Nancy-Grace-Roman (télescope spatial)

vignette|alt=|Le télescope spatial est préparé dans une salle blanche du centre spatial Kennedy en vue de son lancement ().

Nancy-Grace-Roman (NGRST pour l'anglais , ou RST pour ), anciennement (WFIRST), est un télescope spatial infrarouge développé par l'agence spatiale américaine, la NASA. Ce télescope spatial, qui constitue pour la NASA un instrument d'astrophysique majeur de la classe du JWST et de Hubble, est lancé le .

Il doit poursuivre les investigations menées jusque-là par ses prédécesseurs sur l'énergie sombre, les exoplanètes et plus généralement l'astrophysique. L'énergie sombre représente les trois quarts de la masse/énergie de l'Univers. Au lancement du projet en 2014, comme en 2019, sa nature reste une des principales énigmes dans le domaine de la cosmologie.

Le développement de Roman par la NASA a pour origine le rapport décennal de 2010 du Conseil national de la recherche des États-Unis qui donne, pour l'astrophysique spatiale, la plus haute priorité à l'étude de l'énergie sombre. Cette forme d'énergie, dont l'existence a été découverte de manière indirecte en 1998, est une composante majeure de l'Univers mais sa nature relève de spéculations. Roman a également pour objectif d'effectuer un recensement statistique (masse et distance de leur étoile) des exoplanètes situées dans le bulbe galactique par l'observation des microlentilles gravitationnelles et d'identifier et de caractériser celles situées à proximité du système solaire à l'aide d'un coronographe. Le troisième objectif est de cartographier et caractériser les sources infrarouge de la Voie lactée.

Le télescope spatial Roman a une masse de et est long de . Il dispose d'un miroir primaire de cédé par la NRO et est équipé de deux instruments : un imageur/spectrographe et un coronographe. Les observations sont effectuées en lumière visible et dans le proche infrarouge (). Pour remplir ses objectifs Roman dispose d'une focale courte avec un champ de vue étendu et un détecteur de . Ses instruments lui permettent de produire des images de la qualité du télescope Hubble en couvrant environ plus de surface (0,281 degré carré). Le coronographe expérimental combine plusieurs techniques lui permettant de masquer une étoile de fois plus brillante que les planètes qui gravitent autour d'elle.

Roman, dont le coût est estimé à de dollars américains, est entré dans une phase de développement actif en . Il est placé en orbite autour du du système Terre-Soleil à de kilomètres de la Terre. Sa mission primaire a une durée de mais il emporte des consommables (ergols) garantissant son fonctionnement durant .

Le télescope porte le nom de l'astrophysicienne américaine Nancy Grace Roman (1925-2018) qui a développé les premiers observatoires spatiaux de la NASA (Orbiting Solar Observatory) et a joué un rôle moteur dans le lancement du projet du télescope spatial Hubble.

Contexte

Le télescope spatial Roman résulte de la convergence de plusieurs projets d'observatoires spatiaux ayant pour objectif l'étude de l'énergie sombre (un phénomène découvert au début des années 1990, également appelée énergie noire, qui représente les trois quarts de la masse/énergie de l'Univers et dont la nature reste une des principales énigmes dans le domaine de la cosmologie), la détection des exoplanètes par l'observation des microlentilles gravitationnelles et la cartographie du ciel dans l'infrarouge. En 2000, le projet de télescope spatial GEST (), dont l'objectif est à la fois l'exploitation des microlentilles gravitationnelles et l'étude de l'énergie sombre est proposé à la NASA mais n'est pas retenu. Ce projet est modifié au cours de la décennie suivante et devient MPF () qui est proposé au moment de l'élaboration du rapport décennal 2010 fixant les priorités dans le domaine de l'astronomie et de l'astrophysique pour la décennie suivante.

