Le télescope WFIRST possèdera un miroir principal d’un diamètre de 2,4 mètres, de la même taille que le miroir principal du télescope spatial Hubble. WFIRST disposera de deux instruments, le Wide Field Instrument et le Coronagraph Instrument.
L’instrument à grand champ
L’instrument à champ large WFI fournit des capacités d’imagerie à grand champ et de spectroscopie sans fente nécessaires pour effectuer des études de l’énergie noire, d’exoplanète par technique de microlentille et d’infrarouge proche, tandis que l’instrument coronographe prend en charge l’imagerie à contraste élevé d’exoplanètes et de spectroscopie. L’instrument à champ large comprend des filtres qui fournissent un mode d’imagerie couvrant la bande de 0,48 à 2,0 μ et deux modes de spectroscopie sans fente. Les modes de spectroscopie couvrent la bande de 1,0 – 1,93 μ avec un pouvoir de résolution de 450 à 850 et la bande de 0.8 – 1,8 μm (pas encore définitif) avec un pouvoir de résolution de 70 à 140. Le plan focal à grand champ utilise des détecteurs HgCdTe 4k x 4k avec des pixels de 10 μ. Les détecteurs HgCdTe sont disposés en réseau 6 x 3, fournissant une zone active de 0,281 degrés carrés soit un champ de 0,5 x 0,5°, ce qui correspond au champ de la pleine Lune. L’instrument offrira une fonction d’étalement ponctuel, une photométrie de précision et fournira des observations stables pour la mise en œuvre des études de l’énergie noire, de la microlentille des exoplanètes par la technique de microlentille et dans l’infrarouge proche.
Coronographe
Le Coronagraph Instrument (CGI) sera le premier instrument d’un télescope spatial à utiliser des masques de coronographe de précision optimisés numériquement; des miroirs déformables de grand format pour un contrôle de front d’onde de haut niveau; un système de détection et de contrôle de front d’onde de faible niveau; et des détecteurs CCD multiplicateurs d’électrons (EMCCD) pour le comptage de faible flux de photons. Afin d’exécuter une démonstration convaincante de ses technologies critiques sur des sources astrophysiques, CGI aura la capacité de basculer entre trois modes d’observation:
1. Mode imagerie à large bande avec un coronographe hybride Lyot et un angle de travail interne de 3 λ / D (150 mas) en une bande passante de 546 à 604 nm;
2. Un coronographe à pupille pour l’imagerie spectroscopique avec un spectrographe de champ intégral basé sur des lentilles, avec une puissance de résolution spectrale R = 50 dans une bande passante de 675 à 785 nm;
3. Un coronographe à pupille pour l’imagerie à large bande de disques de débris à des séparations allant de 6 à 20 λ / D dans une bande passante de 784 à 866 nm.
Tous ces modes d’observation sont conçus pour atteindre une exigence de sensibilité du rapport de flux de 5 x 10-8, y compris les marges et les facteurs d’incertitude du modèle. Les prévisions de budget d’erreur indiquent que le CGI peut atteindre des sensibilités de rapport de flux jusqu’à 5 x 10-10 en imagerie (100 heures, V = 5) et 4 x 10-9 en spectroscopie (400 heures, V = 5).
Orbite de WFIRST
WFIRST sera sur le point de Lagrange L2 de l’orbite de la Terre autour du Soleil, à environ 1,8 million de kms de la Terre. Les forces gravitationnelles entre le soleil et la Terre à ce point sont égales, permettant une orbite stable du satellite.
La mission de référence (DRM) de WFIRST utilise le matériel du télescope de 2,4 mètres existant, ainsi que les architectures et le matériel des instruments, des engins spatiaux et des systèmes au sol pour répondre aux exigences scientifiques du WFIRST. L’observatoire WFIRST actuel se positionnera au deuxième point de Lagrange (SEL2). L’orbite n’est pas un Halo, car elle ne passe pas exactement par les mêmes points tous les 6 mois. Elle évolue et s’ouvre de façon quasi périodique, et est donc appelé Quasi-Halo.
Questions fréquemment posées
Qu’est-ce que WFIRST ?
Le Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) est un observatoire spatial de la NASA en cours de développement. WFIRST a été recommandé comme priorité absolue pour la prochaine décennie d’astronomie dans le cadre de l’enquête décennale 2010 du National Research Council des États-Unis. En février 2016, WFIRST a été approuvé pour développement et lancement. WFIRST est conçu pour régler des questions essentielles dans les domaines de l’énergie sombre, des exoplanètes et de l’astrophysique.
