Euclid (télescope spatial)

Au cours des dernières décennies, notre compréhension de la structure de l'Univers a fortement évolué. Les astrophysiciens ont découvert non seulement qu'une partie prépondérante de la matière était invisible (la matière noire), mais qu'en plus l'univers s'agrandissait avec une vitesse croissante sous l'influence d'un facteur baptisé énergie noire, à défaut d'une modification des lois de la gravité. Ces deux composants ne peuvent être observés directement, mais leur présence peut être déduite de leur effet sur l'univers observable. Plusieurs méthodes destinées à révéler leurs caractéristiques ont été mises au point au cours des années écoulées. L'une des plus efficaces est la lentille gravitationnelle faible. Cette méthode consiste à mesurer la déformation de la forme des galaxies sous l'effet de la lentille gravitationnelle de la matière visible et noire présente entre la Terre et ces galaxies. Le degré de distorsion permet de déduire comment se répartit la matière noire, en soustrayant l'effet de la matière observable. Par ailleurs, en mesurant le décalage vers le rouge des galaxies en arrière-plan (reflet de l'âge de l'image des galaxies), on peut estimer comment le phénomène de distorsion a évolué dans le temps. L'avantage de cette méthode est qu'elle constitue un moyen de mesure direct qui ne dépend pas d'hypothèses concernant la distribution de la matière visible et de la matière noire[1].

En mai 2008, le Concept Advisory Team de l'Agence spatiale européenne définit les caractéristiques d'une mission spatiale destinée à l'étude de l'énergie sombre. Les méthodes de détection envisagées font au préalable l'objet de longs débats et de simulations et études approfondies, car leur efficacité n'est initialement pas évidente. La mission est baptisée Euclid, acronyme de EUropean Cosmic aLl sky Investigator of the Dark universe, (tout en faisant référence à Euclide, un mathématicien grec considéré comme le père de la géométrie)[2]. Le projet Euclid prend la suite de la mission européenne Planck. Cette dernière avait dressé la carte de la structure de l'Univers primordial (décalage vers le rouge de 1100 environ) tandis qu'Euclid vise à cartographier l'évolution des structures de l'Univers entre la période identifiée par un décalage vers le rouge de 2 jusqu'à maintenant. Euclid analyse la matière visible et la matière noire agrégées et réparties pour en déduire le taux d'expansion de l'Univers à différentes époques[3].

Euclid est proposé comme deuxième mission de classe moyenne (M2) du programme scientifique Cosmic Vision (2015-2025) de l'Agence spatiale européenne. Ces missions disposent d'un budget de l'agence plafonné à environ 500 millions € et Euclid tient tout juste dans ce plafond. Euclid est choisi en octobre 2011 avec Solar Orbiter, au terme d'un parcours de sélection débuté au cours de l'été 2007 qui l'opposait en finale à PLATO. Son lancement est planifié en 2022[4]. En juin 2012, l'Agence spatiale européenne confie au Consortium Euclid la responsabilité de la mission, de la restitution des données produites et du développement des deux instruments scientifiques. Le consortium rassemble près de 1000 scientifiques et une centaine de laboratoires de recherche[5]. Mi 2013 l'ESA sélectionne l'établissement italien (Turin) de Thales Alenia Space pour la construction du satellite [6] tandis que la fabrication du module dans lequel est intégrée la charge utile d'Euclid (télescope et instruments) est confiée à l'établissement de Toulouse de la société Airbus Defence and Space[7]. La NASA est également un contributeur du projet : elle fournit les 20 détecteurs du photomètre fonctionnant en proche infrarouge NISP, car elle seule maîtrise la technologie associée, en échange de la participation de 40 scientifiques américains à la mission[8]^,[9]. Le développement de l'imageur est confié à un ensemble d'instituts de recherche menés par le Laboratoire de science spatiale Mullard (Royaume-Uni), tandis que le spectrographe est réalisé sous la direction du Laboratoire d'astrophysique de Marseille (LAM).

En décembre 2015 la construction du modèle de vol d'Euclid est lancée à la suite de la conclusion positive de la revue de définition préliminaire qui s'est déroulée au cours de l'automne[10].

