Nous regardons le début de l'Univers

À la fin de la construction de trois télescopes géants, ils peuvent complètement changer l'astrophysique moderne

Image générée par ordinateur du « télescope magellanique géant », l'un des trois «télescopes extrêmement grands», qui devrait être achevée au cours des 10 prochaines années. Ils seront assez grands pour considérer les premiers objets de l'Univers.

Les secrets les plus anciens et les plus soigneusement gardés de l'Univers, de la matière noire à la forme de l'Univers juste après le Big Bang, peuvent être révélés bientôt - après tout, trois "télescopes extrêmement grands" sont en construction, dont l'ampleur dépassera la taille d'un terrain de basket-ball.

Les scientifiques espèrent que ces télescopes, qui devraient être achevés dans les dix prochaines années, les aideront à voir le début de l'Univers, passant d'un état uniforme, chaud et opaque à un état froid et structuré, dans lequel la matière commence à se concentrer à l'intérieur des objets et libère de la lumière en l'envoyant dans voyage dans l'espace.

«Nous parlons de l'intervalle de 100 millions à 500 millions d'années après le début de l'Univers; les premières étoiles, les éléments chimiques, les trous noirs et d'autres choses exotiques sont apparus à cette époque », a déclaré Gerry Gilmore, astronome à l'Université de Cambridge.

D'énormes télescopes regardent dans le temps la toute première lumière émise par des objets. Peu de temps après le Big Bang, l'Univers a enflé comme la surface d'une balle, et certains endroits étaient si éloignés de nous que leurs premiers éclairs lumineux ne sont venus que maintenant. Si vous regardez cette lumière, vous pouvez découvrir la structure et la composition chimique des premiers objets de l'Univers qui, comme de vagues photographies prises par le télescope spatial, leur font allusion. Hubble, formé bien avant les théories. L'amélioration des observations peut conduire à de nouvelles théories sur la naissance et l'évolution de l'univers, explique Gilmore.


Image générée par ordinateur du "Télescope européen extrêmement grand" dans le désert d'Atacama, au Chili. L'E-ELT de 39,3 mètres sera le plus grand des trois télescopes de nouvelle génération.

Nouveaux télescopes d'un coût de 900 millions à 1,6 milliard de dollars chacun, le télescope géant Magellan (GMT), le télescope de trente mètres (TMT) et le télescope européen extrêmement grand (E-ELT) - les diamètres des miroirs segmentés qui atteignent 24,5 m, 30 m et 39,3 m, respectivement, dépasseront considérablement les télescopes modernes (le diamètre du miroir du plus grand des télescopes existants est de 10,4 m). Leur puissance dépassera la moderne de 5 à 200 fois, selon le télescope et la tâche.

Les universités, les agences gouvernementales et d'autres organisations scientifiques du monde entier financent leurs projets choisis en échange de la possibilité d'utiliser le télescope à l'avenir, explique Patrick McCarthy, astronome des Carnegie Institute Observatories en Californie et directeur du projet GMT. Et la possession d'une partie du temps d'utilisation affectera bien la réputation de l'institution à l'avenir, comme disent les astronomes qui ne sont pas associés à ces projets. "Si vous ne disposez pas d'une telle opportunité, vous devrez trouver quelque chose de votre propre afin de suivre la concurrence", a déclaré McCarthy.

Trois projets continuent de rechercher des investisseurs et approchent progressivement les premiers stades de la construction. Les ingénieurs du moteur à turbine à gaz ont nivelé la surface d'une montagne au Chili et ont fini de couler quatre des sept miroirs. Les projets TMT et E-ELT (qui seront construits respectivement à Hawaï et au Chili) fabriquent des miroirs de test. Les trois groupes ont commencé à développer des outils.

Des calendriers de construction similaires devraient conduire à des compétitions, mais néanmoins, bien que chaque télescope se vante de ses caractéristiques uniques, il ne s'agit pas de savoir qui s'allumera en premier. «Il y a de la place pour beaucoup de découvertes autour de nous, donc si vous avez trois ans de retard, cela ne signifie pas que vous avez perdu un milliard de dollars», a déclaré David Silva, directeur de l' Observatoire national d'astronomie optique de Tucson, en Arizona. Il est financé par la National Science Foundation, qui est en pourparlers avec TMT sur une éventuelle collaboration.


