Concept d'un radiotélescope installé dans un cratère lunaire. © Vladimir Vustyansky
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L'astronome Jean Schneider nous détaille le projet d'un télescope géant sur la Lune

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[EN VIDÉO] Cratères sur la Lune : combien s'en forme-t-il chaque année ?  La sonde LRO en orbite lunaire a montré que les petits impacts sont bien plus fréquents que ce que l'on pensait mais aussi que ces chocs créent des impacts secondaires aux conséquences sous-évaluées jusqu’à présent. Le sol lunaire serait ainsi retourné cent fois plus vite que ce qui était prédit par les modèles. Sur ces images, on voit la blessure créée par un impact, un cratère de 12 mètres de diamètre, et les éjectas sont bien visibles. 

Si le Niac et la Nasa financent une étude d'un concept de radiotélescope installé au fond d'un cratère sur la face cachée de la Lune, en Europe on n'est pas en reste. Dans le cadre de l'appel à idées « Voyage 2050 » de l'ESA, Jean Schneider, chercheur à l'Observatoire de Paris, a piloté un projet de construction d'un observatoire lunaire de 50 à 100 mètres de diamètre fonctionnant dans le visible et l'infrarouge ! Il nous explique les difficultés techniques et l'intérêt scientifique.

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Tous les ans, la science-fiction s'invite dans la réalité grâce à l'Institut des Concepts avancés de la Nasa, le Niac. Créé en 1998, il sollicite des propositions d'idées novatrices de la part des centres de la Nasa et du secteur privé états-unien. Il y a quelques jours la Nasa a montré son intérêt à sept concepts futuristes suivis par le Niac. Cet intérêt s'est traduit par un financement supplémentaire à chacune des études de ces concepts qui, rappelons-le, ne sont pas considérées comme des missions officielles de la Nasa. Ils ont certes un potentiel futur, et donc pourraient voir le jour à un horizon de plusieurs décennies, mais tous ces projets en sont encore aux premiers stades de développement, la plupart nécessitant une décennie ou plus de maturation technologique. Parmi ces concepts, le projet de Saptarshi Bandyopadhyay, technologue en robotique au JPL d'installation d'un radiotélescope dans un cratère situé sur la face cachée de la Lune.

En Europe, dans le cadre de l'appel à idées « Voyage 2050 » de l'Agence spatiale européenne, Jean Schneider, chercheur à l'Observatoire de Paris et spécialiste français des exoplanètes, a piloté un projet de construction d'un observatoire lunaire de 50 à 100 mètres de diamètre fonctionnant dans le visible et l'infrarouge ! Il serait construit au pôle Sud de la Lune, à l'intérieur d'un cratère dont le plancher est plongé en permanence dans l'obscurité, où les températures approchent les 30 K. Les bords de ce cratère devront être éclairés toute l'année par la lumière du Soleil pour fournir l'énergie nécessaire à son fonctionnement. Cet observatoire s'inspire du projet OWL, un observatoire terrestre de 100 mètres de diamètre de l'ESO, abandonné en raison de difficultés techniques au profit de l'ELT, un observatoire de 39 mètres de diamètre actuellement en construction, au Chili.

Futura : pourquoi un observatoire sur la Lune ?

Jean Schneider : La recherche de la vie sur les exoplanètes est un des plus grands défis de l'humanité. C'est un objectif très inspirant - il y a d'autres objectifs aussi inspirants. Mais, pour atteindre cet objectif et détecter des biosignatures sur des exoplanètes les plus proches de nous, deux exigences sont nécessaires. Une très grande ouverture pour avoir suffisamment de flux pour pouvoir détecter les caractéristiques spectro-polarimétriques et spatiales d'objets faibles tels que les exoplanètes. Il faut aussi une surveillance continue pour caractériser le comportement temporel des exoplanètes tel que la période de rotation, la météorologie et les saisons, par exemple. Aussi performants soient-ils, les observatoires terrestres ou spatiaux ont des capacités limitées pour détecter de la vie.

La Lune a deux autres avantages. Sa faible gravité fait que la construction de gros instruments est plus facile que sur Terre ; de plus il n'y a pas de vent. Contrairement aux télescopes spatiaux en orbite, grâce à l'infrastructure d'une base lunaire, on pourra réparer et améliorer en permanence le télescope et ses instruments.

Quelques cratères du pôle Sud lunaire à l'intérieur desquels un observatoire pourrait être construit. © ESA/SMART-1/AMIE camera team; M. Ellouzi/B. Foing, CC by-sa 3.0 IGO

Les télescopes en service ou ceux en cours de développement ne font-ils pas l’affaire ?

