Sur le futur télescope géant de l’Eso sera installé un instrument hors norme, Mosaic, qui sera capable d’observer les premières structures des fluctuations de température cartographiées par le satellite Planck dans le rayonnement fossile. L’observation de ces objets primordiaux est fondamentale pour comprendre la formation et l’évolution des galaxies et de l’univers.

Alors que les travaux d'aménagement du site sur lequel sera bâti le télescope géant de l’Eso (European Extremely Large Telescope ou E-ELT) ont débuté, la montagne qui va l'accueillir a été arasée et la route qui mènera à son sommet a été tracée, le développement des instruments qui l'équiperont est également lancé. Il y a quelques semaines, l'Eso a officialisé le début de la constructionconstruction de l'instrument Mosaic en signant le contrat d'étude de la phase A. Ce spectrographespectrographe multi-objets (MOS) sera un des instruments de première génération de ce télescopetélescope géant de 39 mètres de diamètre.

Si le calendrier est respecté, sa mise en service est prévue au début des années 2020 avec une première lumièrelumière en 2024 et les premières lumières scientifiques dès 2025. L'Eso a d'ores et déjà choisi les instruments des premières lumières, le spectrographe Harmoni (visible et infrarougeinfrarouge) et Micado, une caméra proche infrarouge dotée de capacités spectroscopiques et travaillant à la limite de résolutionrésolution du télescope. Quant à Mosaic, il n'a pas officiellement été planifié. Il pourra être le quatrième instrument à entrer en service. D'un coût d'environ 60 millions d'euros, cet instrument est porté par cinq pays dont la France, principal investigateur.

Bien que l'E-ELT pourrait arriver en retard sur la concurrence, le Giant Magellan Telescope (GMTGMT, 22 mètres) et le Thirty Meter Telescope (TMT, 30 mètres) n'entrant en service que vers 2022, « Mosaic n'aura pas de concurrence sur TerreTerre ni dans l'espace ». Combiné à la sensibilité sans précédent de l'E-ELT, il « sera l'instrument le plus performant au monde pour l'étude du halo de la Voie lactéeVoie lactée et de ses satellites, pour l'analyse détaillée des populations stellaires dans les galaxiesgalaxies proches, et jusqu'aux observations des premières structures de l'universunivers dans sa période de réionisation », nous explique François Hammer de l'Observatoire de Paris. Il étudiera également la distribution et l'évolution de la matièrematière lumineuse et de la matière noirematière noire à toutes les échelles spatiales et « résoudra de nombreuses questions d'astronomie et de cosmologie ».

Quant au James Webb Space Telescope (JWSTJWST), qui doit succéder à HubbleHubble en 2018, ses performances seront certes remarquables mais il n'aura pas de « capacité particulière pour la spectroscopie avec une résolution suffisante pour résoudre les premiers objets de l'univers ».

Voir les premiers objets émergents des Âges sombres

Les performances de Mosaic vont « plonger les astronomesastronomes dans le monde des rêves ». Cet instrument va être de loin le meilleur des instruments existants pour capturer la lumière et étudier les premiers objets de l'univers dont les galaxies, « ceux qui vont réioniser l'univers et en finir avec la période de l'âge sombre ». Les âges sombresâges sombres correspondent à une époque dans l'histoire de l'univers observable qui suit celle de la recombinaisonrecombinaison, c'est-à-dire la période où les atomesatomes d'hydrogènehydrogène et d'héliumhélium se sont formés et le rayonnement fossilerayonnement fossile a été émis, environ 380.000 ans après le Big BangBig Bang. En quelque sorte, Mosaic est la suite logique du télescope Planck qui a observé le fond diffusdiffus cosmologique et tracé la carte de la température du rayonnement fossile : le visage que notre univers présentait moins de 400.000 ans après le Big Bang. Mosaic va observer les objets qui sont nés des fluctuations de températures que montre cette carte. « Ce qui nous intéresse est de voir, à un endroit dans l'univers, une densité de fluctuations de température suffisamment importante pour former les premiers objets qui vont réioniser l'univers ».