Quelle est la taille du télescope de WFIRST?
Le télescope WFIRST possède un miroir principal de 2,4 mètres de diamètre, de la même taille que le miroir principal du télescope spatial Hubble (HST). Le miroir a la même sensibilité que le miroir principal de Hubble, mais ne fera qu’un cinquième de son poids, mettant en évidence une avancée dans la technologie des télescopes. WFIRST aura une sensibilité et une résolution comparables à celles du HST, mais avec un champ de vision 100 fois plus grand, combinant une excellente qualité d’image avec une puissance élevée.
Combien d’instruments WFIRST aura-t-il ?
WFIRST disposera de deux instruments, le Wide Field Instrument (WFI) et le Coronagraph Instrument (CGI). Le WFI fournit une imagerie à large champ et une spectroscopie pour l’étude de l’énergie sombre, de microlentille et de supernova. Le CGI fournit une imagerie et une spectroscopie à contraste élevé pour les observations d’exoplanètes et de disques de débris. Le WFI est une caméra multi-bande dans le proche infrarouge de 288 mégapixels, offrant une netteté des images comparable à celle obtenue par le télescope spatial Hubble (HST) sur un champ de vision de 0,28 degré carré, 100 fois plus grande que celle du HST. L’instrument de coronographie consiste en une caméra et un spectromètre à petit champ de vision à contraste élevé couvrant les longueurs d’onde visibles et le proche infrarouge utilisant une nouvelle technologie de suppression de la lumière des étoiles.
Quels sont les thèmes scientifiques de WFIRST?
WFIRST se concentrera sur l’énergie sombre, les exoplanètes et un large éventail de sujets relatifs à l’astrophysique infrarouge et aux sciences planétaires. Les études WFIRST comprennent une vaste zone, une imagerie à haute définition et un étude spectroscopique qui permet des mesures cosmologiques de haute précision sur les amas de galaxies, une étude dans le domaine temporel qui permet la découverte et la surveillance de la courbe de lumière de milliers de supernovæ de type Ia, une étude temporelle du domaine du renflement galactique qui permet la découverte de milliers d’exoplanètes au niveau de l’UA et des séparations plus grandes via la microlentille gravitationnelle, et un programme General Observer (GO) qui permettra un large éventail d’études en astrophysique et en science planétaire.
Comment WFIRST recherchera-t-il la matière noire, l’énergie noire et les exoplanètes?
WFIRST étudiera la matière noire et l’énergie noire avec plusieurs techniques. Il effectuera de grandes études sur les galaxies et les amas de galaxies pour voir les effets de la matière noire et de l’énergie sur leurs formes et distributions dans l’univers. Au total, plus d’un milliard de galaxies seront observées par WFIRST. Il observera également des supernovæ lointaines de type Ia pour les utiliser comme traceurs de matière noire et d’énergie sombre. WFIRST fournira un énorme pas en avant dans notre compréhension de la matière noire et de l’énergie sombre. WFIRST étudiera également les exoplanètes avec deux techniques différentes: la microlentille et la coronographie. La mission observera une région dense dans la direction du centre de la Voie lactée de notre galaxie pour observer les événements de microlentille. L’instrument coronographe fera la démonstration de nouvelles technologies pour effectuer l’imagerie directe d’exoplanètes et de disques autour des étoiles proches.
Les équipes scientifiques ont-elles déjà été sélectionnées pour la mission?
Non. WFIRST a sollicité les commentaires de la communauté scientifique pour obtenir des conseils sur la formulation des enquêtes, et une grande équipe de scientifiques a proposé de participer à un «Groupe de travail sur la science de la formulation», ou FSWG. Les objectifs du FSWG sont d’organiser des équipes d’investigation scientifique pour étudier les conceptions optimales et les exigences techniques pour les enquêtes, et les capacités qui maximiseront le retour scientifique de l’observateur général et des programmes d’archivage. Les plans détaillés de l’enquête et les attributions de temps seront décidés beaucoup plus près du lancement, intégrant une large contribution communautaire. Les membres du FSWG ont un mandat de 5 ans et la NASA prévoit une future compétition pour la mise en œuvre et la participation à WFIRST.
Les données WFIRST auront-elles un temps d’exclusivité ?
Il n’y aura pas de période d’exclusivité pour les données WFIRST, et 100 % du temps d’observation sera utilisé.
Quel est le statut de WFIRST?
