Voici ce que WFIRST trouvera - si nous pouvons le sauver.

Les simulations montrent que le télescope spatial de nouvelle génération sera vraiment extraordinaire.

Ce lundi, la Maison Blanche a publié son projet de budget pour l'exercice 2020, qui détaille le financement d'un certain nombre d'agences fédérales, dont la NASA. Le budget propose des coupes nettes de 481 millions de dollars à l'agence spatiale, y compris la suppression totale d'un financement impressionnant de 381 millions de dollars pour le télescope à enquête infrarouge en champ large, ou WFIRST, dont le lancement est prévu pour le milieu des années 2020. C'est la deuxième année consécutive que l'administration tente de tuer le télescope spatial, qui n'a été sauvé que par le Congrès.

Une version plus ancienne proposée de WFIRST date de 2019. Depuis, le télescope a connu plusieurs itérations, ses objectifs scientifiques ayant changé. Crédit d'image: NASA.

Comme prévu, le stratagème - justifié par les dépassements de coûts concurrents du télescope spatial James Webb - a suscité une opposition considérable de la part des astronomes, qui considèrent le WFIRST comme l’une des priorités absolues de la NASA pour la prochaine décennie. Ils soutiennent que l'arrêt du projet, vieux de six ans, porterait un coup dur à l'astronomie dans deux domaines principaux:

  • L’astronomie exoplanète, qui tirera parti des perspectives révolutionnaires de WFIRST pour la découverte de nouveaux mondes grâce à la microlentille gravitationnelle et à l’imagerie directe.
  • La cosmologie, qui mesurera la densité, l’évolution et la nature fondamentale de l’énergie noire grâce aux levés de la galaxie et de la supernova de WFIRST.

Il n’est donc pas surprenant que les scientifiques souhaitent obtenir des idées quantitatives sur les résultats qu’ils espèrent obtenir de WFIRST. Des simulations détaillées ont été effectuées au cours des dernières années pour tenter de déterminer ce qu’elles trouveront. Pour comprendre pourquoi la survie de WFIRST est un si gros problème, permettez-moi de vous faire voyager à travers certaines de ces simulations de ce que les années 2020 pourraient nous réserver.

Avant d’y arriver, cependant, je devrais vous parler un peu du vaisseau spatial dont nous parlons. WFIRST dispose d'un télescope de 2,4 mètres conçu pour détecter la lumière infrarouge; il a la même taille que le télescope spatial Hubble et peut observer de nombreuses longueurs d’onde identiques. Il sera probablement en orbite à un endroit appelé le deuxième point Lagrange Soleil-Terre, situé au-delà du côté nocturne de la Terre.

Diagramme du coronographe de WFIRST, montrant son radiateur de refroidissement, son spectrographe et d’autres composants essentiels. Crédit image: NASA / Goddard Spaceflight Center.

WFIRST est attaché au télescope avec deux instruments: le très bien nommé Wide Field Instrument (WFI), qui donnera à l'observatoire un large champ de vision pour les observations par imagerie et spectroscopie, et l'instrument coronagraphique, qui possède également capacités d'imagerie et de spectroscopie, mais avec un petit champ de vision, et peuvent bloquer la lumière des étoiles pour voir leurs éventuelles exoplanètes sombres en orbite.

Ensemble, ces instruments, travaillant activement sur un vaisseau spatial à une trentaine de kilomètres de la Terre, fourniront des avancées dans deux domaines en pleine croissance: les exoplanètes et l’énergie noire. Voyons ce que les astronomes pensent qu’ils vont trouver - et regardons des simulations récentes.

Trouver des exoplanètes à travers un nouveau type de lentille

Les 25 dernières années ont été riches en astronomie exoplanétaire. Depuis la première découverte confirmée d'une exoplanète en 1992, les astronomes ont découvert 4 000 exoplanètes autour de 3 000 étoiles environ, et de nombreuses autres attendent d'être confirmées. Ces planètes ont été largement détectées à travers deux techniques principales:

  • La méthode de la vitesse radiale, qui utilise la spectroscopie pour détecter les perturbations dans le mouvement d’une étoile causées par une exoplanète en orbite.
  • La méthode de transit, qui recherche les baisses de luminosité d’une étoile quand une exoplanète passe entre l’étoile et la Terre.