Peu après avoir découvert en 1998 l'énergie sombre Saul Perlmutter (Prix Nobel de physique en 2011 pour cette réalisation), propose avec Michael Levi le développement de l'observatoire spatial SNAP (). L'étude de ce projet est réalisée au sein du Département de l'Énergie. Sa fusion avec une étude similaire menée au sein de la NASA débouche sur le projet JDEM () dirigé par Neil Gehrels du centre de vol spatial Goddard. La découverte de l'énergie sombre entraîne également de multiples propositions d'observatoires spatiaux au sein des centres de recherche américains : ADEPT () est proposé par une équipe de l'université Johns-Hopkins. Des chercheurs du proposent (). JEDI () est proposé par un chercheur de l'université de l'Oklahoma. La NASA et l'Agence spatiale européenne (ESA) envisagent brièvement de fusionner leurs projets JDEM et Euclid (pour l'ESA) au sein de IDECS (). Cette fusion n'aboutit pas, mais les deux agences décident de coopérer à leurs projets respectifs. La cartographie du ciel dans l'infrarouge, le troisième objectif de Roman, est l'objet du projet NIRSS (), proposé par Daniel Stern du .

Historique du projet Roman

Il s'écoule entre les premières études et le lancement du télescope Roman. Le projet Roman de la NASA est élaboré en réponse à la priorité donnée en 2010 par la communauté scientifique à l'étude de l'énigmatique énergie sombre. Il repose initialement sur un miroir de . Mais la NRO cède gracieusement en 2012 à l'agence spatiale deux miroirs de qui devaient être utilisés par des satellites de reconnaissance optique qui n'ont finalement pas été construits. Le changement de taille du miroir ainsi que ses capacités moindres dans l'infrarouge, imposent une révision en profondeur des spécifications de l'observatoire spatial. La phase de développement du projet débute officiellement en 2016. Le projet entre rapidement dans une phase de turbulence principalement due au doublement du budget alloué qui atteint plus de malgré les coupes opérées dans les capacités du coronographe, un des deux instruments de l'observatoire. La présidence des États-Unis tente sans succès d'annuler le projet dans ses propositions budgétaires de 2019 et de 2020. Au cours des années suivantes, le projet se poursuit sans événement significatif. Renommé en 2020 en l'honneur de l'astrophysicienne américaine Nancy Grace Roman, la phase de réalisation et de test s'achève début 2026.

WFIRST : un projet identifié comme prioritaire par la communauté scientifique (2010)

Les priorités dans le domaine de l'astronomie et de l'astrophysique sont définies tous les dix ans dans un rapport publié par le Conseil national de la recherche des États-Unis et rédigé par la communauté scientifique. Le rapport publié en 2010 et baptisé (« Nouveaux mondes, nouveaux horizons »), fixe les priorités pour la décennie 2015-2025. Il recommande la fusion des objectifs des projets NIRSS, MPF et JDEM dans un seul projet qui est baptisé WFIRST () c'est-à-dire télescope d'étude infrarouge grand champ) auquel est donnée la priorité la plus élevée. WFIRST doit étudier la nature de l'énergie sombre en utilisant trois techniques en parallèle : la mesure des oscillations acoustiques baryoniques, la mesure des distances des supernova et l'étude des lentilles gravitationnelles faibles. L'objectif est de déterminer l'impact de l'énergie sombre sur l'évolution de l'Univers. Un autre objectif de WFIRST est l'étude des exoplanètes dans le bulbe central de notre galaxie à travers l'observation des lentilles gravitationnelles. Pour y parvenir le télescope envisagé disposera d'un miroir primaire de de diamètre avec un champ de vue étendu. Il peut observer le proche infrarouge et a une capacité de spectroscopie avec une résolution spectrale basse. Le cout du projet est évalué à US$ et le lancement est prévu pour 2020. Une phase d'étude menée par six personnes débute au sein de la NASA. Le projet fait partie du programme Exoplanet Exploration (ExEP) qui comprend également le télescope spatial Kepler et l'interféromètre LBTI du télescope terrestre Large Binocular Telescope.

