Un télescope lunaire gigantesque pourrait-il révéler les toutes premières étoiles?

Une équipe d’astronomes fait revivre une idée que la NASA a écartée il y a dix ans, dans laquelle un énorme observatoire serait installé sur la Lune. Surnommée le «grand télescope ultime», l’installation surpasserait facilement tous les autres télescopes de sa catégorie et repérerait des objets prédits par la théorie mais qui n’ont jamais été vus.

Un grand télescope à miroir liquide installé sur la surface lunaire pourrait accomplir une tâche qu’aucun autre télescope ne peut: rechercher les signes des premières étoiles de l’univers. Même le très puissant et futur télescope spatial James Webb, qui est programmé à lancer le 31 octobre 2021, ne pourra pas voir les premières étoiles.

Telle est l’affirmation des astronomes de l’Université du Texas à Austin, qui ont détaillé leur argumentation dans un article qui sera publié dans un prochain numéro d’Astrophysical Journal (a pré-impression est actuellement disponible à l’arXiv).

Le concept remonte à 2008, lorsqu’une équipe d’astronomes de l’Université de l’Arizona proposé le télescope lunaire à miroir liquide. La NASA a flirté avec l’idée peu de temps après, mais a finalement abandonné le concept en raison du manque de science pertinente concernant les étoiles de la population III – les premières étoiles à apparaître dans l’univers. Un télescope sur la Lune serait capable de scruter l’espace sans être gêné par les effets atmosphériques et la pollution lumineuse.

«Tout au long de l’histoire de l’astronomie, les télescopes sont devenus plus puissants, ce qui nous permet de sonder des sources d’époques cosmiques successivement antérieures – toujours plus proches du Big Bang», a déclaré Volker Bromm, co-auteur de l’article, dans un déclaration de l’observatoire McDonald de l’Université du Texas. «Le prochain télescope spatial James Webb atteindra le moment où les galaxies se sont formées pour la première fois.»

Le problème est que JWST – aussi puissant soit-il – ne sera pas capable de repérer des objets plus petits et plus sombres qui existaient avant la formation des galaxies, à savoir les étoiles Pop III. Le «moment de la« toute première lumière »dépasse les capacités même du puissant JWST, et a plutôt besoin d’un télescope« ultime »», a déclaré Bromm.

Des stars de la pop III sont apparues existence quelques centaines de millions d’années après le Big Bang, ayant engendré à partir d’un mélange gazeux d’hydrogène et d’hélium. La théorie suggère qu’ils wIl y a des dizaines à des centaines de fois plus grand que notre Soleil, mais même dans ce cas, cela ne correspond pas à la taille et à la luminosité d’une galaxie entière. En tant que telles, les stars de Pop III ont échappé à la détection.

Cela dit, les auteurs de la nouvelle étude, dirigée par Anna Schauer, compatriote de la NASA Hubble, affirment que les étoiles Pop III devraient être détectables. Il suffit de repérer leurs frayères, qui devraient prendre la forme de «minihalos». Les premières étoiles sont nées à l’intérieur minuscule proto-galaxies, mais le les luminosités de ces objets sont «trop faibles pour être détectées même par les temps d’exposition les plus longs», comme l’écrivent les auteurs dans leur article.

«Notre galaxie voisine Andromeda a environ un billion d’étoiles, et nous ne pouvons la voir à l’œil nu que dans des endroits très sombres sur l’Earth », a expliqué Schauer dans un e-mail. «Ces minuscules premières galaxies ont 10 à 1 000 étoiles et sont beaucoup plus éloignées – il a fallu plus de 13 milliards d’années à la lumière pour atteindre la Terre. Les deux facteurs jouent ensemble, et nous nous attendons à ce que les minihalos soient environ 100 billions de fois plus faibles qu’Andromède. »

En étudiant les stars de Pop III, nous pouvons étudier les conditions dans l’univers primitif, a-t-elle ajouté.