Bien que tous deux aient généré un nombre spectaculaire de nouveaux mondes, ils sont tous deux partisans de la recherche de planètes de grande taille, massives et proches de leurs étoiles hôtes. Il existe d’autres méthodes permettant de réduire ce biais, telles que la microlentille gravitationnelle. La microlentille est basée sur le principe qu’un objet massif déforme l’espace-temps, et donc des rayons de lumière traversant l’univers. Cela signifie qu'une étoile devrait déformer la lumière des étoiles d'arrière-plan - et toute planète en orbite autour d'elle devrait contribuer à la distorsion. Il s'avère que ces écarts sont mesurables! Cette technique est en fait assez efficace pour trouver des exoplanètes de faible masse aux rayons orbitaux comme la Terre, mais elle nécessite idéalement des télescopes à haute résolution et un ciel dégagé. Jusqu'à présent, très peu d'exoplanètes ont été découvertes grâce à la microlentille.

Vue d’artiste sur OGLE-2005-BLG-390Lb, une exoplanète découverte grâce à la microlentille gravitationnelle en 2005. Crédit image: ESO, sous la licence Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

WFIRST a le potentiel de changer tout cela. L’un des avantages de WFIRST par rapport aux enquêtes de microlentilles plus anciennes est qu’il sera dans l’espace, ce qui évite les distorsions atmosphériques. Ceci, combiné à son imagerie haute résolution et à son large champ de vision, lui permet d'observer de nombreuses étoiles de faible intensité qui sont des cibles impossibles pour les enquêtes de microlenture basées au sol.

Un article qui démontre cette capacité est Penny et al. 2018, une analyse effectuée l'an dernier. Le groupe visait à simuler les taux de détection d'événements de microlentille liés à des planètes liées, c'est-à-dire des détections de microlentilles par des exoplanètes en orbite autour d'étoiles, plutôt que de flotter seules dans l'espace. Ils ont eu quelques défis à affronter:

  • La conception de WFIRST a évolué au fil du temps, il a donc fallu prendre en compte plusieurs configurations antérieures.
  • Le seuil de sensibilité pour une détection n’est pas complètement convenu, même pour d’autres enquêtes de microlentille.
  • Les étoiles binaires peuvent produire beaucoup de faux positifs, avec un composant imitant une exoplanète.

Tout d'abord, Penny et al. a utilisé un programme appelé GULLS pour simuler le ciel en utilisant des catalogues d’étoiles synthétisés et un modèle de la galaxie, en limitant soigneusement les simulations aux champs de vision réels de WFIRST. Ils devaient inclure un large éventail de propriétés d'étoiles et de planètes, ce qu'ils ont fait en assumant certaines fonctions de masse - des lois qui prédisent la fréquence à laquelle un corps d'une masse particulière et les propriétés correspondantes apparaîtront dans un jeu de données. À partir de là, ils ont généré des événements de microlentille et pris en compte le nombre correspondant au seuil de détection du télescope, en utilisant un paramètre appelé ², défini sur 160. Si une quantité statistique appelée ² («chi-carré») était supérieure à 160, événement donné, il a compté comme une détection.

Les simulations ont montré que WFIRST devrait voir une centaine d’exoplanètes de masse terrestre ou inférieure, c’est-à-dire 200 au total inférieur ou égal à 3 masses terrestres, selon la conception actuelle du WFIRST («cycle 7»). Au total, la première enquête sur la microlentille devrait trouver 1 400 exoplanètes utilisant la méthode, soit plusieurs fois le nombre actuel découvert grâce à la microlentille.

La figure 8, Penny et al. Voici un certain nombre de résultats de simulation basés sur différentes conceptions WFIRST et fonctions de masse exoplanètes. Le télescope semble optimisé pour les planètes composées de masses situées entre Terre et Uranus, y compris les super-Terres, une classe hybride d’objets terrestres à atmosphère gazeuse épaisse.

Globalement, les simulations montrent une sensibilité beaucoup plus grande aux exoplanètes dans la gamme 1–10 UA, avec des rayons orbitaux similaires à ceux de la Terre et de Mars. Nous devrions également nous attendre à voir un certain nombre de planètes de masse terrestre, qui n’avaient jamais été observées auparavant dans cette plage orbitale. Cela signifie que WFIRST pourra peut-être nous montrer des systèmes planétaires comme le nôtre, ce que Kepler et d'autres télescopes spatiaux ne peuvent pas. L'important de cela ne peut être sous-estimé.