WFIRST est actuellement en phase finale de conception et de fabrication («phase C»). Les missions de la NASA passent par différentes phases, comme suit:
· Phase A: Développement de concept et de technologie
· Phase B: Conception préliminaire et achèvement de la technologie
· Phase C: Conception et fabrication finales
· Phase D: Assemblage, intégration et test du système et lancement
· Phase E: Opérations et maintien en puissance
· Phase F: Clôture
Quand WFIRST devrait-il être lancé?
Les préparatifs sont en bonne voie pour un lancement au milieu des années 2020.
Quelles institutions sont impliquées dans WFIRST?
La mission WFIRST est gérée par le Goddard Space Flight Center de la NASA avec la participation du Jet Propulsion Laboratory, du Space Telescope Science Institute (STScI), de l’Infrared Processing and Analysis Center (IPAC), de plusieurs partenaires industriels et des membres de l’équipe scientifique d’un grand nombre d’instituts de recherche. Les fonctions du WFIRST Science Center sont la responsabilité conjointe de l’IPAC, du STScI et du GSFC. Les principaux partenaires industriels sont Ball Aerospace, Harris et Teledyne Imaging Sensors.
Quelle science supplémentaire WFIRST permettra-t-il?
En plus des programmes d’étude WFIRST pour étudier l’énergie sombre et les exoplanètes, WFIRST permettra une vaste gamme d’investigations scientifiques en astrophysique et en science planétaire. WFIRST disposera d’un solide programme General Observer qui permettra à la communauté scientifique d’étudier des sujets tels que les objets du système solaire, les transits d’exoplanètes, les naines brunes et les restes stellaires, les populations stellaires de la Voie lactée et les galaxies voisines, l’évolution des galaxies, les quasars, les lentilles gravitationnelles, et les sources de ré-ionisation.
Qui lancera la mission dans l’espace?
Le projet WFIRST étudie actuellement les options des lanceurs. Les lanceurs ne sont généralement sélectionnés que plusieurs années avant le lancement.
Dans quelle orbite sera WFIRST?
WFIRST fonctionnera à partir d’une orbite quasi-halo autour du deuxième point Lagrange Soleil-Terre (L2).
Quelle est la durée de vie de la mission WFIRST?
Selon les plans actuels, WFIRST aura une durée de vie de mission principale de 5 ans et est conçu pour soutenir une mission prolongée de 5 ans (le carburant est le seul consommable qui limitera sa durée de vie).
WFIRST aura-t-il un programme d’observation général ou de recherche d’archives?
Oui. Selon les plans actuels, 25% de la mission principale de 5 ans devrait être consacrée aux programmes d’Observation générale (GO) et 5% à la démonstration de technologies coronographiques. Le reste est consacré aux études de microlentille et aux mesures de l’énergie noire. Ces études devraient également fournir des données utiles pour l’astrophysique générale à effectuer en mode archivistique. La NASA a l’intention de financer un programme de recherche d’archives (AR) pour soutenir l’exploitation scientifique complète des ensembles de données WFIRST. Une plus grande fraction du temps (probablement 100%) d’une mission prolongée serait effectuée en mode GO.
Espace-temps déformé pour aider WFIRST à trouver des exoplanètes
Le télescope d’enquête à champ large de la NASA (WFIRST) recherchera des planètes en dehors de notre système solaire vers le centre de la Voie lactée de notre galaxie, où se trouvent la plupart des étoiles. L’étude des propriétés des exoplanètes nous aidera à comprendre à quoi ressemblent les systèmes planétaires de la galaxie et comment les planètes se forment et évoluent.
La combinaison des résultats de WFIRST avec les résultats des missions Kepler et Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA achèvera le premier recensement de planète avec un large éventail de masses et d’orbites, nous rapprochant ainsi de la découverte de mondes terrestres habitables au-delà de notre Terre.
À ce jour, les astronomes ont trouvé la plupart des planètes passant devant leur étoile hôte lors d’événements appelés transits, qui atténuent temporairement la lumière de l’étoile. Les données WFIRST peuvent également repérer les transits, mais la mission surveillera principalement l’effet inverse – de petites poussées de rayonnement produites par un phénomène de flexion de la lumière appelé microlentille. Ces événements sont beaucoup moins courants que les transits car ils reposent sur l’alignement fortuit de deux étoiles largement séparées et sans rapport dérivant à travers l’espace.
«Les signaux de microlentille de petites planètes sont rares et brefs, mais ils sont plus forts que les signaux des autres méthodes», a déclaré David Bennett, qui dirige le groupe de microlentille gravitationnelle au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. Sur un million d’événements, la clé pour que WFIRST trouve des planètes de faible masse consiste à rechercher des centaines de millions d’étoiles.
