Le télescope spatial SPHEREx de la NASA a achevé sa première carte infrarouge complète du ciel en pas moins de 102 couleurs, ouvrant ainsi un nouveau chapitre dans la cartographie de l'univers. En seulement six mois de fonctionnement, cet observatoire relativement compact mais extrêmement sophistiqué a réussi à « assembler » une mosaïque panoramique du ciel entier – des étoiles les plus proches de notre galaxie aux centaines de millions de galaxies dispersées à travers près de 14 milliards d'années d'histoire cosmique. Il s'agit de la première carte 3D en « couleurs » de l'univers de ce type, destinée non seulement aux plus grands scientifiques mais aussi au grand public, car les données sont accessibles à tous.

SPHEREx – acronyme de Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer – a été lancé en mars 2025 et placé sur une orbite terrestre basse. Là, il tourne continuellement autour de la planète, captant le rayonnement infrarouge invisible à l'œil humain mais contenant des indices clés sur l'origine de l'univers, l'évolution des galaxies et les « matériaux de construction » pour la formation des planètes et de la vie. La première carte all-sky, achevée en décembre 2025, n'est que le début d'une mission de deux ans au cours de laquelle le télescope cartographiera l'ensemble du ciel trois fois de plus, de manière toujours plus précise et sensible.

Carte de l'univers en 102 couleurs infrarouges

Contrairement aux images astronomiques classiques qui montrent le ciel dans seulement quelques bandes infrarouges ou visibles larges, SPHEREx observe chaque partie du ciel dans 102 longueurs d'onde infrarouges étroitement définies. Chacun de ces « canaux » apporte une information spécifique : certains sont particulièrement sensibles à l'éclat de l'hydrogène chaud dans le gaz cosmique, d'autres révèlent mieux la poussière interstellaire froide, d'autres encore mettent en valeur la lumière des étoiles et des galaxies. Lorsque toutes ces couleurs sont assemblées, on obtient une image extrêmement riche – une sorte d'arc-en-ciel cosmique en trois dimensions.

Dans la première mosaïque du ciel entier, on distingue clairement les régions dominées par le gaz chaud, celles où la poussière prévaut et les zones où la lumière des étoiles et des galaxies est visible. L'hydrogène gazeux chaud émet des longueurs d'onde infrarouges « bleues » caractéristiques, tandis que la poussière froide se distingue par des couleurs infrarouges plus « rouges ». Ensemble, cela donne une carte spatiale qui permet aux scientifiques de suivre simultanément la distribution de la matière aux plus grandes échelles et la naissance de nouvelles étoiles et planètes dans les nébuleuses de notre Voie lactée.

Il est important de souligner que SPHEREx ne produit pas seulement une belle image du ciel, mais une véritable carte tridimensionnelle de l'univers. Chaque objet observé – d'une galaxie lointaine à un nuage de poussière dans la Voie lactée – « signe » sa présence dans le spectre par une disposition différente de couleurs. À partir de cette signature, il est possible de déterminer la distance de nombreuses galaxies, et donc leur position dans la distribution 3D de la matière à travers tout l'univers visible.

Comment le télescope SPHEREx balaie l'ensemble du ciel

SPHEREx orbite autour de la Terre environ 14 fois et demie par jour, sur une orbite qui le mène du pôle nord au pôle sud. À chaque passage, il enregistre une étroite bande du ciel, un peu comme un ruban qui s'étendrait autour de toute la voûte céleste. Chaque jour, environ 3 600 images individuelles sont générées, puis fusionnées numériquement pour former une mosaïque plus large. À mesure que la Terre voyage autour du Soleil, la vue du télescope se déplace lentement, de sorte qu'après environ six mois, SPHEREx « voit » chaque point du ciel.

La première cartographie systématique du ciel a débuté en mai 2025. Au cours des six mois suivants, jusqu'à fin décembre, une série complète de données a été collectée et utilisée pour créer la première carte infrarouge complète du ciel en 102 couleurs. La mission est conçue pour effectuer quatre balayages de ce type de l'ensemble du ciel sur une période de deux ans. En combinant plusieurs cartes, la sensibilité globale augmente – les objets faibles qui n'étaient que vaguement indiqués lors du premier passage deviennent plus clairs et plus mesurables après plusieurs « passages ».

