PRIMA () est un télescope spatial infrarouge de la NASA qui a été sélectionné en septembre 2026. Son coût est évalué à 1,2 milliards US$. Si la revue prévue à la fin de la phase B est positive le télescope sera placé en 2033 en orbite autour du point de Lagrange L2 pour une mission d'une durée initiale de 5 ans. PRIMA est le premier représentant d'une nouvelle classe de mission d'astrophysique, baptisée Probe Explorers, caractérisée par un budget compris entre celui des missions Explorer et celui des télescopes (télescopes JWST, Roman, HWO).

La mission poursuit trois objectifs principaux : rechercher l'origine des exoplanètes et de leur atmosphère, identifier comment les trous noirs supermassifs et les galaxies ont évolué ensemble depuis le début de l'univers et déterminer comment la poussière interstellaire et les métaux se sont formés et ont généré des galaxies.

Le télescope spatial dispose d'une optique de 1,8 mètre de diamètre. Les instruments sont un imageur polarimètre et un spectrographe. Il est refroidi de manière active à une température de 4,5 kelvin par des cryoréfrigérateurs pour lui permettre d'observer dans l'infrarouge lointain entre 24 et 261 micromètres.

Historique

Recommandations du rapport décennal de l'Académie des Sciences des États-Unis

Comme en début de chaque décennie, l'Académie nationale des sciences des États-Unis publie en 2023 son rapport sur l'état des lieux des recherches en astronomie et les besoins (instruments) identifiés par la communauté scientifique américaine. Le rapport recommande de poursuivre le développement par l'agence spatiale américaine, la NASA de nouveaux télescopes spatiaux à faible coût (plafonné en 2022 à 290 millions US$) dans le cadre de son programme Explorer ainsi que la poursuite des travaux préliminaires sur la mission "amiral" (HWO), similaire pour sa complexité au télescope JWST (coût de l'ordre de 10 milliards US$) et ayant pour objectif l'étude des exoplanètes situées dans la zone habitable, qui doit être lancée au début de la décennie 2040. Mais le rapport décennal préconise également la création d'une nouvelle classe d'observatoires spatiaux d'un coût intermédiaire (1,5 milliard US$) permettant de répondre aux besoins identifiés par chaque rapport dans un délai raisonnable. Le montant du budget est choisi pour permettre le développement d'une nouvelle mission chaque décennie. Deux thèmes de recherche prioritaires sont identifiés pour la mission qui serait retenue pour la décennie 2020 : Un télescope effectuant ses observations dans l'infrarouge lointain. Ce thème était déjà identifié comme prioritaire dans le rapport décennal 2010 et devait être pris en charge par la mission nippo-européenne SPICA. Mais le développement de celle-ci a été abandonné pour des raisons de coût lié à sa complexité technique. Un tel instrument pourrait faire avancer de manière significative plusieurs domaines de recherche : identification ds signatures astrochimiques des planètes en formation, développement des galaxies, évolution conjointe des galaxies et des trous noirs supermassifs. Un télescope spatial effectuant ses observations dans le rayonnement X avec une résolution spatiale élevée (< 1 seconde d'arc) et une résolution spectrale atteignant 5700. L'agence spatiale européenne développe l'observatoire à rayons X ATHENA (lancement prévu en 2037) mais sa résolution spatiale n'est que de 5 secondes d'arc et son spectromètre est loin d'atteindre la valeur souhaitée. Les thèmes de recherche qui seraient pris en charge sont l'identification des processus conduisant à la formation et l'évolution des galaxies via l'observation des phénomènes d'accrétion du gaz par les trous noirs supermassifs, la recherche des trous noirs primordiaux (décalage vers le rouge de 10) et la caractérisation de l'activité des étoiles et de leur évolution.