La figure 9, Penny et al. C'est l'intrigue qui devrait vous faire dire

Désormais, pour compléter ses mesures de microlentille, WFIRST sera également en mesure de détecter les exoplanètes via une imagerie directe. L'imagerie directe est une technique qui prend des photos d'un système stellaire mais bloque la lumière de l'étoile, permettant ainsi au télescope de voir des objets plus pâles à proximité. Bien que cela soit plus sensible aux corps plusieurs fois la masse de Jupiter, cela fonctionne bien pour les exoplanètes en orbite encore plus éloignées de leurs étoiles. Cependant, à l'instar de la microlentille, l'imagerie directe n'a jusqu'à présent que très peu de succès.

En utilisant l’imagerie directe, le coronographe de WFIRST devrait permettre de découvrir une douzaine d’exoplanètes situées entre 3 et 10 UA de leurs étoiles hôtes. À ce jour, l'imagerie directe par des télescopes sur Terre n'a pas permis de trouver de nombreuses exoplanètes dans cette gamme - une raison de plus pour laquelle WFIRST est prêt à repousser les limites de l'astronomie des exoplanètes.

Faire la lumière sur les ténèbres

Au moment même où l'exoplanétologie décollait, l'énergie noire se dressait au premier plan de la cosmologie moderne. À la fin des années 90, l’équipe de recherche High-Z Supernova et le projet Supernova Cosmology ont mesuré de manière indépendante les sélections de supernovae de type Ia, des naines blanches explosant dans des systèmes binaires. La plupart de ces supernovae devraient avoir la même luminosité, ce qui en fait des bougies standard utiles. En utilisant la supernovae de type Ia pour mesurer les vitesses de récession des galaxies, les groupes ont clairement démontré que l'expansion de l'univers s'accélérait - résultat d'un prix Nobel.

Figures 4 et 5, Riess et al. 1998. Ces diagrammes tracent les modules de distance des supernovae de type Ia par rapport à leur décalage vers le rouge. La tendance des points de données indique que l'univers est en expansion - et à un rythme accéléré.

Les astronomes croient que l’énergie noire est responsable. Nous savons qu'il existe partout et représente environ les deux tiers de l'univers, mais personne ne sait ce que c'est en réalité. Une propriété majeure de l'énergie noire est codée dans son équation d'état, qui décrit la relation entre sa pression et sa densité. L'équation implique une quantité de clé appelée paramètre d'équation d'état, w. Cela peut à son tour être décomposé en une expression impliquant deux autres quantités, w₀ et wₐ, qui caractérisent la valeur actuelle de w et son évolution dans le temps. En observant les supernovae à différentes distances, nous pouvons mesurer les deux quantités.

L'équipe derrière WFIRST a prévu une mission de cinq ans pour le télescope, qui comprendra six mois d'observations de supernova à l'aide de l'instrument à grand champ. Comme il s’agit d’un temps relativement court, les scientifiques doivent être aussi efficaces que possible. Un groupe d'astronomes (Hounsell et al. 2018) a décidé de simuler 11 techniques d'observation WFIRST différentes pour trouver la stratégie optimale.

La figure 4, Hounsell et al. 2018. Voici une sélection de courbes de lumière simulées de supernova vues à travers différents filtres. Notez que les incertitudes dans les mesures augmentent considérablement avec des décalages rouges importants.

Je devrais clarifier ce que nous entendons par «stratégie». Tel qu’il est utilisé ici, le terme désigne une collection de filtres, un instrument (l’imageur de caméra à champ large ou le spectrographe IFC-S) et des zones du ciel à explorer. Les 11 stratégies différentes simulées par l'équipe utilisaient différentes combinaisons de celles-ci. Par exemple, la stratégie Imaging: Lowz utilise uniquement le filtre WFC, ainsi que les filtres Y + J et J + H.

Les simulations impliquaient un logiciel appelé SNANA, qui analysait les performances de chaque stratégie, ainsi que le modèle spectral SALT2, utilisé pour générer des populations de supernovae de type Ia et leurs courbes de lumière. Un certain nombre d'autres outils ont été utilisés pour ajouter d'autres ingrédients, tels que les paramètres cosmologiques. Plutôt que de caractériser le succès de chaque enquête par le nombre de supernovae découvertes, l'équipe a utilisé une quantité appelée le chiffre du mérite (FoM). Plus le FoM est élevé, plus la stratégie est efficace et précise.