Pour déplacer sa vue de manière stable et précise dans le ciel, SPHEREx n'utilise pas de petits moteurs-fusées mais un système de reaction wheels (roues de réaction) – des volants d'inertie internes qui modifient l'orientation de l'engin par rotation. Cette approche réduit les vibrations et permet au télescope de rester extrêmement stable pendant les prises de vue, ce qui est crucial pour obtenir des images infrarouges nettes qui sont ensuite fusionnées en une mosaïque unique. Au total, plus de 11 000 orbites et des centaines de milliers de prises de vue individuelles seront effectuées au cours de la mission nominale.

Spectroscopie : transformer les couleurs en coordonnées et signatures chimiques

Le « super-pouvoir » clé du télescope SPHEREx est la spectroscopie, une technique par laquelle la lumière est décomposée en ses longueurs d'onde constitutives. Au niveau le plus simple, c'est analogue à un prisme qui décompose la lumière blanche en arc-en-ciel, mais il s'agit ici d'une décomposition du rayonnement infrarouge beaucoup plus fine et calibrée avec précision. Chaque molécule et chaque élément chimique laisse une trace reconnaissable dans le spectre – un ensemble de lignes et de couleurs spécifiques.

Pour y parvenir, SPHEREx utilise six détecteurs, devant chacun desquels se trouve un filtre spécialement conçu avec un dégradé de 17 couleurs différentes. Lorsque le télescope capture un champ, six images sont obtenues simultanément, chacune dans une série de longueurs d'onde infrarouges différentes. Ensemble, elles constituent 102 « canaux » distincts, des longueurs d'onde les plus courtes aux plus longues couvertes par l'instrument. Chaque carte complète du ciel est donc en fait un ensemble de 102 « sous-cartes », où chaque couleur met en évidence des structures différentes dans l'univers.

La spectroscopie permet également d'estimer la distance de nombreuses galaxies. À mesure que l'univers s'étend, la lumière des galaxies lointaines se « déplace » vers des longueurs d'onde plus rouges – un phénomène connu sous le nom de décalage vers le rouge (redshift). En fonction de l'importance du décalage du spectre, les scientifiques peuvent calculer la distance d'une galaxie et l'âge de la lumière qui nous parvient. SPHEREx mesurera ainsi la distance de centaines de millions de galaxies, transformant une projection bidimensionnelle du ciel en une carte tridimensionnelle de la structure cosmique.

La force particulière de SPHEREx réside dans la combinaison d'un large champ de vision et d'un grand nombre de couleurs. Les télescopes spatiaux classiques comme Hubble ou James Webb (JWST) peuvent étudier de plus petites zones du ciel avec une résolution spatiale et spectroscopique très élevée, mais sur une surface limitée. SPHEREx, à l'inverse, est conçu comme un « cartographe cosmique » – il couvre tout le ciel, mais avec une résolution spatiale modérée et un spectre extrêmement riche. Ensemble, ces instruments forment un système puissant : SPHEREx trouve des cibles intéressantes et des modèles statistiques, tandis que Webb, Euclid, Roman et d'autres télescopes entrent dans les détails.

Inflation : traces des tout premiers instants après le Big Bang

L'un des principaux objectifs scientifiques de la mission est d'étudier la période mystérieuse de l'inflation cosmique. Selon les modèles actuels, l'univers a connu une expansion incroyablement rapide dans la première fraction de seconde après le Big Bang : dans la première billionième de billionième de billionième de seconde, l'espace s'est dilaté d'un facteur d'environ « un billion de billions ». Aucun autre processus connu en physique n'implique une telle quantité d'énergie et des échelles aussi extrêmes.

Bien que l'inflation se soit produite de manière inimaginablement rapide et lointaine, ses traces sont visibles dans la distribution actuelle des galaxies aux plus grandes échelles de l'univers. De petites fluctuations quantiques dans l'univers très primitif ont été étirées à des proportions cosmiques par l'inflation ; avec le temps, elles sont devenues les germes autour desquels la matière a commencé à s'accumuler, formant des galaxies, des amas de galaxies et d'immenses « filaments » cosmiques. La manière dont les galaxies sont réparties dans l'espace aujourd'hui porte donc des informations sur la nature exacte de l'inflation.