Sélection du télescope PRIMA par la NASA

La NASA, se conformant aux recommandations du rapport décennal malgré les incertitudes budgétaires concernant son programme scientifique mis à mal par l'administration Trump, décide de créer en 2024 une nouvelle classe de missions d'astrophysique baptisée Probe Explorers dont le budget est plafonné à 1 milliard US$ hors coût de lancement (réactualisé à 1,2 milliards US$ en 2026) et de sélectionner une première mission avec un lancement prévu au début de la décennie 2030Le budget des missions cette nouvelle classe est proche de celui des missions du programme New Frontiers dédié à l'exploration du système solaire. Ce dernier avait été créé par la NASA en 2002 pour des raisons similaires : créer une catégorie de mission au coût intermédiaire entre les projets du programme Discovery et les missions "flagship").. Deux projets, répondant chacune à l'un des thèmes de recherche identifiés par le rapport décennal, sont proposés par les établissements de l'agence spatiale : d'une part l'observatoire à rayons X mous (0,3-10 keV) grand angle AXIS proposé par le Centre de vol spatial Goddard d'autre part PRIMA, dédié à l'observation de l'infrarouge lointain, proposé par le Jet Propulsion LaboratoryPRIMA fait suite à plusieurs propositions infructeuses portant sur l'observation de l'infrarouge lointain dont le très ambitieux projet Origins de la NASA qui devait disposer d'un miroir primaire de 9 mètres et qui a été abandonné suite au choix (HWO).. L'évaluation s'effectue dans un climat très dégradé par les réductions de personnel et la baisse d'activité des deux établissements. Le télescope PRIMA est sélectionné par la NASA en septembre 2026. Les responsables du projet AXIS attribuent leur échec à la désorganisation de leur établissement engendrée par les décisions de l'administration Trump.

Suite à cette sélection le projet entre en phase B durant laquelle la conception préliminaire et les développements technologiques sont détaillés. A l'issue de cette phase une revue doit être menée pour valider les performances techniques, la programmation du développement et le coût. Si cette évaluation est positive, la construction du télescope spatial (phase C) pourra commencer. Le coût de la mission est évalué à 1,2 milliards US$ et son lancement est planifié en 2033.

Organisations impliquées dans le projet

La gestion du projet est confiée au Jet Propulsion Laboratory, établissement de la NASA, avec des participations d'autres établissements de l'agence spatiale : Centre de vol spatial Goddard et Centre de vol spatial Marshall. Des contributions importantes sont également fournies par les agences spatiales française (CNES), sud-coréenne (KASA), japonaise (JAXA), italienne (ASI), allemande (DLR), canadienne (Agence spatiale canadienne) et britannique.

Positionnement de PRIMA par rapport aux télescopes spatiaux Herschel et JWST

PRIMA peut être considéré comme le successeur du télescope spatial Herschel (2009-2013) de l'Agence spatiale européenne. Ce dernier était doté d'un miroir primaire de 3,5 mètres (meilleure résolution spatiale), couvrait la bande spectrale allant de 55 à 672 micromètres (observations étendues aux ondes submillimétriques) mais par contre avait une durée de vie limitée (3 ans et demi) par son système de refroidissement reposant sur l'évaporation d'hélium liquide. Par contre PRIMA est bien plus sensible que Herschel grace à la technologie de ses détecteurs KIDs. Par rapport au télescope JWST, opérationnel depuis 2022, PRIMA a un rôle complémentaire dans la mesure où le JWST ne peut observer l'infrarouge que jusqu'à 28 micromètres.