«Au début univers, avant l’émergence de ces premières étoiles, la matière visible était composée uniquement d’hydrogène et d’hélium. Les étoiles sont nécessaires pour «reproduire» des éléments supérieurs, par exemple l’oxygène et le carbone, qui sont fondamentaux pour la vie », a déclaré Schauer. «Nous exécutons des simulations informatiques pour mieux comprendre les étoiles Pop III, mais nous ne savons toujours pas quelle était la masse et la taille de ces premières étoiles et si elles se sont formées en groupes plus ou moins grands. Ces questions pourraient être répondues par des observations. »

C’est là qu’un observatoire lunaire peut aider. Et en effet, Schauer et ses collègues ont couru les chiffres, trouvant qu’un télescope à miroir suffisamment grand sur la surface lunaire devrait faire l’affaire. Niv Drory, co-auteur et chercheur principal à l’Observatoire McDonald, a déclaré que le grand télescope Ultimement proposé était «parfait» pour relever le défi.

Situé au pôle nord ou sud de la Lune, le miroir stationnaire mesurerait 100 mètres de diamètre. Le télescope serait autonome et alimenté par une centrale solaire à proximité. L’observatoire transmettrait des données à un satellite placé en orbite lunaire.

Le miroir du télescope serait en liquide, par opposition au verre (cette solution est plus légère et plus abordable en termes de transport). Le miroir devrait tourner en continu pour maintenir la surface du liquide sous une forme parabolique. Un liquide métallique comprendrait la couche supérieure du miroir pour fournir la réflectivité nécessaire. Pour éviter que la chaleur excessive ne ruine le spectacle, le télescope serait construit à l’intérieur d’un cratère d’impact et placé dans une ombre perpétuelle.

Comme l’écrivent les auteurs, cependant, «on ne sait pas quel effet la poussière lunaire aurait sur l’instrument et les observations».

En regardant dans le cosmos, l’Ultimate Large Telescope se fixerait sur une seule zone de ciel pour absorber autant de lumière que possible, car il recherche des minihalos dans le proche infrarouge et à des décalages vers le rouge extrêmes (objets dont la lumière est très décalée vers le rouge – ce les longueurs d’onde ont été étirées par l’expansion de l’espace – elles sont plus éloignées, et plus nous regardons loin dans l’espace, plus nous verrons profondément dans le temps). Comme le notent les auteurs dans leur article, les minihalos doivent produire une signature distinctive, ils doivent donc être «identifiés sans ambiguïté».

Bien sûr, nous ne regarderions pas directement les stars de Pop III, mais nous regarderions leurs sites de formation – une sorte de pistolet fumant pour leur existence, et certainement la meilleure chose suivante.

Pour l’avenir, Schauer est ravi du lancement de JWST, qui permettra aux scientifiques d’étudier l’univers primitif, y compris la première génération d’étoiles apparues après la formation des étoiles Pop III.

«Pour l’avenir, j’espère que les théoriciens et les observateurs travailleront ensemble pour développer la technologie pour ce Msur le télescope plus loin », dit-elle. «J’espère aussi que les humains reviendront au Moon, pour éventuellement mettre en place un site sur lequel l’ULT pourrait être construit. »

Ce n’est pas la seule proposition de construire un grand télescope sur la Lune. Le robotique de la NASA JPL Saptarshi Bandyopadhyay a exposé sa vision d’un observatoire lunaire, qui serait construit à l’intérieur d’un grand cratère d’impact. Contrairement à l’Ultimate Large Telescope (qui recherchera des sources de lumière infrarouge), le Télescope radio du cratère lunaire serait un radiotélescope de très grande longueur d’onde capable de détecter certains des signaux les plus faibles et les plus éloignés voyageant dans l’espace. Le projet de Bandyopadhyay est actuellement dans la première phase du programme Innovative Advanced Concepts (NIAC) de la NASA.

Peut-être verrons-nous un jour une phase un du NIAC de la NASA pour le grand télescope Ultimement. Les premières étoiles s’impatientent.