Grâce aux millions de galaxies mesurées et à leurs distances, SPHEREx permettra des mesures statistiques très précises de ces arrangements. En comparant les observations avec différents modèles théoriques d'inflation, les scientifiques pourront exclure certains scénarios et restreindre le champ des possibles. Le but n'est pas seulement de confirmer que l'inflation a eu lieu, mais de comprendre sa nature physique : quel type de champ a causé l'expansion, comment il s'est comporté et ce que cela nous dit sur les lois fondamentales de la physique.

Eau et composés organiques dans la Voie lactée

La deuxième grande tâche scientifique de SPHEREx concerne les blocs de construction de la vie. Dans les nuages moléculaires froids à l'intérieur de notre galaxie, loin des étoiles brillantes, se trouvent d'énormes quantités de glace et de composés organiques déposés sur de minuscules grains de poussière. Lorsque de nouvelles étoiles et des systèmes planétaires se forment à partir de ces nuages, cette glace s'incorpore dans les disques protoplanétaires puis, plus tard, dans les comètes et les planètes.

On pense qu'une part importante de l'eau des océans terrestres est née précisément de cette manière – sous forme de glace dans un nuage interstellaire à partir duquel le système solaire s'est formé. En étudiant les « signatures » infrarouges de l'eau, des hydrocarbures et d'autres molécules dans les spectres, SPHEREx peut cartographier où ces composants se trouvent dans la Voie lactée et en quelles quantités. Les molécules telles que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont particulièrement intéressantes, car elles se comportent comme de la « fumée » ou de la suie à l'échelle cosmique – brillant dans certaines longueurs d'onde et disparaissant complètement dans d'autres.

Au cours de sa mission, SPHEREx effectuera des millions de mesures individuelles de ces nuages dans toute la galaxie. Le résultat sera une carte montrant où, dans la Voie lactée, dominent les nuages froids riches en eau et en composés organiques, et où prévalent les régions de fort rayonnement qui brisent ces molécules. Une telle carte aidera les astrophysiciens à mieux comprendre les conditions dans lesquelles naissent des systèmes planétaires semblables au nôtre et la fréquence des scénarios où les planètes reçoivent de généreuses réserves d'eau dès le début de leur formation.

En plus de notre galaxie, SPHEREx suivra également la quantité totale de lumière émise à travers l'histoire de l'univers par toutes les galaxies ensemble – ce que l'on appelle le fond cosmique infrarouge. C'est une autre façon de reconstruire l'histoire de la formation des étoiles, de la création de la poussière et de la propagation d'une chimie complexe sur des milliards d'années.

SPHEREx en compagnie d'autres télescopes spatiaux

SPHEREx n'est pas le seul télescope à avoir cartographié l'ensemble du ciel dans l'infrarouge – il a été précédé, par exemple, par le WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) de la NASA, qui a également produit une carte complète du ciel dans les années 2010. Mais WISE ne fonctionnait que dans quatre bandes infrarouges larges, tandis que SPHEREx couvre plus d'une centaine de longueurs d'onde étroites. Le résultat est une information de « couleur » beaucoup plus fine, idéale pour l'analyse spectroscopique et la détermination précise des distances et de la composition chimique.

À l'autre bout du spectre se trouve le James Webb Space Telescope, spécialisé dans les observations détaillées et profondes de petites zones du ciel. Webb peut étudier l'atmosphère des exoplanètes ou la structure de galaxies individuelles avec une précision incroyable, mais il ne peut pas collecter rapidement des données pour l'ensemble du ciel. SPHEREx remplit précisément ce créneau : il crée un contexte dans lequel les observations profondes individuelles peuvent être mieux comprises, car il montre comment un objet spécifique s'intègre dans le tableau d'ensemble.