Jean Schneider : Dès lors qu'il est question de détection de biosignatures sur des exoplanètes habitables, oui ils sont restreints. Ils ont une utilité pour rechercher des planètes potentiellement habitables de type super-Terre, c'est-à-dire plus grandes que la Terre et plus petites que Neptune, mais un télescope terrestre n'est pas adapté pour surveiller en permanence un objet et l'atmosphère terrestre limite la résolution angulaire ultime et le domaine spectropolarimétrique. Quant aux observatoires spatiaux, les 8 ou 15 mètres de Luvoir (si la Nasa le sélectionne comme successeur du JWST) pourront certes détecter des biosignatures mais on estime que seulement une cinquantaine d'exoplanètes rocheuses potentiellement habitables pourraient être observées jusqu'à une distance 25 parsecs du Soleil. Avec un OWL lunaire, 3.000 exoterres seraient imagées. Un tel rendement est un énorme gain statistique par rapport à Luvoir et apporte des chances significativement améliorées de trouver des biosignatures dans un rayon de recherche de 250 pc.

Que devons-nous comprendre quand vous dites évaluer la complexité de la vie extraterrestre ?

Jean Schneider : Avec OWL lunaire, nous pouvons déterminer non seulement si les conditions de vie similaires à la Terre sont courantes ou rares sur des mondes voisins, mais aussi sonder les exoplanètes les plus proches à la recherche de signes de vie. Ce ne sera pas une tâche facile. C'est même extrêmement difficile. Il faut savoir que la Terre est 10 milliards de fois plus faible que le Soleil et orbite très près de lui. Vue depuis une distance de 100 pc, la séparation n'est que de 0,01 seconde d'arc. Mais c'est bien au-dessus de la limite de diffraction d'un très grand télescope lunaire.

Avec OWL lunaire, nous pouvons déterminer non seulement si les conditions de vie similaires à la Terre sont courantes ou rares sur des mondes voisins, mais aussi sonder les exoplanètes les plus proches à la recherche de signes de vie.

Concrètement, vous pensez imager des planètes jusqu’à quelle distance ?

Jean Schneider : Il existe une dizaine de planètes candidates potentiellement habitables jusqu'à 10 pc. Mais rien ne garantit que même une seule présentera des biosignatures. Il faut agrandir l'échantillon et monter jusqu'à environ 40 pc. Une planète de la taille de la Terre située à une unité astronomique d'une étoile de type G a un rapport de luminosité planète/étoile de 3,10−9 pour un albédo de 0,3. Ainsi, pour une étoile de magnitude 8, cela signifie une cible de magnitude 32 ! Avec une résolution spectrale raisonnable de 10 angströms, on pourra détecter 1.000 photons en trois heures.

Vue d'artiste du télescope géant de l'ESO (E-ELT), dont la construction a débuté au Chili. Cet observatoire, doté d'un miroir primaire de 39 mètres, sera installé au sommet du Cerro Armazones. Sa mise en service et ses premières lumières sont prévues en 2026. © ESO, L. Calçada, ACe Consortium

Quelles caractéristiques seront déterminées ?

Jean Schneider : La masse de la planète observée, son rayon, son albédo et sa période de rotation. Au-delà de la composition moléculaire de son atmosphère, on peut obtenir des renseignements sur la pression atmosphérique et sur la composition minérale moyenne.

Quels indices de vie indiqueraient une activité biologique ?

Jean Schneider : Il existe deux types de biosignatures spectrales. Les gaz hors équilibre chimiques dus à l'activité biologique (comme l'oxygène photosynthétique sur Terre) et la détection directe des organismes (comme la végétation sur Terre). Sur la Terre, tout l'oxygène est dû à la photosynthèse par les plantes et le plancton. Quant à la végétation, elle a des couleurs caractéristiques dans l'infrarouge proche, différentes de tous les minéraux ; c'est ce que l'on appelle le  « Vegetation Red Edge ».

Serait-il possible de détecter une civilisation extraterrestre ?

Jean Schneider : Bien que nous ne proposions pas cela comme un objectif, nous sommes ouverts à l'exploration de technosignatures possibles. Par exemple, on pourrait voir un analogue des lumières des villes sur la Terre.

Exemple de spectre de la végétation dans différentes longueurs d'onde. © Elowitz, Mark R

Aussi grand soit-il, cet observatoire lunaire aura-t-il ses propres limites ?

Jean Schneider : Oui. Pour en apprendre davantage sur ces mondes, un OWL lunaire, aussi grand soit-il, sa résolution angulaire ne sera évidemment pas infinie. Cela dit, un interféromètre d'intensité Terre-Lune pourrait nous fournir la résolution angulaire extrêmement élevée nécessaire ! Avec un OWL lunaire, ou même un précurseur de seulement 10 mètres, on pourrait facilement aborder l'interférométrie d'intensité optique avec des lignes de base et une résolution angulaire sans précédent. Par exemple, nous pourrions mesurer la hauteur des montagnes sur des exoplanètes en transit, voire détecter des volcans !