Image du système planétaire HR8799 avec une étoile et quatre planètes situées à 129 années-lumière de nous, obtenue par l'observatoire de Keck à Hawaï.

Les télescopes seront suffisamment puissants pour assister personnellement à l'encombrement et à l'écrasement d'autres mondes. «Nous venons de toucher un domaine scientifique comme l'étude des exoplanètes, et il fleurira violemment avec l'avènement de ces télescopes», explique Roger Angel, astronome de l'Université d'Arizona qui supervise la fabrication de miroirs pour GMT.

Les télescopes suivront les changements de spectre liés aux changements saisonniers - et donc à l'atmosphère active - des planètes suivant des orbites autour d'autres étoiles. Ils peuvent même provoquer des signes chimiques de l'existence d'une vie extraterrestre. «Nous nous attendons à ce que les signes biochimiques de la vie extraterrestre soient assez universels», explique McCarthy. Puis, alors que le rover Curiosity recherche de tels signes, plongeant dans le sol martien, «nous ferons de même pour les planètes extrasolaires, mais à distance en utilisant la spectroscopie», explique-t-il.

La capacité d'observer la formation d'une galaxie et la façon dont la matière s'accumule dans l'espace aideront à révéler les propriétés des particules de matière noire - une substance invisible qui représente 84% de toute la matière dans l'univers.

En observant les endroits les plus extrêmes de l'Univers - les bords des trous noirs supermassifs - les scientifiques prévoient de vérifier les lois de la relativité générale et de la mécanique quantique avec une précision sans précédent. "Nous allons rechercher le rayonnement émanant de l'anéantissement des étoiles en cours d'absorption par un trou noir", a déclaré Gilmore. "La façon dont les photons iront, à intervalles constants ou en groupes, nous renseignera sur la structure de l'espace-temps autour des trous noirs." Auparavant, de telles observations n'étaient pas possibles, "car il faut voir très clairement le trou noir, et pour cela avoir une résolution extrêmement grande".


Les télescopes modernes sont dotés d'une optique adaptative laser pour éliminer le flou d'image dû à l'atmosphère

Les futures conceptions de télescopes sont basées sur une technologie appelée optique adaptative, qui supprime les distorsions que subit la lumière dans la turbulence de l'atmosphère terrestre. «Vous utilisez un laser pour dessiner une étoile artificielle dans le ciel, puis vous les utilisez comme base pour détecter les turbulences dans la ligne de visée du télescope», explique Silva. Des dizaines de mesures de turbulence par seconde sont utilisées pour déplacer des milliers d'actionneurs connectés à des miroirs flexibles dans le télescope, changeant leur forme et annulant les distorsions atmosphériques. L'optique adaptative est déjà utilisée dans de petits observatoires, y compris les télescopes Keck de 10 mètres à Hawaï. La tâche d'adapter une telle technologie pour des télescopes de 2 à 4 fois plus gros de diamètre "est à la pointe de l'informatique en temps réel", a déclaré Silva.

Si la technologie fonctionne comme il se doit, GMT, TMT et E-ELT feront la distinction entre la lumière optique et le proche infrarouge - les types de rayonnement électromagnétique les plus courants dans l'Univers - comme s'ils étaient mis en orbite. Le télescope spatial James Webb , qui doit entrer en orbite en 2018 avec une mission de cinq milliards de dollars sur cinq ans, complétera le travail de ces observatoires, avec une plus grande sensibilité dans les régions infrarouges moyen et lointain. Mais les télescopes spatiaux sont généralement plus petits, plus chers et moins vivants.

"Il ne sera pas surprenant que le temps de fonctionnement scientifique productif de ces télescopes soit de 50 ans", a déclaré Silva.

Et pendant ce temps, trois télescopes peuvent changer le domaine de l'astronomie, de la physique et de la cosmologie. En plus des expériences prévues, les scientifiques espèrent voir des surprises imprévues qui changent de paradigme - comme dans la génération précédente, des télescopes de 4 mètres ont découvert qu'une substance mystérieuse appelée énergie sombre domine dans l'Univers. Après le lancement des nouveaux télescopes, dit McCarthy, "pendant un certain temps, nous regarderons attentivement une partie de ciel vide et verrons ce que personne n'a vu auparavant."