Depuis la fin de la mission Herschel, en 2013, l’astronomie dispose d’excellents yeux dans le visible, dans le proche et le moyen infrarouge et dans le domaine radio. Entre les deux, une large bande de longueurs d’onde reste pourtant presque aveugle : l’infrarouge lointain. C’est cette lacune que la NASA entend combler avec Prima (Probe far-Infrared Mission for Astrophysics). Le magazine Futura rapporte que l’agence américaine vient d’officialiser le passage à la réalisation de ce télescope.
L’astrophysicien Marc Sauvage, interrogé par Futura, résume l’enjeu en une formule : « On pense gagner trois ordres de grandeur. » Autrement dit, Prima serait environ mille fois plus sensible que les instruments qui l’ont précédé. Ce chiffre explique à lui seul pourquoi une partie de la communauté astronomique attend la mission avec impatience.
Une fenêtre fermée depuis plus de dix ans
L’infrarouge lointain couvre grosso modo les longueurs d’onde comprises entre quelques dizaines et quelques centaines de micromètres. C’est dans ce domaine que rayonne la poussière froide de l’Univers, chauffée à quelques dizaines de degrés au-dessus du zéro absolu. Cette poussière enveloppe les nuages où naissent les étoiles, les disques où se forment les planètes et les régions centrales des galaxies, où grossissent les trous noirs supermassifs.
Le problème est double. D’abord, l’atmosphère terrestre absorbe presque entièrement ce rayonnement : seules des missions spatiales, ou à la rigueur aéroportées, peuvent l’observer correctement. Ensuite, tout objet à température ambiante émet lui-même de l’infrarouge, y compris le télescope. Pour voir faiblement briller le ciel froid, il faut donc refroidir l’instrument à l’extrême.
L’histoire du domaine tient en quelques missions. Iras, lancé en 1983, a dressé la première carte complète du ciel infrarouge. Spitzer, de la NASA, a observé de 2003 à 2020 avec un miroir modeste de 85 centimètres. Herschel, de l’Agence spatiale européenne, possédait un grand miroir de 3,5 mètres, mais il fonctionnait à environ 80 kelvins, une température trop élevée pour éliminer son propre rayonnement parasite. Sa mission s’est terminée en 2013, quand son hélium liquide a été épuisé. L’observatoire aéroporté SOFIA a pris le relais de façon partielle jusqu’à son retrait en 2022.
Le télescope spatial James-Webb, lui, s’arrête vers 28 micromètres avec son instrument MIRI. Au-delà, il faut attendre les grandes longueurs d’onde captées depuis le sol par des réseaux comme ALMA, au Chili. Entre les deux, le vide est presque complet.
D’où viennent les « trois ordres de grandeur »
Le gain annoncé ne tient pas à la taille du miroir. Celui de Prima, d’environ 1,8 mètre selon les documents de présentation de l’équipe scientifique, est même deux fois plus petit que celui de Herschel. Il tient d’abord à la température. Le télescope doit être refroidi à quelques kelvins, ce qui fait pratiquement disparaître son propre rayonnement thermique. Le bruit de fond n’est alors plus imposé par l’instrument, mais par le ciel lui-même.
Le second levier concerne les détecteurs. Prima doit embarquer des détecteurs supraconducteurs dits « à inductance cinétique », dont la sensibilité et le nombre de pixels dépassent largement ceux des matrices de l’ère Herschel. Combinés à un télescope froid, ces capteurs permettent ce saut que Marc Sauvage décrit comme un changement de catégorie plutôt qu’une simple amélioration.
La mission prévoit deux instruments. Le premier est un spectromètre conçu pour des relevés à grande échelle. Il doit décomposer la lumière de milliers de galaxies afin d’y lire la composition chimique et les conditions physiques du gaz. Le second est un imageur doté d’une capacité de polarimétrie, qui permet de cartographier l’orientation des champs magnétiques à travers la poussière. Ce second instrument fait l’objet d’une contribution européenne, à laquelle participent des laboratoires français. Marc Sauvage, spécialiste de l’infrarouge qui a travaillé sur Herschel, appartient à cette communauté.