Aux côtés de Webb, SPHEREx collaborera avec des missions telles que le télescope européen Euclid, spécialisé dans l'étude de la matière noire et de l'énergie noire, et le futur télescope Nancy Grace Roman de la NASA. SPHEREx peut, par exemple, aider à sélectionner des cibles pour des prises de vue plus détaillées ou fournir des données supplémentaires sur les galaxies déjà répertoriées dans les catalogues de ces missions. Ainsi se crée un réseau d'observatoires complémentaires où chaque instrument accomplit ce pour quoi il est le plus adapté.

Une petite mission avec une grande équipe internationale

Bien que dans la hiérarchie de la NASA, SPHEREx soit classé parmi les missions astrophysiques dites de taille moyenne (MIDEX), la quantité de science qu'il produira est proportionnelle à des projets beaucoup plus vastes et coûteux. Le télescope et le véhicule spatial ont été fabriqués par l'entreprise BAE Systems, tandis que l'installation de l'instrument et la coordination du système ont été coordonnées par l'Institut de technologie de Californie (Caltech), une institution qui gère également le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA.

L'équipe scientifique réunit des chercheurs de dix institutions aux États-Unis ainsi que des groupes partenaires en Corée du Sud et à Taïwan. Une telle coopération internationale est devenue la norme en astrophysique moderne : la construction d'un télescope spatial nécessite une expérience industrielle, le développement de détecteurs avancés et des outils logiciels complexes, tandis que l'analyse des données implique des générations entières de doctorants et de post-doctorants qui fonderont leurs travaux et leur carrière sur SPHEREx.

Pour la direction de la division d'astrophysique de la NASA, SPHEREx est un exemple de la manière dont des idées audacieuses peuvent être réalisées dans une mission de taille moyenne. Avec un instrument soigneusement conçu et des objectifs scientifiques clairement définis, il est possible d'obtenir pour un budget relativement limité des données pertinentes pour les questions fondamentales de cosmologie et d'astrophysique – de l'inflation à la distribution de l'eau dans la galaxie.

Science ouverte : des données accessibles à tous

L'une des caractéristiques les plus importantes de la mission est son engagement envers la science ouverte. Depuis le début des opérations scientifiques, SPHEREx envoie régulièrement des données aux archives d'observations infrarouges de la NASA, gérées par le centre IPAC du Caltech. Une fois que l'équipe scientifique a éliminé les artefacts instrumentaux, calibré les images et vérifié la qualité, les données sont publiées sous forme d'ensembles publics. La première carte infrarouge complète du ciel est désormais accessible aussi bien aux astronomes professionnels qu'aux amateurs avertis ou aux utilisateurs curieux.

Au cours de la mission nominale de deux ans, il est prévu que SPHEREx rescane l'ensemble du ciel quatre fois. Après environ un an de fonctionnement, la NASA a annoncé la publication de la carte complète dans les 102 couleurs infrarouges en tant que catalogue de référence. Chaque passage suivant améliorera encore la sensibilité et permettra de détecter des sources de plus en plus faibles. À mesure que les archives se rempliront, le potentiel de découvertes inattendues grandira – des types rares de galaxies aux nuages de poussière inhabituels et aux nouveaux indices sur la formation des systèmes planétaires.

Pour les astronomes qui prévoient des observations avec d'autres télescopes, SPHEREx offre un précieux « aperçu » du ciel. Les chercheurs peuvent rechercher dans les archives les zones d'intérêt, vérifier s'il s'y trouve des signatures spectroscopiques inhabituelles ou une forte concentration de poussière et de gaz, et adapter ainsi leurs observations détaillées. Mais parallèlement, le scénario inverse est tout aussi possible : des objets découverts par hasard par d'autres missions peuvent être analysés dans les cartes de SPHEREx dans un contexte plus large et reliés à l'environnement qui les entoure.

À mesure que la mission avancera, la quantité de données augmentera de façon exponentielle, et la première carte du ciel de SPHEREx servira de point de référence pour la prochaine décennie de recherche. Elle nous rappelle qu'un télescope relativement compact, placé en orbite basse autour de la Terre, peut ouvrir une fenêtre sur les premiers instants de l'univers et simultanément suivre le chemin de l'eau et des molécules organiques qui, un jour, quelque part, finiront peut-être dans les océans d'un autre monde.