Le télescope Roman de la NASA s'envole pour traquer l'énergie noire

À 7 h 26 HE le dimanche 30 août, une Falcon Heavy de SpaceX a décollé du complexe de lancement 39A du Centre spatial Kennedy de la NASA, en Floride, emportant un observatoire que les astronomes attendaient depuis près d'une décennie. Le télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA entame désormais un voyage d'environ trois mois et d'un million de kilomètres vers le deuxième point de Lagrange Soleil-Terre, L2, où il commencera le relevé le plus large et le plus rapide du ciel infrarouge jamais tenté.

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Le lancement lui-même a été une étape importante pour des raisons qui dépassent le matériel. La NASA estime que le flux de données de Roman, de 1,4 téraoctet par jour, sera le plus important de toute mission d'astrophysique de l'agence, et la mission est arrivée sur la rampe environ neuf mois avant son calendrier initial. Le communiqué de lancement de l'agence décrit un vol conforme au plan : les contrôleurs du Goddard Space Flight Center ont commencé à recevoir la télémétrie sept minutes après le décollage, le deuxième étage de la Falcon Heavy s'est séparé de l'observatoire 31 minutes après le décollage, et les deux propulseurs latéraux sont revenus au site de lancement pour être remis en état.

Un miroir de la taille de Hubble, un œil radicalement plus grand

On présente souvent Roman comme « le Hubble à grand champ », et la comparaison est justement tout l'intérêt. Son miroir primaire mesure 2,4 mètres de diamètre (la même taille que celui de Hubble) et ses images ont une résolution nette comparable. La différence réside dans le champ de vision. Le Wide Field Instrument, une caméra infrarouge de 300 mégapixels, capture une portion de ciel au moins 100 fois plus grande que ce que Hubble peut saisir en une seule exposition. Une seule image de Roman contiendra le détail équivalent d'environ 100 images de Hubble, et couvrira une zone plus grande que la taille apparente de la pleine Lune.

Cet échange (même netteté, bien plus de ciel par prise) transforme l'astronomie d'une série d'observations ciblées en une entreprise statistique. L'énergie noire, la mystérieuse pression qui accélérerait l'expansion de l'univers, ne se révèle que dans l'ensemble : les formes et les distances de centaines de millions de galaxies, la luminosité de milliers de supernovae lointaines, la subtile courbure de l'espace-temps autour de la masse au premier plan. Mesurer tout cela avec précision exige des jeux de données énormes et uniformes, et c'est exactement ce qu'un télescope de relevé à grand champ est conçu pour produire.

La page de la mission de la NASA indique que Roman mesurera la lumière d'un milliard de galaxies au cours de sa vie; l'agence s'attend à ce que la mission catalogue des milliards d'objets cosmiques et photographie en cinq ans plus de 50 fois la surface de ciel couverte par Hubble en 30 ans. Les trois grands relevés communautaires sont déjà définis par un processus évalué par les pairs : un vaste relevé extragalactique d'imagerie et de spectroscopie couvrant environ 2 000 degrés carrés, un relevé temporel qui balaie à plusieurs reprises les mêmes champs, et un relevé du bulbe galactique qui utilise les microlentilles pour détecter des planètes.

La moisson d'exoplanètes est un effet secondaire

La science des exoplanètes de Roman est, en un sens, un sous-produit du même relevé large. En fixant le centre densément peuplé de la Voie lactée, le télescope guettera le bref éclat produit lorsqu'un planète amplifie une étoile d'arrière-plan, une technique appelée microlentille, particulièrement efficace pour trouver des mondes éloignés de leur étoile et des mondes qui orbitent dans les froides régions externes de leur système. La NASA s'attend à ce que Roman découvre ainsi plus de 1 000 exoplanètes, et en détecte environ 100 000 autres par la méthode des transits, lorsque des planètes passent devant leur étoile.

Le télescope embarque aussi un instrument coronographe, une démonstration technologique conçue pour bloquer l'éclat d'une étoile afin de photographier directement des planètes faibles à orbite rapprochée. C'est explicitement un banc d'essai et non un instrument scientifique garanti, mais s'il fonctionne, il deviendra le modèle de futures missions qui pourraient un jour chercher des traces de vie dans l'atmosphère d'exoplanètes.

L'astronomie a toujours progressé grâce à de nouveaux yeux. L'apport de Roman n'est pas qu'il voie plus faible que Hubble, c'est qu'il voit bien plus à la fois.

La machine à relever, en chiffres

Les choix de conception derrière les trois relevés principaux de Roman méritent d'être détaillés, car ils expliquent pourquoi la mission est décrite comme une machine à relever plutôt que comme une caméra. Le High-Latitude Wide-Area Survey doit couvrir environ 2 000 degrés carrés de ciel extragalactique (une bande environ 40 fois plus grande que la surface de la pleine Lune) en imagerie et spectroscopie sans fente, à l'aide de plusieurs filtres proche infrarouge et d'un réseau. Le relevé temporel à haute latitude revisite les mêmes champs et construit des courbes de lumière qui capturent les objets explosifs et vacillants; les documents de planification de la mission prévoient une cadence d'environ cinq jours et un rendement de plus de 500 supernovae de type Ia par mois. Le relevé temporel du bulbe galactique pointe le télescope vers une fenêtre de faible extinction proche du centre de la Voie lactée.