Ce que les astronomes veulent y chercher
Le premier grand chantier porte sur l’histoire des galaxies. On estime qu’environ la moitié de la lumière émise par les étoiles au fil de l’histoire cosmique a été absorbée par la poussière puis réémise dans l’infrarouge. Sans observations dans ce domaine, une part considérable de la formation d’étoiles et de la croissance des trous noirs échappe au recensement. Prima devrait permettre de mesurer comment ces deux processus se sont influencés au cours des dix derniers milliards d’années.
Ce programme arrive à un moment particulier. Comme le rappelait récemment le Nobel de physique Brian Schmidt dans un entretien accordé à elDiario.es, les observations du James-Webb ont révélé un Univers primitif « beaucoup plus fou » que prévu, avec des trous noirs étonnamment massifs et des galaxies précoces difficiles à expliquer. Le James-Webb voit très loin, mais il observe surtout la lumière des étoiles. Prima doit fournir la pièce complémentaire : l’énergie cachée par la poussière et le gaz froid qui alimente ces objets.
Le deuxième chantier concerne la naissance des planètes. L’infrarouge lointain donne accès à l’eau et aux glaces présentes dans les disques protoplanétaires, ainsi qu’à la masse de gaz disponible pour former des mondes. Ces mesures sont essentielles pour comprendre comment une planète comme la Terre a pu recevoir son eau.
Le troisième chantier porte sur la Voie lactée. La polarimétrie doit permettre de cartographier les champs magnétiques qui structurent les nuages interstellaires et de déterminer s’ils favorisent ou freinent l’effondrement du gaz en étoiles. C’est l’une des grandes questions ouvertes de l’astrophysique contemporaine.
Une mission « sonde », un pari budgétaire
Prima n’est pas un observatoire géant comme le James-Webb. Elle appartient à une nouvelle classe de missions de la NASA, les « sondes » d’astrophysique, dont le budget est plafonné aux alentours d’un milliard de dollars américains. Cette catégorie a été recommandée par le dernier exercice décennal de priorités de l’astronomie américaine, qui citait justement l’infrarouge lointain et les rayons X comme domaines prioritaires.
Prima avait été retenue pour une étude préliminaire face à un concurrent dans le domaine des rayons X, le projet AXIS. Le choix de l’infrarouge confirme la volonté de combler un trou laissé béant par plusieurs projets abandonnés en cours de route. Le télescope japonais et européen SPICA a notamment été retiré en 2020. Le grand concept Origins, étudié par la NASA, n’a pas été retenu comme mission phare.
Reste la question du calendrier et de l’argent. Le lancement est visé au début des années 2030. D’ici là, la mission devra traverser une période d’incertitude budgétaire pour la science à la NASA, dans un contexte où les priorités de l’agence se concentrent de plus en plus sur le programme lunaire Artemis. La cryogénie et les détecteurs supraconducteurs à grand format restent aussi des défis techniques qui ont déjà fait dériver les coûts d’autres missions.
Ce qui change
Si Prima tient ses promesses, l’astronomie infrarouge passera d’une ère de pionniers, où l’on détectait les objets les plus brillants, à une ère de relevés statistiques. On pourra alors étudier des populations entières de galaxies et de nuages, et plus seulement des cas exceptionnels. C’est le sens des « trois ordres de grandeur » évoqués par Marc Sauvage : non pas voir un peu mieux ce qu’on connaît déjà, mais explorer des territoires où aucun instrument n’a jamais eu la sensibilité nécessaire pour regarder.
Pour les chercheurs qui attendent depuis la fin de Herschel, l’annonce ne garantit pas encore un lancement. Elle met toutefois fin à plus d’une décennie pendant laquelle la fenêtre de l’infrarouge lointain semblait condamnée à rester fermée.