Exemples de télescopes (fonctionnant depuis février 2013) fonctionnant à des longueurs d'onde dans tout le spectre électromagnétique. Les observatoires sont situés au-dessus ou au-dessous de la partie du spectre qu'ils observent habituellement.Lorsque le télescope spatial Hubble a été lancé en 1990, nous allions l'utiliser pour effectuer tout un wagon de mesures. Nous allions voir des étoiles individuelles dans des galaxies lointaines que nous n'avions jamais vues auparavant; mesurer l'Univers profond comme auparavant; examiner les régions de formation des étoiles et voir les nébuleuses avec une résolution sans précédent; pour attraper les éruptions sur les lunes de Jupiter et de Saturne avec autant de détails que cela n'a pas fonctionné auparavant. Mais les plus grandes découvertes - énergie sombre, trous noirs supermassifs, exoplanètes, disques protoplanétaires - étaient imprévues. Cette tendance se poursuivra-t-elle avec les télescopes James Webb et WFIRST? Notre lecteur demande:
Sans fantasmes sur une sorte de physique radicalement nouvelle, quels résultats de Webb et WFIRST vous surprendront le plus?
Pour faire une telle prédiction, nous devons savoir de quelles mesures ces télescopes sont capables.
Le télescope James Webb terminé et orbité tel que présenté par l'artiste. Faites attention à la protection à cinq couches du télescope contre le soleil.James Webb est un télescope spatial de nouvelle génération, qui sera lancé en octobre 2018 [Depuis la rédaction de l'article original, la date de lancement a été déplacée à
mars-juin 2019 - env. trad.]. Après sa mise en service et son refroidissement complets, il deviendra l'observatoire le plus puissant de l'histoire de l'humanité. Son diamètre sera de 6,5 m, le taux d'ouverture dépassera le Hubble de sept fois et la résolution sera presque trois fois. Il couvrira les longueurs d'ol de 550 à 30 000 nm - de la lumière visible à l'infrarouge. Il sera en mesure de mesurer les couleurs et les spectres de tous les objets observés, limitant ainsi les avantages de presque tous les photons entrant en lui. Sa localisation dans l'espace nous permettra de tout voir dans les limites du spectre qu'il perçoit, et pas seulement les ondes dont l'atmosphère est partiellement transparente.
Le concept du satellite WFIRST, dont le lancement est prévu en 2024. Il devra nous fournir les mesures les plus précises de l'énergie sombre et d'autres incroyables découvertes cosmiques.WFIRST est la principale mission de la NASA pour les années 2020 et son lancement est actuellement prévu pour 2024e. Le télescope ne sera pas grand, infrarouge, ne couvrira rien d'autre que ce que Hubble ne peut pas faire. Il le fera simplement mieux et plus rapidement. Combien mieux? Hubble, étudiant une certaine partie du ciel, recueille la lumière de partout dans le champ de vision et est capable de photographier des nébuleuses, des systèmes planétaires, des galaxies, des amas de galaxies, simplement en collectant de nombreuses images et en les assemblant. WFIRST fera de même, mais avec un champ de vision 100 fois plus grand. En d'autres termes, tout ce que Hubble peut faire, WFIRST peut faire 100 fois plus vite. Si nous prenons les mêmes observations que celles faites lors de l'expérience Hubble eXtreme Deep Field, lorsque Hubble a observé la même partie du ciel pendant 23 jours et y a découvert 5500 galaxies, alors WFIRST aurait trouvé plus d'un demi-million pendant cette période.
Image de l'expérience Hubble eXtreme Deep Field, la plus profonde de nos observations de l'univers aujourd'huiMais ce qui nous intéresse le plus, ce ne sont pas les choses que nous savons que nous découvrirons à l'aide de ces deux beaux observatoires, mais celles dont nous ne savons rien! La principale chose que vous devez attendre pour ces découvertes est une bonne imagination, une idée de ce que nous pouvons encore trouver et une compréhension de la sensibilité technique de ces télescopes. Pour que l'Univers révolutionne notre pensée, il n'est pas du tout nécessaire que les informations que nous découvrons soient radicalement différentes de ce que nous connaissons. Et voici sept candidats pour ce que James Webb et WFIRST peuvent découvrir!
