La NASA a officialisé le passage à la phase de réalisation de Prima, un télescope spatial conçu pour observer le ciel dans l’infrarouge lointain. Ce domaine de longueurs d’onde est aujourd’hui presque aveugle depuis l’espace. Interrogé par le magazine Futura, l’astrophysicien français Marc Sauvage résume l’enjeu en une formule : « On pense gagner trois ordres de grandeur. » Autrement dit, la mission serait environ mille fois plus sensible que ses devancières. Voici pourquoi ce chiffre compte, d’où vient ce projet et ce qu’il permettra d’observer.
Une fenêtre restée 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 la lumière qu’émettent les objets froids : les grains de poussière interstellaire, les nuages de gaz où naissent les étoiles, les disques de matière qui entourent les jeunes soleils.
L’atmosphère terrestre absorbe l’essentiel de ce rayonnement, surtout à cause de la vapeur d’eau. Pour l’étudier correctement, il faut donc quitter le sol. Le texte de Futura le rappelle : Prima s’inscrit dans une lignée de missions pionnières.
- IRAS, en 1983, a produit le premier relevé complet du ciel infrarouge. Il était le fruit d’une collaboration entre les États-Unis, les Pays-Bas et le Royaume-Uni.
- Spitzer, de la NASA, a fonctionné de 2003 à 2020.
- Herschel, de l’Agence spatiale européenne, a été doté d’un miroir de 3,5 mètres. Il a observé entre 2009 et 2013, jusqu’à épuisement de son hélium liquide.
- un imageur couvrant environ 25 à 235 micromètres, capable de mesurer la polarisation de la lumière, c’est-à-dire son orientation ;
- un spectromètre couvrant une gamme comparable, qui décompose la lumière pour identifier les atomes, les ions et les molécules qui l’ont émise.
Depuis la fin de Herschel, aucun observatoire spatial ne couvre cette bande. L’observatoire aéroporté SOFIA, installé à bord d’un Boeing 747 modifié, a pris une partie du relais. Il a toutefois été retiré du service en 2022. Le télescope James-Webb, si performant soit-il, s’arrête vers 28 micromètres : il travaille dans le proche et le moyen infrarouge, pas dans l’infrarouge lointain. Plusieurs projets destinés à combler ce vide n’ont pas abouti, dont le télescope nippo-européen SPICA, abandonné en 2020.
D’où vient Prima
Prima, acronyme anglais de PRobe far-Infrared Mission for Astrophysics, est née d’une recommandation du dernier exercice de prospective décennale de l’astronomie américaine, Astro2020, piloté par les Académies nationales des sciences des États-Unis. Le rapport invitait la NASA à créer une nouvelle catégorie de missions dites « sondes ». Leur budget, de l’ordre du milliard de dollars américains, se situe entre les petites missions Explorer et les grands observatoires phares comme Webb. Le rapport désignait deux domaines prioritaires : l’astronomie des rayons X et l’infrarouge lointain.
La NASA a ensuite lancé un appel à propositions. En 2024, l’agence a retenu deux concepts pour une étude préliminaire : Prima, porté par une équipe dirigée depuis le centre Goddard, et AXIS, un télescope à rayons X. C’est finalement le projet infrarouge qui l’emporte, et la réalisation peut désormais commencer. Le lancement est visé au début des années 2030, sous réserve des aléas budgétaires et techniques propres à ce type de programme.
Le secret des trois ordres de grandeur
Comment un télescope au miroir plus petit que celui de Herschel peut-il promettre un tel bond ? La réponse tient en deux mots : le froid et les détecteurs.
Le froid, d’abord. Dans l’infrarouge lointain, tout objet tiède brille. Le miroir de Herschel était maintenu à environ 80 kelvins, soit près de -190 °C. Il émettait donc lui-même un rayonnement parasite qui noyait les sources les plus faibles, un peu comme si l’on cherchait des étoiles en plein jour. Prima prévoit de refroidir son télescope d’environ 1,8 mètre à quelques kelvins seulement, juste au-dessus du zéro absolu. Ce bruit de fond instrumental s’efface alors presque entièrement. La limite devient le ciel lui-même, c’est-à-dire l’émission très ténue de la poussière zodiacale et galactique.