De plus, la microlentille est meilleure pour trouver des planètes dans et au-delà de la zone habitable – les distances orbitales où les planètes peuvent avoir de l’eau liquide sur leurs surfaces.
Microlentille 101
Cet effet se produit lorsque la lumière passe près d’un objet massif. Tout ce qui a une masse déforme le tissu de l’espace-temps, un peu comme la bosselure d’une boule de bowling lorsqu’elle est placée sur un trampoline. La lumière se déplace en ligne droite, mais si l’espace-temps est courbé – ce qui se produit près de quelque chose de massif, comme une étoile – la lumière suit la courbe.
Chaque fois que deux étoiles s’alignent étroitement depuis notre point de vue, la lumière des d’étoiles les plus éloignées se courbe alors qu’elle se déplace à travers l’espace-temps déformé de l’étoile la plus proche. Ce phénomène, l’une des prédictions de la théorie générale de la relativité d’Einstein, a été confirmé par le physicien britannique Sir Arthur Eddington lors d’une éclipse solaire totale en 1919. Si l’alignement est particulièrement proche, l’étoile la plus proche agit comme une lentille cosmique naturelle, se concentrant et intensifiant la lumière de l’étoile de fond.
Les planètes en orbite autour de l’étoile de premier plan peuvent également modifier la lumière des lentilles, agissant comme leurs propres minuscules lentilles. La distorsion qu’ils créent permet aux astronomes de mesurer la masse et la distance de la planète par rapport à son étoile hôte. C’est ainsi que WFIRST utilisera la microlentille pour découvrir de nouveaux mondes.
Mondes familiers et exotiques
« Essayer d’interpréter les populations de planètes aujourd’hui, c’est comme essayer d’interpréter une image dont la moitié est couverte », a déclaré Matthew Penny, professeur adjoint de physique et d’astronomie à la Louisiana State University à Baton Rouge, qui a mené une étude pour prédire les capacités d’étude de microlentille de WFIRST. «Pour bien comprendre comment les systèmes planétaires se forment, nous devons trouver des planètes de toutes les masses à toutes les distances. Aucune technique ne peut le faire, mais l’enquête de microlentille de WFIRST, combinée aux résultats de Kepler et de TESS, révèlera bien plus de choses. »
Plus de 4 000 exoplanètes confirmées ont été découvertes jusqu’à présent, mais seulement 86 ont été trouvées par microlentille. Les techniques couramment utilisées pour trouver d’autres mondes sont orientées vers les planètes qui ont tendance à être très différentes de celles de notre système solaire. La méthode de transit, par exemple, est la meilleure pour trouver des planètes de type sous-Neptunien qui ont des orbites beaucoup plus petites que celles de Mercure. Pour un système solaire comme le nôtre, les études sur les transports en commun pourraient manquer toutes les planètes.
L’enquête de microlentille de WFIRST nous aidera à trouver des analogues de chaque planète de notre système solaire, à l’exception de Mercure, dont la petite orbite et la faible masse se combinent pour la mettre hors de portée de la mission. WFIRST trouvera des planètes qui sont la masse de la Terre et encore plus petites – peut-être même de grandes lunes, comme la lune de Jupiter, Ganymède.
WFIRST trouvera également des planètes dans d’autres catégories mal étudiées. La microlentille est la mieux adaptée pour trouver des mondes à partir de la zone habitable de leur étoile et plus loin. Cela inclut des géants de glace, comme Uranus et Neptune dans notre système solaire, et même des planètes errantes – des mondes parcourant librement la galaxie sans se lier à aucune étoile.
Alors que les géants de glace sont une minorité dans notre système solaire, une étude de 2016 a indiqué qu’ils pourraient être le type de planète le plus courant dans la galaxie. WFIRST mettra cette théorie à l’épreuve et nous aidera à mieux comprendre quelles caractéristiques planétaires sont les plus répandues.
Joyaux cachées dans le noyau galactique
WFIRST explorera les régions de la galaxie qui n’ont pas encore été systématiquement recherchées pour les exoplanètes en raison des différents objectifs des missions précédentes. Kepler, par exemple, a recherché une région de taille modeste d’environ 100 degrés carrés avec 100 000 étoiles à des distances typiques d’environ mille années-lumière. TESS balaye le ciel entier et suit 200 000 étoiles, mais leurs distances typiques sont d’environ 100 années-lumière. WFIRST recherchera environ 3 degrés carrés, mais suivra 200 millions d’étoiles à des distances d’environ 10 000 années-lumière.