+Comparaison des caractéristiques des principaux télescopes spatiaux observant dans l'infrarouge moyen et lointain Caractéristique PRIMA Spitzer JWST Herschel SOFIA Agence spatiale NASA ESA NASADébut et fin de mission 2033- 2003-2020 2021- 2009-2013 2007-2022Principaux objectifs scientifiques Bande spectrale infrarouge 24 – 3,6 – 0,9 – 55 - 1 – Type télescope Korsch Ritchey-Chrétien Anastigmatique à trois miroirs Cassegrain Ouverture Longueur focale Champ de vue deg² deg² 0,0032 deg² deg² deg²Résolution spatiale 0,063 seconde d'arc Résolution spectrale 150- Instruments Imageur, spectrographe , polarimètre Imageur, spectrographe Imageur, spectrographe dont multi-objets, coronographe Imageur, spectrographe Imageur, spectrographe , polarimètre Détecteurs (NIRCam) Masse ~ Sans objet Orbite Point de Lagrange L2 Orbite héliocentrique Point de Lagrange L2 AéroportéMaintenance ? Non Non Non Sans objetCoût approximatif phase opérationnelle comprise jusqu'à la date indiquée 1,2 milliards US$¹ 1,36 milliards US$² 10 milliards € (2026) 1,1 milliards €² ¹Hors cout de lancement ; ²Jusqu'à la fin de la mission.

Objectifs

L'une des missions principales de PRIMA est d'observer une période peu étudiée de l'Univers située entre 5 et 10 milliards d'années avant notre ère. Durant cette période, baptisée Univers intermédiaire, le taux de formation des étoiles atteint son pic. La plage spectrale observée par PRIMA lui permet d'étudier le milieu interstellaire et intergalactique froid dans une gamme d'ondes beaucoup plus étendue que le JWST mais également les disques protoplanétaires et les anciennes galaxies très lointaines.

Les objectifs définis par l'équipe scientifique de la mission PRIMA, qui dispose de 25% du temps d'observation, sont : Rechercher l'origine des exoplanètes et de leur atmosphère. Il s'agit d'une part d'évaluer la masse de l'eau présente dans les disques protoplanétaires pour déterminer si cette quantité est suffisante pour diriger la formation des planétésimaux et des noyaux de planète géante à proximité de la ligne de glace. D'autre part l'objectif est d'estimer l'abondance des éléments chimiques dans les disques protoplanétaires pour déterminer si la quantité de carbone et d'oxygène dans la zone de formation des planètes diffère de celle du système solaire comme semblent l'indiquer de récentes mesures effectuées sur l'atmosphère d'exoplanètes ; Identifier comment les trous noirs supermassifs et les galaxies ont évolué ensemble depuis le début de l'univers. Mesurer la vitesse de formation des trous noirs et de nouvelles étoiles. Quelle est la relation entre l'accrétion des trous noirs et la croissance stellaire dans les galaxies lumineuses à partir du moment où celles-ci ont atteint son apogée. Mesurer le taux d'éjection de matière par les galaxies lumineuses. La masse de matière moléculaire éjectée par les galaxies lumineuses une fois leur apogée atteinte est elle suffisamment importante pour interrompre la formation de nouvelles étoiles. Déterminer comment la poussière interstellaire et les métaux se sont formés et ont généré des galaxies. Déterminer comment la relation entre les petits grains de poussière et les éléments lourds ont évolué depuis le pic de l'évolution des galaxies. Déterminer comment la structure et la composition des grains de poussière sont liées aux caractéristiques de l'univers local.

75% du temps d'observation est réservé au reste de la communauté scientifique internationale. Celle-ci a identifié 76 thèmes de recherche dans les domaines suivants : Écosystèmes cosmiques ; Évaluation du rôle des champs magnétiques cosmiques ; Formation des étoiles dans le domaine temporel ; Atmosphère des exoplanètes et des naines brunes ; Origine de l'eau de notre planète. Celle-ci pourrait avoir été présente dès la formation de la Terre ou apportée après celle-ci par des impacts d'autres corps célestes. L'étude spectroscopique par PRIMA des comètes et des astéroïdes du système solaire fournira des informations sur la composition isotopique de ces corps ainsi que sur le processus de formation des planètes et apportera des éléments à l'une ou l'autre des théories ; Par ailleurs la sensibilité de l'observatoire dans l'infrarouge lointain, une bande spectrale jusque là peu étudiée, pourra déboucher sur des découvertes inattendues.

Caractéristiques techniques

Plateforme/bus