Comparaison de la taille des planètes récemment découvertes en orbite autour de l'étoile rouge sombre TRAPPIST-1 avec les satellites galiléens de Jupiter et le système solaire interne. Toutes les planètes trouvées dans TRAPPIST-1 sont de taille similaire à la Terre, mais la taille de l'étoile ne s'approche que de Jupiter.1) Une atmosphère riche en oxygène dans un monde potentiellement habité de taille terrestre. Il y a un an, la recherche de mondes terrestres dans les zones habitées d'étoiles semblables au soleil était à son apogée. Mais la découverte de Proxima b et des sept mondes terrestres autour de TRAPPIST-1, des mondes terrestres tournant autour de petites naines rouges, a créé une tempête de divisions nettes. Si ces mondes sont habités et s'ils ont une atmosphère, la taille relativement grande de la Terre par rapport à la taille de leurs étoiles suggère que pendant le transit, nous pouvons mesurer le contenu de leur atmosphère! L'effet absorbant des molécules - le dioxyde de carbone, le méthane et l'oxygène - peut donner la première preuve indirecte de la vie. James Webb pourra le voir et les résultats peuvent choquer le monde!
Le scénario Big Break éclatera si nous découvrons une augmentation de la force de l'énergie sombre au fil du temps2) Preuve de l'inconstance de l'énergie sombre et du début possible de la grande coupure. L'un des principaux objectifs scientifiques de WFIRST est d'observer les étoiles à de très grandes distances à la recherche de supernovae de type Ia. Ces mêmes événements nous ont permis de découvrir l'énergie sombre, mais au lieu de dizaines ou centaines, il va collecter des informations sur des milliers d'événements situés à de grandes distances. Et cela nous permettra de mesurer non seulement la vitesse d'expansion de l'Univers mais aussi l'évolution de cette vitesse dans le temps, avec une précision dix fois plus élevée qu'aujourd'hui. Si l'énergie sombre diffère d'au moins 1% de la constante cosmologique, nous la trouverons. Et si elle n'est que de 1% de plus en valeur absolue que la pression négative de la constante cosmologique, notre Univers se terminera par un grand écart. Ce sera certainement une surprise, mais nous avons un seul univers et nous devons écouter ce qu'elle est prête à raconter sur elle-même.
La galaxie la plus éloignée connue à ce jour, confirmée par Hubble par spectroscopie, nous est visible comme elle l'était lorsque l'univers n'avait que 407 millions d'années.3) Étoiles et galaxies des temps antérieurs que nos théories prédisent. Avec ses yeux infrarouges, James Webb sera capable de regarder dans le passé lorsque l'Univers avait 200-275 millions d'années - seulement 2% de son âge actuel. Cela devrait capturer la plupart des premières galaxies et le stade tardif de la formation des premières étoiles, mais nous pouvons trouver des preuves que les générations précédentes d'étoiles et de galaxies existaient encore plus tôt. Si cela se produit, cela signifiera que la croissance gravitationnelle entre le moment de l'apparition du rayonnement relique (380 000 ans) et la formation des premières étoiles s'est mal passée. Ce sera certainement un problème intéressant!
Le noyau de la galaxie NGC 4261, comme les noyaux d'un grand nombre de galaxies, montre des signes de la présence d'un trou noir supermassif, à la fois dans l'infrarouge et dans les rayons X4) Trous noirs supermassifs apparus avant les premières galaxies. Jusqu'aux moments les plus lointains du passé que nous avons pu mesurer, jusqu'au moment où l'Univers avait environ un milliard d'années, les galaxies contiennent des trous noirs supermassifs. La théorie standard dit que ces trous noirs provenaient des premières générations d'étoiles, fusionnant ensemble et tombant au centre des amas, puis accumulant de la matière et se transformant en BH supermassifs. L'espoir standard est de trouver la confirmation de ce modèle et des trous noirs dans les premiers stades de croissance, mais ce sera une surprise si nous les trouvons déjà complètement formés dans ces galaxies très précoces. James Webb et WFIRST pourront faire la lumière sur ces objets, et les trouver sous n'importe quelle forme sera une sérieuse percée scientifique!
Les planètes découvertes par Kepler, triées par taille, en mai 2016, lorsqu'elles ont sorti le plus grand échantillon de nouvelles exoplanètes. Le plus souvent, les mondes sont légèrement plus grands que la Terre et légèrement plus petits que Neptune, mais les mondes de petite masse peuvent tout simplement ne pas être visibles par Kepler5) Les exoplanètes de petite masse, seulement 10% de la terre, peuvent être les plus courantes. C'est la spécialité de WFIRST: rechercher la microlentille sur de grandes zones du ciel. Lorsqu'une étoile passe devant une autre étoile, de notre point de vue, la courbure de l'espace donne lieu à un effet croissant, avec une augmentation prévisible et une diminution ultérieure de la luminosité. La présence de planètes dans le système au premier plan changera le signal lumineux et nous permettra de les reconnaître avec une précision améliorée, reconnaissant des masses plus petites que toute autre méthode. En utilisant WFIRST, nous sondons toutes les planètes jusqu'à une masse de 10% de la Terre - une planète de la taille de Mars. Les mondes de type Mars sont-ils plus courants que ceux de la Terre? WFIRST peut nous aider à comprendre cela!