Étant donné que WFIRST est un télescope infrarouge, il verra à travers les nuages de poussière qui empêchent les autres télescopes d’étudier les planètes dans la région centrale surpeuplée de notre galaxie. À ce jour, la plupart des observations de microlentille au sol ont été effectuées à la lumière visible, ce qui rend le centre de la galaxie largement inexploré. Une enquête de microlentille menée depuis 2015 à l’aide du télescope infrarouge du Royaume-Uni (UKIRT) à Hawaï ouvre la voie au recensement des exoplanètes de WFIRST en cartographiant la région.
L’enquête UKIRT fournit les premières mesures du taux d’événements de microlentille vers le cœur de la galaxie, où les étoiles sont les plus densément concentrées. Les résultats aideront les astronomes à sélectionner la stratégie d’observation finale pour l’effort de microlentille de WFIRST.
L’objectif le plus récent de l’équipe UKIRT est de détecter les événements de microlentille à l’aide de l’apprentissage automatique, ce qui sera vital pour WFIRST. La mission produira une telle quantité de données qu’il sera impossible de les parcourir uniquement à l’œil nu. La rationalisation de la recherche nécessitera des processus automatisés.
Des résultats supplémentaires de l’UKIRT indiquent une stratégie d’observation qui révélera le plus grand nombre possible d’événements de microlentille tout en évitant les nuages de poussière les plus épais qui peuvent bloquer même la lumière infrarouge.
«Notre enquête actuelle avec UKIRT jette les bases pour que WFIRST puisse mettre en œuvre la première enquête spatiale dédiée à la microlentille», a déclaré Savannah Jacklin, astronome à l’Université Vanderbilt à Nashville, Tennessee, qui a dirigé plusieurs études UKIRT. «Les missions exoplanètes précédentes ont élargi notre connaissance des systèmes planétaires, et WFIRST nous rapprochera d’un pas de géant pour vraiment comprendre comment les planètes – en particulier celles situées dans les zones habitables de leurs étoiles hôtes – se forment et évoluent.»
Des naines brunes aux trous noirs
La même étude de microlentille qui révèlera des milliers de planètes détectera également des centaines d’autres objets cosmiques bizarres et intéressants. Les scientifiques pourront étudier des corps flottant librement avec des masses allant de celle de Mars à 100 fois celle du Soleil.
L’extrémité inférieure de la plage de masse comprend des planètes qui ont été éjectées de leurs étoiles hôtes et parcourent maintenant la galaxie en tant que planètes errantes. Viennent ensuite les naines brunes, qui sont trop massives pour être qualifiées de planètes mais pas assez massives pour s’enflammer sous forme d’étoiles. Les naines brunes ne brillent pas visiblement comme les étoiles, mais WFIRST pourra les étudier en lumière infrarouge grâce à la chaleur résiduelle de leur formation.
Les objets à l’extrémité supérieure comprennent des cadavres stellaires – étoiles à neutrons et trous noirs – laissés derrière lorsque des étoiles massives épuisent leur carburant. Les étudier et mesurer leurs masses aideront les scientifiques à mieux comprendre les affres des étoiles tout en fournissant un recensement des trous noirs de masse stellaire.
« L’étude de microlentille de WFIRST ne fera pas seulement progresser notre compréhension des systèmes planétaires », a déclaré Penny, « elle permettra également toute une série d’autres études sur la variabilité de 200 millions d’étoiles, la structure et la formation de la Voie lactée intérieure et la population de trous noirs et d’autres objets sombres et compacts qui sont difficiles ou impossibles à étudier de toute autre manière ».
La loi de crédits consolidés FY2020 finance le programme WFIRST jusqu’en septembre 2020. La demande de budget FY2021 propose de mettre fin au financement de la mission WFIRST et de se concentrer sur l’achèvement du télescope spatial James Webb, dont le lancement est maintenant prévu en mars 2021. L’administration n’est pas prête de procéder à un autre télescope de plusieurs milliards de dollars jusqu’à ce que Webb soit lancé et déployé avec succès.
WFIRST est géré à Goddard, avec la participation du Jet Propulsion Laboratory de la NASA et de Caltech / IPAC à Pasadena, du Space Telescope Science Institute à Baltimore, et d’une équipe scientifique comprenant des scientifiques d’institutions de recherche à travers les États-Unis.