Les détecteurs, ensuite. Prima doit embarquer des matrices de détecteurs à inductance cinétique, des capteurs supraconducteurs développés notamment au Jet Propulsion Laboratory. Ils peuvent être fabriqués en très grand nombre sur une même puce et atteignent des niveaux de sensibilité inaccessibles aux technologies des années 2000.
C’est la combinaison des deux qui justifie l’estimation de Marc Sauvage. Ce chercheur connaît bien le sujet : il a participé à l’exploitation de Herschel au sein de la communauté astrophysique française. Un gain d’un facteur mille ne signifie pas seulement des images plus nettes. Il permet de voir des objets mille fois plus faibles, ou d’en observer un nombre bien plus grand dans le même temps d’observation.
Deux instruments, deux façons de regarder
La mission repose sur deux instruments complémentaires :
La polarimétrie est un atout souvent sous-estimé. Les grains de poussière s’alignent sur les champs magnétiques, et la lumière qu’ils émettent porte la trace de cet alignement. En la mesurant, les astronomes peuvent cartographier les lignes de champ magnétique dans les nuages où naissent les étoiles. Le rôle exact de ces champs dans l’effondrement des nuages reste l’une des grandes inconnues de la formation stellaire.
Ce que les astronomes espèrent découvrir
Les ambitions scientifiques de Prima se déploient à toutes les échelles.
L’histoire des galaxies. Une grande partie de la formation d’étoiles de l’Univers s’est déroulée à l’abri de la poussière, surtout durant le « midi cosmique », il y a une dizaine de milliards d’années. Cette poussière absorbe la lumière visible des jeunes étoiles et la réémet dans l’infrarouge lointain. Sans instrument adapté, une part considérable de l’activité cosmique échappe donc aux recensements. Prima doit permettre de mesurer, pour un grand nombre de galaxies, la part respective de la formation d’étoiles et de la croissance des trous noirs supermassifs. Les deux phénomènes semblent étroitement liés, sans que l’on comprenne encore bien comment.
L’origine des éléments et de la poussière. Le spectromètre suivra l’enrichissement progressif des galaxies en éléments lourds, comme l’oxygène, le carbone ou l’azote, produits par les générations successives d’étoiles.
La naissance des systèmes planétaires. Dans notre galaxie, Prima pourra peser la masse de gaz des disques protoplanétaires et y traquer la glace d’eau. Ces mesures éclairent directement la manière dont des planètes, éventuellement habitables, reçoivent leur eau.
Un observatoire ouvert à la communauté
Prima ne sera pas réservé à l’équipe qui l’a conçu. La majeure partie de son temps d’observation doit être attribuée sur appel à propositions à des astronomes du monde entier, à la manière de Hubble ou de Webb. Ce modèle d’observatoire général explique l’intérêt de chercheurs européens comme Marc Sauvage. Les communautés qui ont exploité Herschel disposent d’une expertise et de catalogues que Prima permettra de prolonger et d’approfondir.
Les défis qui restent
Refroidir un télescope entier à quelques kelvins, sur plusieurs années, est un défi d’ingénierie considérable. La cryogénie a déjà fait souffrir des missions bien plus coûteuses. Le plafond budgétaire d’une mission sonde laisse peu de marge aux dépassements. Le contexte budgétaire de la NASA, marqué ces dernières années par des propositions de coupes importantes dans les sciences, ajoute une part d’incertitude au calendrier.
Pour l’astrophysique, l’enjeu est pourtant clair. Webb a montré l’Univers jeune avec une précision inédite. Prima doit révéler ce que la poussière cache encore. Si la promesse des trois ordres de grandeur se confirme, la décennie 2030 pourrait refermer l’un des derniers grands angles morts de l’astronomie moderne.