Illustration de CR7, la première des galaxies détectées contenant des étoiles de la population III, la première des étoiles de l'Univers. James Webb peut prendre une vraie photo de ceci et d'autres galaxies6) Les premières étoiles peuvent se révéler plus massives que celles qui existent actuellement. En étudiant les premières étoiles, nous savons déjà qu'elles sont très différentes des étoiles actuelles: elles sont constituées à presque 100% d'hydrogène pur et d'hélium, sans autres éléments. Mais d'autres éléments jouent un rôle important dans le refroidissement, l'émission et la prévention de l'apparition d'étoiles trop grosses dans les premiers stades. La plus grande étoile connue aujourd'hui se trouve dans la nébuleuse de la
tarentule et représente 260 fois la masse du soleil. Mais les étoiles de l'Univers primitif pouvaient être trouvées 300, 500 et même 1000 fois plus lourdes que le Soleil! James Webb devrait nous donner l'occasion de le découvrir et peut nous dire quelque chose d'étonnant sur les premières étoiles de l'univers.
L'écoulement de gaz dans les galaxies naines se produit pendant la formation active des étoiles, à cause de laquelle la matière ordinaire s'envole et la matière noire reste7) La matière noire peut ne pas dominer autant dans les premières galaxies que dans celles d'aujourd'hui. Nous pourrons probablement enfin mesurer des galaxies dans des régions éloignées de l'univers et déterminer si le rapport de la matière ordinaire à l'obscurité change. Avec la formation intensive de nouvelles étoiles, la matière ordinaire sort de la galaxie, à moins que la galaxie ne soit très grande - ce qui signifie que dans les premières galaxies sombres, il devrait y avoir plus de matière normale par rapport à l'obscurité que dans les galaxies sombres situées non loin de nous. Une telle observation confirmera le concept actuel de matière noire et frappera les théories de la gravité modifiée; une observation contraire peut réfuter la théorie de la matière noire. James Webb pourra y faire face, mais les statistiques accumulées des observations de WFIRST clarifieront vraiment tout.
L'idée de l'artiste sur l'apparence de l'Univers lors de la formation des premières étoilesCe ne sont là que des possibilités, et il y en a trop pour être répertoriées ici. L'intérêt des observations, de l'accumulation de données et de la recherche scientifique est que nous ne savons pas comment fonctionne l'Univers, jusqu'à ce que nous posions les bonnes questions qui nous aideront à comprendre cela. James Webb se concentrera sur quatre questions principales: la première lumière et la
réionisation , la collecte et la croissance des galaxies, la naissance des étoiles et la formation des planètes, ainsi que la recherche de planètes et l'origine de la vie. WFIRST se concentrera sur l'énergie sombre, les supernovae,
les oscillations acoustiques baryoniques , les exoplanètes - à la fois avec la microlentille et l'observation directe, et les observations de grandes parties du ciel dans le proche infrarouge qui dépasseront largement les capacités des observatoires précédents tels que 2MASS et WISE.
Une carte infrarouge du ciel entier obtenue par le vaisseau spatial WISE. WFIRST dépassera sérieusement la résolution spatiale et la profondeur de champ disponibles pour WISE, nous permettant de regarder plus en profondeur et plus loin.Nous sommes incroyablement bien conscients de l'univers d'aujourd'hui, mais les questions auxquelles James Webb et WFIRST recevront des réponses ne sont posées qu'aujourd'hui, sur la base de ce que nous avons déjà étudié. Il peut s'avérer qu'il n'y aura pas de surprise sur tous ces fronts, mais il est plus probable que nous découvrirons non seulement des surprises, mais aussi que nos suppositions sur leur nature se révéleront complètement fausses. Une partie de l'intérêt scientifique est que vous ne savez jamais quand ni comment l'Univers vous surprendra en découvrant quelque chose de nouveau. Et quand elle le fait, la plus grande opportunité de toute l'humanité avancée se présente: elle nous permet d'apprendre quelque chose de complètement nouveau et change la façon dont nous comprenons notre réalité physique.
Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].