 Une brève histoire de l'évolution l'univers à travers ses principales époques. © Nasa, WMAP Science team

Une brève histoire de l'évolution l'univers à travers ses principales époques. © Nasa, WMAP Science team

Ces premiers objets de l'univers sont très petits, « donc très faibles en termes de taille et de dynamique ». Avec Mosaic, l'idée est d'atteindre des objets grands de seulement quelques milliers d'années-lumièreannées-lumière, « typiquement quelque 10 % de la distance entre le SoleilSoleil et le centre de la Voie lactée ». À cette distance, si Mosaic ne pourra pas discerner d'étoilesétoiles individuellement, « il sera suffisamment puissant pour réaliser une cartographie de 50 à 100 tranches de chaque galaxie observée ». Quel que soit l'objet observé, Mosaic « donnera des informations sur son déplacement à l'intérieur d'une galaxie, s'il s'agit d'une étoile ou d'un amas de galaxiesamas de galaxies, s'il s'agit d'une galaxie. Il renseignera les astronomes sur son mouvementmouvement interne, sa chimiechimie et apportera un éclairage inédit sur l'histoire de sa formation ».

Observer jusqu'à 200 objets en même temps

Sans surprise, compte tenu de sa complexité, la réalisation de cet instrument ne sera pas simple. « Il y a des enjeux technologiques particuliers, notamment parce qu'il va permettre d'observer en même temps jusqu'à 200 sources astronomiques très faiblement lumineuses dans un très grand champ de vue ». Bien que les choix technologiques ne sont pas complètement figés, « on se dirige vers la réalisation d'un instrument fibré. C'est-à-dire que l'on compte utiliser de la fibre optiquefibre optique pour transporter la lumière que l'on récupère du télescope lui même et que l'on dirige vers les spectrographes de façon à récupérer des spectres ».

Il s'agit d'une technologie maitrisée qui n'implique pas de gros enjeux technologiques. Mais, le choix de la fibre « amène à d'autres choix qui pour le coup, sont plus complexes comme le système intégral de champ et l'optique adaptative du télescope ». Il faut savoir que Mosaic est conçu pour observer jusqu'à 200 objets en même temps dans un champ le plus vaste possible. Or, les optiques adaptatives classiques, « dont le principe de fonctionnement est de compenser en temps réel les avances et les retards subis par les fronts d'onde de la lumière après propagation dans l'atmosphère », observent un objet donné à l'aide d'une étoile naturelle (ou laserlaser) le plus proche possible de façon à corriger les effets de la turbulenceturbulence atmosphérique. Là, « on est dans un système beaucoup plus complexe ou l'on va devoir corriger dans un très grand nombre d'endroits du champ une multitude d'objets ». À cela s'ajoute que les « galaxies primordiales sont trop faiblement lumineuses pour permettre une quelconque mesure de ces perturbations ». Celle-ci devra alors s'appuyer sur « l'information lumineuse des rares étoiles guides présentes dans le champ de vue, complétée par la création d'étoiles artificielles par laser ».

Pour cela, Mosaic va utiliser l'optique adaptative du télescope qui sera le « premier télescope géant adaptatif », nous explique Thierry Fusco, spécialiste de l'optique adaptative à l'Onera (le centre français de la recherche aéronautique, spatiale et de défense) car avec ce futur télescope, il sera possible de « corriger des champs de vue dix fois plus larges que ce qu'est capable de faire une optique adaptative classique qui ne peut efficacement corriger la turbulence que sur un champ de vue très limité ». Cette capacité, inédite aujourd'hui, « nous permet de dépasser les limites actuelles de l'optique adaptative et donc d'envisager la mise en service d'un instrument comme Mosaic » précise Françoise Hammer. Mais, cette technique a besoin d'être validée. C'est ce que font actuellement avec succès deux démonstrateursdémonstrateurs, « l'un installé au foyerfoyer du télescope japonais Subaru (Raven) et l'autre (Canary) sur le télescope William HerschelWilliam Herschel situé à La Palma (îles Canaries) » ce qui tend à démontrer la faisabilité de Mosaic. À suivre donc.