Le prochain télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA, dont le lancement est prévu au plus tard en mai 2027, et dont les équipes travaillent assidûment à un possible lancement dès l'automne 2026, représente une nouvelle ère dans la recherche astronomique. Cet observatoire, équipé d'instruments de pointe, est conçu comme une sorte de machine à découvertes, principalement grâce à son champ de vision extrêmement large qui générera une quantité sans précédent de données scientifiques. Son instrument clé, le Wide Field Instrument (WFI), qui fonctionne dans le spectre du proche infrarouge, est capable de capturer une zone du ciel 200 fois plus grande que ce que peut enregistrer la caméra infrarouge du légendaire télescope spatial Hubble, et ce, avec la même netteté et sensibilité d'image. Dans le cadre de sa mission principale de cinq ans, le télescope Roman consacrera environ 75 % de son temps d'observation à la réalisation de trois relevés communautaires fondamentaux, qui ont été définis grâce à une collaboration approfondie au sein de la communauté scientifique. L'un de ces relevés clés sera consacré à une recherche systématique du ciel à la recherche d'événements cosmiques qui apparaissent, flashent et changent au fil du temps, tels que des explosions d'étoiles ou des collisions d'étoiles à neutrons.

À la recherche de phénomènes cosmiques transitoires

Le programme appelé High-Latitude Time-Domain Survey (Relevé dans le domaine temporel à haute latitude) dirigera son regard en dehors du plan de notre galaxie, la Voie lactée, c'est-à-dire vers des zones de hautes latitudes galactiques. L'objectif est d'étudier des objets dont la luminosité change au fil du temps. Le principal moteur scientifique de ce relevé ambitieux est la détection de dizaines de milliers d'un type spécifique d'explosions stellaires connues sous le nom de supernovae de type Ia. Ces supernovae revêtent une importance exceptionnelle dans la cosmologie moderne car elles servent de "chandelles standards" – des outils grâce auxquels les astronomes peuvent mesurer avec précision les distances dans l'univers et cartographier l'histoire de son expansion. En analysant ces cataclysmes cosmiques, les scientifiques cherchent à élucider certains des plus grands mystères de l'univers, y compris la nature de l'énigmatique énergie sombre.

Masao Sako de l'Université de Pennsylvanie, qui a coprésidé le comité chargé de définir ce relevé, souligne : "Roman est conçu pour trouver des dizaines de milliers de supernovae de type Ia à des distances plus grandes que jamais. En les utilisant, nous pouvons mesurer l'histoire de l'expansion de l'univers, qui dépend de la quantité de matière noire et d'énergie sombre. En fin de compte, nous espérons en apprendre davantage sur la nature de l'énergie sombre elle-même." Ce sont précisément les données de Roman qui fourniront des informations clés pour savoir si l'énergie sombre est une constante ou si sa force a changé au cours de l'histoire cosmique.

Les supernovae comme clé pour comprendre l'énergie sombre

Les supernovae de type Ia sont extrêmement utiles comme sondes cosmologiques car les astronomes connaissent avec une grande certitude leur luminosité intrinsèque au moment du pic de l'explosion. Elles explosent toujours avec une luminosité maximale presque identique. En comparant cette luminosité intrinsèque connue à leur luminosité apparente observée depuis la Terre, les scientifiques peuvent calculer à quelle distance elles se trouvent. Plus la supernova apparaît faible, plus elle est loin de nous. En même temps, le télescope Roman sera également capable de mesurer la vitesse à laquelle ces supernovae semblent s'éloigner de nous, en analysant le décalage vers le rouge de leur lumière. En suivant la vitesse d'éloignement à différentes distances, les scientifiques pourront reconstituer avec précision l'histoire de l'expansion cosmique à travers différentes époques de l'univers. Ceci est crucial pour comprendre le rôle de l'énergie sombre, la force qui anime l'expansion accélérée de l'univers.

Seul le télescope Roman aura la capacité de trouver les supernovae les plus faibles et les plus éloignées qui ont illuminé les premières époques cosmiques. Il complétera ainsi le travail des télescopes au sol, tels que l'Observatoire Vera C. Rubin au Chili, qui sont limités par l'absorption de la lumière dans l'atmosphère terrestre et d'autres effets. La plus grande force de l'observatoire Rubin sera de trouver des supernovae qui se sont produites au cours des 5 derniers milliards d'années. D'autre part, Roman étendra cette collection à des périodes beaucoup plus anciennes de l'histoire de l'univers, remontant jusqu'à 11 milliards d'années dans le passé, c'est-à-dire à une époque où l'univers n'avait qu'environ 3 milliards d'années. Cela fera plus que doubler la chronologie mesurée de l'histoire de l'expansion de l'univers, offrant un aperçu d'une précision sans précédent. Récemment, le Dark Energy Survey a révélé des indices selon lesquels l'énergie sombre pourrait s'affaiblir avec le temps, au lieu de représenter une force d'expansion constante. Les recherches de Roman seront d'une importance cruciale pour tester cette possibilité intrigante.