Euclid va sonder l'histoire de l'expansion de l'Univers (dont on pense qu'elle est gouvernée par l'énergie sombre) et celle de la formation des structures cosmiques en mesurant la distribution de la matière noire et des galaxies dans l'Univers et la manière dont cette répartition a évolué depuis le Big Bang. Celle-ci pourrait s'expliquer assez simplement dans le cadre de l’actuelle théorie de la gravitation, la théorie de la Relativité Générale d'Einstein, dont les équations contiennent un terme appelé constante cosmologique simulant bien les effets de l'énergie sombre. Mais pour certains physiciens et astrophysiciens, il s'agirait d'une véritable énigme portant en elle une révolution pour la physique fondamentale, en impliquant l'existence d'une interaction nouvelle ou une modification de la Relativité Générale. L'exploration de la nature profonde de l'énergie sombre étant hors de portée de la mission Planck, Euclid est une mission cosmologique complémentaire et dans la continuité de Planck et des grandes missions spatiales de la cosmologie contemporaine.

Les méthodes utilisées reposent sur des mesures du cisaillement gravitationnel et de la distance des galaxies par la spectroscopie. Le cisaillement gravitationnel est une conséquence de la déflexion des rayons lumineux engendrée par la présence de matière qui modifie localement la courbure de l'espace-temps : la lumière émise par les galaxies, et donc les images que nous obtenons, sont déformées par l’interaction gravitationnelle de la matière présente entre celles-ci et la Terre. Cette matière est composée pour une petite partie des galaxies visibles, situées sur le chemin de la lumière, mais est pour l'essentiel de la matière noire. En mesurant ces déformations on peut localiser la matière noire, en évaluer la quantité et savoir comment elle se distribue dans l'Univers. La spectroscopie des galaxies permet de mesurer les décalages spectraux des galaxies et de déterminer des distances, via la Loi de Hubble. On parvient ainsi à reconstruire la distribution tri-dimensionnelle des populations de galaxies dans l'Univers.

À partir de ces données, il est possible d'analyser simultanément les propriétés statistiques des distributions de la matière noire et des galaxies et d'en décrire l'évolution au cours du temps. Ce sont ces propriétés et leur évolution qui sont des signatures de la nature de l'énergie sombre. Mais les distinctions entre les différentes hypothèses d'énergie sombre qui s'affrontent sont si infimes que seuls des projets d'observations astronomiques de grande ampleur portant sur des mesures de très haute précision, comme celles prévues avec Euclid, peuvent apporter des réponses décisives aux questions des physiciens.

Pour limiter les variations thermiques, Euclid effectue ses observations en pointant le télescope dans une direction perpendiculaire à celle du Soleil, en maintenant un angle compris entre 3° et +10° avec cette dernière. La région de l'écliptique est visible durant 2 courtes périodes d'une semaine par semestre, tandis que les pôles de l'écliptique sont observables pratiquement en permanence. Chaque région de l'espace fait l'objet d'une séquence d'observations d'une durée 4 362 secondes. Chacune de ces phases est elle-même subdivisée en quatre séquences de 973 secondes, durant lesquelles les deux instruments (spectrographe et imageur) fonctionnent ensemble durant 565 secondes, puis le spectrographe utilise ses différents filtres tandis que l'imageur, affecté par les vibrations de la roue à filtres, est désactivé. Une fois les quatre séquences achevées, le télescope est pointé vers une autre région de l'espace, dans le cadre d'une manœuvre qui dure au maximum 290 secondes. Une partie importante de la mission (environ 6 mois) est occupée par des opérations d'étalonnage[15].

Euclid (vue d'artiste).

Pour effectuer ses observations, Euclid utilise un télescope qui, avec le module de service, forme un ensemble long de 4,5 mètres pour un diamètre de 3,74 mètres et dont la masse atteint 2,1 tonnes. Ces dimensions sont compatibles avec le volume intérieur disponible sous la coiffe du lanceur Soyouz[16]. Euclid est composé de trois sous-ensembles : la plateforme, qui rassemble les équipements permettant à l'engin spatial de fonctionner (énergie, télécommunications, propulsion, contrôle de l'orientation, système de fixation sur le lanceur) et contient également une partie de l'électronique des instruments et la charge utile (PLM acronyme de Payload Module) elle-même, formée d'une part de la partie optique et d'autre part des deux instruments (imageur et spectrographe) analysant le rayonnement collecté.