Ce qu'il faut retenir de l'interférométrie d'intensité, c'est que contrairement à l'interférométrie classique telle qu'elle se pratique au Very Large Telescope par exemple, on n'a pas besoin de contrôle ultra-précis de la surface des miroirs. On se contente d'enregistrer (à la femtoseconde près) le temps d'arrivée des photons. L'inconvénient, c'est qu'il faut beaucoup de photons. Ça ne marche donc pas bien pour les exoplanètes elles-mêmes, qui sont trop peu lumineuses. Par contre, mon idée c'est que ça marche pour les transits de planètes devant une étoile qui, elle, est 10 millions de fois plus brillante. Grâce à la très haute résolution angulaire de l'interférométrie d'intensité Terre-Lune, on peut voir les détails (montagnes) du bord du disque planétaire quand il passe devant l'étoile.

Cet observatoire lunaire pourrait-il être utile à d’autres disciplines  ?

Jean Schneider : Évidemment. Il devrait être capable de détecter les premières étoiles, galaxies et noyaux galactiques actifs formés à la fin des âges sombres. De nombreux télescopes spatiaux (WFIRST, Luvoir) et terrestres, tels que E-ELT et Subaru-PFS ne seront peut-être pas capables de remonter si loin dans le temps, au plus près du Big-Bang.

Peut-on dire qu’il observera la formation des premiers objets de l’Univers ?

Jean Schneider : C'est le pari. Nous pensons qu'un interféromètre Terre/Lune devrait être capable de remonter le temps aussi loin et permettra d'observer les âges sombres, la phase d'inflation qui a engendré les grandes structures et cartographier les premiers objets de l'Univers, s'ils émettent en lumière visible évidemment. J'ajouterais que la durée de vie de cet observatoire s'étendra bien au-delà de 2050, à une période où les projets de missions interstellaires seront suffisamment avancés pour qu'une mission soit lancée à destination d'une autre étoile.

L’OWL lunaire sera-t-il utilisé pour communiquer avec des sondes interstellaires ?

Jean Schneider : Oui. La question de comment on récupère les données d'une telle sonde est un sujet de préoccupation. Mon idée, au lieu d'utiliser une antenne radio de la sonde, c'est d'utiliser la lumière de l'étoile parente de la planète : soit par des miroirs réfléchissants mobiles locaux, soit par des occultations par des écrans mobiles pour coder une information.

Y a-t-il un intérêt à observer la Terre depuis ce OWL lunaire ?

Jean Schneider : L'intérêt est plutôt d'obtenir des mesures dites de référence qui nous aideront à mieux comprendre la composition de l'atmosphère des exoplanètes qu'observera l'OWL lunaire, et leurs biosignatures, tout simplement en les comparant avec celles de la Terre. Les satellites, qu'ils soient en orbite basse ou en géostationnaire, ont une vue trop détaillée pour avoir une perspective globale de la Terre. Un précurseur de seulement un mètre serait utile pour la télédétection spectro-polarimétrique globale de l'atmosphère et de la surface (terre, océan, végétation).

Vous semblez assez confiant dans sa réalisation alors que l’ESO a abandonné ce projet en raison de difficultés technologiques !

Jean Schneider : Effectivement. La technologie est difficile, mais pas plus que celle requise pour construire l'ELT ou Luvoir. Imaginez que nous soyons dans la période 2035-2050. À cette époque, de nombreuses avancées technologiques auront été réalisées depuis 2020. Par exemple, le projet Nautilus ou le projet WAET auront débuté. Nautilus a conçu une nouvelle technologie pour des télescopes bon marché et légers de huit mètres. Ceci est basé sur une version modifiée des lentilles de Fresnel, fabriquées en plastique léger. WAET est une très grande ouverture rectangulaire de 10 m x 100 m. La qualité optique de ces deux projets ne conviendrait pas à l'interférométrie standard, mais suffirait à l'interférométrie d'intensité et à la spectroscopie haute résolution. C'est une opportunité unique que nous devons exploiter maintenant que les agences spatiales internationales envisagent sérieusement un retour sur la Lune.

Un télescope précurseur sera-t-il construit sur Terre ?

Jean Schneider : Pas sur Terre, mais sur la Lune. Nous prévoyons la construction d'un ou plusieurs télescopes précurseurs d'un à huit mètres de diamètre de façon à démontrer l'intérêt scientifique et tester l'interférométrie d'intensité pour les sources les plus brillantes. La construction et le déploiement posent des défis mais qui deviendront sans aucun doute réalisables à mesure que le nouvel âge de l'exploration lunaire progressera.

À combien estimez-vous son coût ? Cinq milliards ?

Jean Schneider : C'est de cet ordre de grandeur. Mais il faut voir ce projet dans la perspective du Moon village de l'Agence spatiale européenne. L'utilisation potentielle des ressources lunaires pour faciliter la construction d'infrastructures scientifiques sur la Lune ne peut pas être sous-estimée. Par exemple, le projet HST a été grandement facilité par le programme de vols habités, y compris le développement de la navette spatiale et la construction de l'ISS. Une logique similaire est susceptible de s'appliquer à l'exploration lunaire, avec une infrastructure lunaire susceptible de subventionner des projets autrement impossibles à réaliser sur le plan fiscal tels que OWL lunaire.

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