Stratégie d'observation et chasse aux événements rares

Pour détecter les objets transitoires, dont la luminosité change, Roman doit revisiter les mêmes zones du ciel à intervalles réguliers. Le High-Latitude Time-Domain Survey consacrera à ces observations un total de 180 jours de temps d'observation, répartis sur une période de cinq ans. La plupart des observations auront lieu pendant une période de deux ans au milieu de la mission, lorsque les mêmes champs seront ré-imagés tous les cinq jours. 15 jours d'observation supplémentaires seront effectués au début de la mission pour établir une image de référence du ciel.

"Pour trouver les choses qui changent, nous utilisons une technique appelée soustraction d'images", explique Sako. "Vous prenez une nouvelle image et vous en soustrayez une image de la même partie du ciel prise beaucoup plus tôt – le plus tôt possible dans la mission. De cette façon, vous supprimez tout ce qui est statique, et il ne vous reste que les objets qui sont nouveaux ou qui ont changé de luminosité."

Le relevé comprendra également une composante étendue qui revisitera certains des champs d'observation environ tous les 120 jours pour rechercher des objets qui changent sur des échelles de temps plus longues. Cela aidera à la détection des phénomènes transitoires les plus éloignés qui existaient il y a même 13 milliards d'années, soit seulement un milliard d'années après le Big Bang. Ces objets varient plus lentement en raison de la dilatation du temps causée par l'expansion de l'univers.

"Nous bénéficions vraiment de l'observation sur toute la durée de la mission de cinq ans", déclare Brad Cenko du Goddard Space Flight Center de la NASA, l'autre coprésident du comité de recherche. "Cela vous permet de capturer ces événements très rares, très lointains, qui sont autrement difficiles à obtenir, mais qui nous en disent long sur les conditions dans l'univers primitif."

La quête des phénomènes les plus exotiques de l'univers

Cette composante étendue du relevé collectera des données sur certains des phénomènes transitoires les plus énergétiques et les plus durables. Parmi eux figurent les événements de rupture par effet de marée (Tidal Disruption Events), des phénomènes spectaculaires dans lesquels un trou noir supermassif déchire littéralement par sa gravité une étoile qui s'en approche de trop près. On recherchera également des événements prévus mais encore jamais vus, connus sous le nom de supernovae par instabilité de paires (pair-instability supernovae). Il s'agit d'explosions théorisées d'étoiles extrêmement massives qui sont si puissantes qu'elles ne laissent aucun résidu, comme une étoile à neutrons ou un trou noir, mais se dispersent complètement dans l'espace. La découverte d'un tel événement représenterait un pas de géant dans la compréhension de l'évolution des étoiles les plus massives.

Détails du relevé et collaboration mondiale

Le High-Latitude Time-Domain Survey sera divisé en deux niveaux d'imagerie : un niveau large qui couvrira une plus grande zone du ciel et un niveau profond qui se concentrera sur une zone plus petite, mais avec des temps d'exposition plus longs pour détecter les objets plus faibles et plus éloignés. Le niveau large, qui couvrira un peu plus de 18 degrés carrés (une zone du ciel grande comme 90 pleines Lunes), ciblera des objets datant des 7 derniers milliards d'années, c'est-à-dire de la seconde moitié de l'histoire de l'univers. Le niveau profond, couvrant une superficie de 6,5 degrés carrés, atteindra des objets plus faibles qui existaient il y a même 10 milliards d'années. Les observations se dérouleront dans deux zones, une dans le ciel nord et une dans le ciel sud, afin d'assurer une couverture complète.

À ce relevé sera également associée une composante spectroscopique, qui sera limitée au ciel austral. "Nous avons un partenariat avec l'Observatoire Subaru au sol, qui effectuera le suivi spectroscopique dans le ciel nord, tandis que Roman fera la spectroscopie dans le ciel sud. Grâce à la spectroscopie, nous pouvons déterminer avec certitude de quel type de supernova il s'agit", explique Cenko. La spectroscopie décompose la lumière d'un objet en ses couleurs constitutives, révélant sa composition chimique et d'autres caractéristiques physiques, ce qui est crucial pour confirmer qu'il s'agit d'une supernova de type Ia. Avec les deux autres relevés fondamentaux du télescope Roman, le High-Latitude Wide-Area Survey et le Galactic Bulge Time-Domain Survey, ce relevé aidera à cartographier l'univers avec une clarté et une profondeur jamais atteintes auparavant.