La mission Euclid doit être placée en orbite en 2022 par une fusée Soyouz ou une fusée Ariane 62 tirée depuis la base de Kourou[27]. Après un transit de 30 jours elle est placée sur une orbite de Lissajous de grande amplitude (environ 1 million de km) autour du point de Lagrange L₂ du système Soleil-Terre.

Au cours de sa mission, qui doit durer au minimum 6 ans, Euclid doit observer environ 15 000 degrés² soit à peu près un tiers de la voûte céleste située à l'opposé de la Voie lactée[26]. À ce relevé s'ajouteront des observations environ 10 fois plus profondes pointant vers deux champs situés près des pôles écliptiques et couvrant chacun 20 degrés² . Ils seront visités régulièrement pendant toute la durée de la mission, et serviront de données d'étalonnage et de contrôle de stabilité des performances du télescope et des instruments, ainsi que de données scientifiques pour l'observation des galaxies et des quasars les plus lointains de l'Univers.

Pour les mesures photométriques du décalage vers le rouge des galaxies, les données du télescope Euclid doivent être complétées par la photométrie dans au moins 4 filtres du domaine visible. Elle sera obtenue avec des télescopes terrestres opérant dans les hémisphères nord et sud, de façon à couvrir la totalité des 15 000 degrés² de la mission. Au total, chaque galaxie observée avec Euclid disposera d'information photométrique dans au moins 7 filtres différents couvrant tout le domaine 460-2 000 nm.

Environ 10 milliards de sources astronomiques seront observées par Euclid. Pour plus d'un milliard d'entre elles, la déformation gravitationnelle sera mesurée avec une précision 50 fois meilleure que ce qu'il est possible de faire aujourd'hui depuis les télescopes terrestres. Il est prévu qu'Euclid détermine les décalages spectraux de 50 millions d'entre elles.

L'instrument fournit un volume de données particulièrement important qui rend son exploitation scientifique complexe. Celle-ci est prise en charge par un consortium européen regroupant plus de 1 200 personnes réparties dans plus de 100 laboratoires de 16 pays (Allemagne, Autriche, Belgique, Danemark, Espagne, Finlande, France, Italie, Norvège, Pays-Bas, Portugal, Roumanie, Royaume-Uni, Suisse, Canada et États-Unis). Le Consortium Euclid a également la responsabilité de la construction des deux instruments, de l'élaboration et de la mise en œuvre de la chaîne de traitement et de l'analyse des données recueillies, et enfin de leur interprétation scientifique. Les laboratoires du Consortium sont soutenus par les agences spatiales nationales, qui garantissent les engagements de chaque pays, et par leurs structures nationales de recherche (agences de recherche, observatoires ou universités). Ces soutiens apportent des moyens en complément de ceux de l'ESA et représentent environ 30 % du coût total de la mission.

Par leur volume, leur diversité (sol et espace, visible et infrarouge, morphométrie, photométrie et spectroscopie) et les niveaux de précision des mesures requis, le traitement et l'analyse des données de la mission Euclid demandent un soin et un effort considérables qui en font un élément critique de succès. L'ESA, les agences nationales et le Consortium Euclid investissent donc lourdement dans la mise en place de solides groupes de chercheurs et d'ingénieurs à très haut niveau d'expertise en algorithmique, dans le développement, les tests et la validation des logiciels ainsi que dans des infrastructures de calcul, d'archivage et de distribution des données. Au total, 9 centres de calcul répartis parmi les pays membres du consortium devraient traiter au moins 10 pétaoctets d'images brutes sur une période de 10 ans pour produire aux environs de 2028 une base de données d'images et de catalogues mise en ligne pour la communauté scientifique.

Avec son immense couverture céleste et ses catalogues de milliards d'étoiles et de galaxies, l’intérêt scientifique des données de la mission dépasse le cadre de la cosmologie. Cette base de données abondera en sources l'ensemble de la communauté astronomique mondiale pour des décennies et constituera un réservoir d'objets astronomiques nouveaux pour des observations avec les télescopes JWST, l'E-ELT, le TMT, ALMA, SKA ou LSST.