Cession à la NASA de l'optique des satellites de reconnaissance de la NRO (2012)

La conception initiale de WFIRST, dite IDRM car décrite dans le rapport () de 2011, repose sur une optique dotée d'un miroir primaire de de diamètre. Mais en l'agence américaine (NRO) cède à la NASA, sans contrepartie financière, deux télescopes optiques d'une valeur unitaire de . Ceux-ci ont été fabriqués par la société ITT/Exelis pour le projet de satellite de reconnaissance FIA-Optical arrêté en cours de développement. L'optique du satellite FIA-Optical, qui comprend un miroir primaire de de diamètre, est conçue pour fournir des images couvrant de grandes surfaces dans le but de compléter les images beaucoup plus détaillées produites par la famille de satellites de reconnaissance de la NRO KH-11 Kennen et Crystal qui sont en opération depuis 1976. Ce miroir de a une taille identique à celui du télescope Hubble, qui avait été également fourni par une source militaire. La cession ne porte que sur le miroir primaire de l'optique du futur observatoire spatial : l'instrumentation scientifique, le reste de l'optique (miroir secondaire) ainsi que le bus (module de service) restent à concevoir et fabriquer par la NASA.

Refonte du projet autour de l'optique cédée par la NRO (2013-2015) +Comparaison de la version d'origine (IDRM) et de la version AFTA. Caractéristique IDRM AFTAOptique Miroir ∅ hors axe Miroir ∅ dans l'axeInstruments Imageur WFI avec prisme 2 spectrographes WFI avec grisme Spectrographe à champ intégral CoronographeSpectre observé 0,6-Champ de vue 0,291 degré² 0,281 degré²Résolution spatiale d'arc d'arcPixels image Orbite Orbite géostationnaire

Ajout du coronographe vignette|Le champ de vue de Roman (chaque rectangle correspond à l'image capturée par un des 18 détecteurs de l'instrument WFI) comparé à celui de Hubble et JWST figurés par les petits carrés situés sous la photo du ciel.

La NASA décide d'adapter son projet WFIRST, qui est rebaptisé temporairement WFIRST-AFTA (Astrophysics Focused Telescope Assets), afin d'utiliser un des deux ensembles optiques (la deuxième optique faute de moyens financiers ne sera pas utilisée par l'agence spatiale). Cette nouvelle configuration doit théoriquement permettre de réduire le coût évalué à ce moment à $ tout en améliorant les performances de télescope spatial. Une étude détaillée de l'architecture incorporant ce nouvel élément publiée en confirme l'intérêt de ces modifications et l'agence spatiale américaine décide l'adoption de l'optique cédée par la NRO. Toutefois l'utilisation du nouveau miroir augmente en fait considérablement le coût du projet. Par ailleurs l'optique cédée n'est pas optimisée pour l'observation dans l'infrarouge alors que ce rayonnement est essentiel pour l'étude des galaxies lointaines et donc de l'énergie sombre. Le télescope spatial ne devait disposer que d'une caméra équipée pour la spectroscopie. Pour compenser la réduction des performances dans l'infrarouge, la NASA décide d'ajouter un coronographe qui doit permettre d'étudier les exoplanètes.

Changement d'orbite

Initialement le télescope spatial est conçu pour être placé sur une orbite géosynchrone avec une inclinaison orbitale de 28,5°. Par rapport à une orbite autour du , l'orbite géosynchrone présente plusieurs avantages. Le principal porte sur le volume de données transféré, un facteur très important pour WFIRST : sur une orbite géosynchrone, le télescope spatial survole toujours la même région de la Terre ce qui permet de transférer de manière continue des données. Autour du , le transfert doit être effectué lors de vacations limitant le volume et imposant l'emport d'une mémoire de masse de très grande capacité. Le principal avantage de l'orbite autour du , est la suppression des contraintes d'observation liées à la proximité de la Terre et de la Lune. L'étude de 2015 n'avance aucune préconisation mais, par la suite, l'orbite géosynchrone est abandonnée..

Planification