Ces supernovae sont la pièce maîtresse de l'énergie noire. Comme une supernova de type Ia a une luminosité intrinsèque prévisible, sa faiblesse observée indique sa distance et, combinée à son décalage vers le rouge, la vitesse à laquelle l'univers s'étendait lorsque la lumière l'a quittée. Empiler des milliers d'entre elles sur le temps cosmique permet de reconstruire l'histoire de l'expansion, et de chercher les variations qu'une simple constante cosmologique n'explique pas. Les planificateurs de Roman ont indiqué que la combinaison de l'imagerie et de la spectroscopie devrait réduire d'environ 70 pour cent l'incertitude sur l'équation d'état de l'énergie noire et permettrait de vérifier si le taux d'expansion récent a varié.

Où Roman s'inscrit dans la nouvelle ère des relevés

Roman arrive dans un domaine exceptionnellement animé. Au sol, l'Observatoire Vera C. Rubin balaie déjà le ciel visible nuit après nuit. Dans l'espace, Euclid de l'Agence spatiale européenne cartographie la géométrie de la matière et de l'énergie noires dans le visible et le proche infrarouge. La niche de Roman, ce sont la profondeur, la résolution et la portée infrarouge : il fournira de l'imagerie et de la spectroscopie de qualité Hubble à une échelle qu'aucun des autres ne peut égaler, et ses données viendront se superposer aux leurs.

Ce chevauchement est voulu. Différents relevés voient des objets différents, à des distances différentes, avec des systématiques différentes. Combiner un recensement optique au sol avec un relevé infrarouge spatial est la manière dont les astronomes détectent et corrigent les biais qui, sinon, passeraient pour un signal cosmologique. La décision de Roman de publier toutes les données sans période d'exclusivité est un pari explicite : le moyen le plus rapide d'exploiter 20 pétaoctets est de laisser toute la communauté s'y attaquer en même temps.

Le problème des données est la vraie histoire d'ingénierie

Le chiffre qui définira la vie opérationnelle de Roman est 1,4 téraoctet par jour. Selon le dossier de presse de la mission, c'est le plus gros volume quotidien de données de toute mission d'astrophysique de la NASA à ce jour, et cela représentera environ 20 pétaoctets sur la mission principale de cinq ans. À titre de comparaison, Hubble a produit un peu plus de 400 téraoctets en plus de trois décennies.

Ce volume impose une autre façon de travailler. Le Space Telescope Science Institute (STScI) a mis en place une plateforme d'analyse hébergée dans le cloud, le Roman Research Nexus, précisément parce que télécharger l'archive complète sur un ordinateur portable (ou même sur un cluster départemental) est impraticable. Les chercheurs diffusent et analysent plutôt les données là où elles se trouvent, en ne récupérant que les produits dont ils ont besoin. Toutes les données de Roman seront en accès libre, rapidement versées au Barbara A. Mikulski Archive for Space Telescopes, qui fonctionne sur AWS.

C'est un véritable changement culturel pour un domaine bâti autour du téléchargement de fichiers et de l'exécution locale de pipelines. C'est aussi un aperçu de l'évolution de l'infrastructure de la grande science : la contrainte principale n'est plus le télescope, mais le logiciel, la bande passante et l'attention humaine nécessaires pour donner un sens à ce qu'il renvoie.

Un programme conçu pour éviter les pièges habituels

Le chemin de Roman jusqu'à la rampe est remarquable en soi. La mission a été renommée en 2020 en l'honneur de Nancy Grace Roman, première cheffe de l'astronomie de la NASA et force motrice du programme des Grands Observatoires de l'agence. Elle a survécu à des années de pression budgétaire (alors qu'elle s'appelait WFIRST) et est arrivée sur la rampe en avance sur le calendrier, une rareté dans la science spatiale phare.

L'équipe industrielle reflète cette ambition à grande échelle : BAE Systems, L3Harris à Rochester, dans l'État de New York, et Teledyne Scientific & Imaging à Thousand Oaks, en Californie, en sont les principaux partenaires. Le coût, d'environ 4 milliards de dollars, est substantiel mais bien inférieur à celui des plus grands observatoires, le reflet d'une conception qui réutilise un miroir déjà construit par le National Reconnaissance Office.

La question ouverte n'est pas de savoir si Roman produira de la science (il en produira), mais si le domaine peut absorber sa production. Une mission qui génère 20 pétaoctets et publie tout immédiatement est à la fois un cadeau et un fardeau. Elle récompensera les équipes qui construisent tôt leur capacité d'analyse et punira l'idée qu'un seul doctorant avec un ordinateur portable peut faire la réduction.

Ce qu'il faut surveiller

Trois choses indiqueront comment se porte Roman au cours de l'année à venir. D'abord, le rapport de mise en service : la NASA confirmera que le Wide Field Instrument et le coronographe ont survécu au lancement et fonctionnent comme prévu. Ensuite, les premières publications de données de relevé : observez la rapidité avec laquelle l'archive devient utilisable et si le modèle « cloud d'abord » abaisse réellement la barrière pour les petites institutions. Enfin, les premiers résultats cosmologiques : une mesure précoce de l'énergie noire est la carte de visite de la mission et fixera les attentes pour la décennie à venir.

Pour l'instant, le fait immédiat est plus simple. Un télescope portant le nom de celle qui a bâti le programme d'astronomie de la NASA est en route vers le point sombre et silencieux au-delà de la Lune, et la longue attente de son premier relevé a commencé.