À la fin, les astronomes ont choisi quatre stratégies ayant les FoM les plus élevés: SDT *, SDT * Highz, Imaging: Allz et Imaging: Highz *. Les deux premiers sont des modifications de la stratégie proposée à l'origine par l'équipe de définition de la science de WFIRST et utilisent à la fois l'IFC-S et le WFC, tandis que les deux derniers sont des stratégies d'imagerie uniquement et utilisent simplement la caméra à champ large. Tous devraient avoir des valeurs FoM - de manière optimiste - comprises entre 338 et 369, impliquant des écarts-types sur les mesures de w₀ et de wₐ d'environ 0,035 et 0,17. Par rapport aux mesures actuelles et aux incertitudes de w₀ et wₐ (-0,91 ± 0,10 et -0,39 ± 0,34), il s’agit là d’améliorations substantielles.

La figure 13, Hounsell et al. 2018. Les intervalles de confiance pour les quatre stratégies sélectionnées sont bien meilleurs que les intervalles de confiance produits par d'autres méthodes (telles que l'étude des oscillations acoustiques de baryons dans le contexte de micro-ondes cosmiques) ou même par la stratégie initiale proposée par l'équipe WFIRST.

Quelle que soit la stratégie d'observation utilisée, nous nous attendons à voir de bons résultats de WFIRST sur le front de l'énergie noire - bien meilleurs que ceux obtenus par d'autres méthodes. Si l'équipe WFIRST décide de prendre les simulations de Hounsell et al. compte, cependant, nous aurons encore plus de contraintes - et ce n’est que par les observations de la supernova! WFIRST a également le potentiel d'imposer des contraintes supplémentaires à ces paramètres en observant l'alignement des galaxies dans le ciel, ce qui nous aide à comprendre la répartition de la masse dans l'univers et donc comment l'énergie sombre façonne le cosmos.

Pourquoi le WFIRST est-il le télescope?

Revenons à notre point de départ et posons une question clé: si le télescope spatial James Webb (JWST) est prêt à être lancé dans quelques années, pourquoi avons-nous besoin de la construction simultanée d’un autre projet coûteux? Pourquoi JWST ne peut-il pas également effectuer des mesures de microlentilles ou observer des supernovae au loin pour nous aider à comprendre la nature de l’énergie noire? Après tout, il est considéré comme le successeur du télescope spatial Hubble, un pilier des observations spatiales depuis près de trois décennies.

Eh bien, WFIRST a été spécialement conçu pour les deux tâches principales que j'ai décrites ci-dessus: la microlentille et les observations de supernova de type Ia. Comme l'a dit Penny lui-même, l'un des avantages du JWST - ou de tout autre télescope spatial à ce jour - est qu'il possède à la fois une résolution élevée et un large champ de vision. Nous ne savons pas quand un événement de microlentille pourrait se produire, nous devons donc surveiller de plus grandes parties du ciel. WFIRST se distingue par son grand champ de vision et sa capacité à recueillir des données de haute qualité. La même logique s'applique à la recherche sur l'énergie noire. JWST pourra visualiser des supernovae plus faibles et plus éloignées que WFIRST, en partie parce qu’il est sensible aux longueurs d’onde plus longues, mais son champ de vision large en fait un outil bien meilleur pour étudier la population de supernova dans son ensemble.

Vue d’artiste du télescope spatial James Webb. Le JWST est peut-être l’un des instruments les plus excitants à venir dans les prochaines années, mais le WFIRST l’est aussi - et les deux sont des télescopes très différents. Crédit image: NASA

N'oublions pas non plus le vieil adage selon lequel deux télescopes valent mieux qu'un. N'oubliez pas pourquoi l'étude stratégique sur la supernova était importante en premier lieu: le temps que WFIRST peut y consacrer est extrêmement limité - peut-être seulement six mois! Le télescope spatial James Webb, doté de capacités de prochaine génération pour étudier les atmosphères et les protogalaxies des exoplanètes, sera extrêmement occupé, sans s'attaquer aux problèmes monumentaux que WFIRST entend éclairer davantage.

Les prédictions que j’ai expliquées ici - que WFIRST peut découvrir 1400 exoplanètes grâce à la microlentille gravitationnelle et fournir des liens étroits sur les caractéristiques de l’énergie noire - ce n’est pas le mien. Ils sont le résultat de simulations minutieuses réalisées par des astronomes connaissant parfaitement le télescope. Ainsi, lorsque vous entendez la défense passionnée d’un scientifique qui nous explique pourquoi nous devons maintenir ce télescope en vie - eh bien, vous savez pourquoi ils sont tellement investis dans ce télescope.

Les années 2020 vont être une autre décennie passionnante pour l'astronomie. On se verra là bas.