magnétique pour obtenir un mouvement sans friction en utilisant un champ magnétique. Angel a ajouté: «En prime, avec les basses températures sur la lune, vous pouvez le faire sans dépenser d'énergie, car vous pouvez créer un aimant supraconducteur qui vous permet de créer un palier de lévitation qui ne nécessite pas une alimentation électrique continue. "
Angel a appelé les roulements un élément essentiel du télescope. «Sans air sur la lune pour créer du vent, il n'y a pas de limite de taille ou d'atteindre la précision dont vous avez besoin tant que le roulement est correct», a déclaré Angel.
L'une des évolutions du projet depuis l'obtention du financement du NIAC est l'emplacement du télescope. Dans la proposition initiale, l'équipe d'Angel favorisait le pôle sud de la lune dans le cratère Shackleton. Mais le pôle nord offre en fait un meilleur champ de vision pour l'observation extragalactique, ont-ils réalisé, et Angel attend les données de l'orbiteur lunaire SMART-1 de l'Agence spatiale européenne qui a récemment commencé à étudier les régions polaires de la lune.
"Dans les régions polaires, il y a des cratères où le soleil ne s'éclaire jamais et ne chauffe jamais le sol", a déclaré Angel. «Il fait extrêmement froid là-bas, pas trop loin au-dessus du zéro absolu. Plutôt que de construire le télescope dans de telles conditions hostiles, nous tenterions de construire le télescope sur un sommet de l'un ou l'autre des pôles, où il y aurait un ensoleillement presque continu. Cela fournirait de l'énergie solaire et les conditions seraient meilleures pour les gens qui y vivent. Tout ce que vous avez à faire est de placer un écran cylindrique en Mylar autour du télescope pour empêcher le soleil de le toucher et il se refroidira comme au fond des cratères. »
Avec l'observation infrarouge, un télescope froid est vital pour pouvoir voir des objets plus froids et plus faibles dans l'espace. Avoir le télescope à un zéro presque absolu (0 degré Kelvin, -273 C, -460 F) serait idéal. Étant donné que le mercure gèlera à ces températures, un autre défi pour le projet est de trouver le bon liquide à tourner pour le miroir. Certains des candidats sont l'éthane, le méthane et d'autres petits hydrocarbures, comme les liquides qui ont été trouvés sur Titan par la sonde Huygens, qui a atterri sur la plus grande lune de Saturne le 14 janvier.
"Mais ces liquides ne sont pas brillants, vous devez donc trouver comment déposer un métal brillant comme l'aluminium directement sur la surface du liquide", a déclaré Angel. «Normalement, lorsque nous fabriquons un télescope astronomique, nous fabriquons les miroirs en verre, qui ne réfléchit pas beaucoup, puis vous évaporez de l'aluminium ou de l'argent sur le verre. Sur la lune, il faudrait évaporer le métal sur le liquide plutôt que sur le verre. »
C’est l’un des principaux domaines de recherche dans le cadre du prix NIAC. Dans les premières études, l'équipe d'Angel a pu évaporer un métal en un liquide, mais pas encore aux températures froides requises. Cependant, ils sont encouragés par les résultats obtenus jusqu'à présent.
L’équipe d’Angel est atypique pour un projet NIAC, dans la mesure où il s’agit d’une collaboration internationale, et NIAC ne finance pas de partenaires internationaux. "Il se trouve que les experts mondiaux de la fabrication de télescopes à miroir liquide en rotation sont tous au Canada, il était donc essentiel que si nous pensons à le faire sur la lune, nous les amenions", a déclaré Angel. "Heureusement, ils sont venus avec leur propre billet, pour ainsi dire, et sont excités par le projet."
Les membres canadiens de l'équipe sont Emanno Borra, de l'Université Laval au Québec, qui recherche et construit des LMT depuis le début des années 1980, et Paul Hickson, de l'Université de la Colombie-Britannique, qui, avec l'aide de Borra, a construit le LMT de 6 mètres à Vancouver. D'autres collaborateurs incluent Ki Ma à l'Université du Texas à Houston qui est un expert des roulements cryogéniques, Warren Davison de l'Université de l'Arizona qui est un expert en génie mécanique dans les télescopes, et l'étudiant diplômé Suresh Sivanandam.
Le NIAC a été créé en 1998 pour solliciter des concepts révolutionnaires auprès de personnes et d'organisations extérieures à l'agence spatiale qui pourraient faire avancer les missions de la NASA. Les concepts gagnants sont choisis parce qu'ils «repoussent les limites de la science et de la technologie connues» et «montrent leur pertinence pour la mission de la NASA», selon la NASA. Ces concepts devraient prendre au moins une décennie pour se développer.
Angel dit que recevoir le prix NIAC est une excellente opportunité. «Nous écrirons sans aucun doute une proposition pour la phase II (du financement du CANI)», a-t-il déclaré. «Nous avons identifié au cours de la phase I quels sont les problèmes les plus critiques de ce projet et quelles mesures pratiques nous devons prendre dès maintenant. Nous avons ouvert quelques questions et nous pouvons effectuer des tests simples pour voir s’il y a des bouchons ou non. »
Le plus grand obstacle à la réalisation de l'Observatoire infrarouge lunaire est, très probablement, complètement hors des mains d'Angel. "La lune est un endroit très intéressant pour faire de la science", a déclaré Angel. "Cependant, il repose sur un engagement substantiel de ressources de la NASA pour retourner sur la Lune." Certes, pour construire les grands télescopes de 20 ou 100 mètres, il devrait y avoir une présence habitée sur la lune. "Alors," continua Angel, "en attelant votre science dans cette direction, vous devenez la queue d'un très gros chien sur lequel vous n'avez absolument aucun contrôle"?
Angel espère que la NASA et les États-Unis pourront maintenir l'élan de la Vision pour l'exploration spatiale et retourner sur la Lune. "Je pense qu'en fin de compte, sortir dans l'espace est quelque chose que les humains ont envie de faire et feront un jour", a déclaré Angel. «Lorsque cela se produit, il est important d'avoir des choses intéressantes à faire une fois sur place. Nous devons savoir pourquoi nous avons quitté la surface de cette planète pour aller sur la lune. Nous explorons, oui, mais nous pouvons explorer non seulement la lune, mais l'utiliser comme un endroit pour faire des recherches scientifiques au-delà de la lune. Je pense que c'est quelque chose qui devrait se produire dans l’ensemble. »
Nancy Atkinson est rédactrice indépendante et ambassadrice du système solaire de la NASA. Elle habite dans l'Illinois.
