Un télescope à l’échelle d’un kilomètre peut-il contribuer à mener des recherches scientifiques plus efficaces, en particulier dans le domaine de l’interférométrie optique ? étude récemment publié sur le serveur de pré-impression arXiv espère aborder.
Deux chercheurs proposent le Big Fringe Telescope (BFT), qui devrait comprendre 16 télescopes de 0,5 mètre de diamètre et équivaudrait à un télescope de 2,2 kilomètres de diamètre. Ce qui rend le BFT unique est sa capacité à créer des « films » d’exoplanètes en temps réel, comme ceux montrant Vénus transitant par notre soleil, ainsi que des coûts de construction considérablement réduits par rapport aux interféromètres optiques terrestres actuels.
Cette proposition s’appuie sur les interféromètres optiques du passé, notamment le réseau du Centre d’astronomie à haute résolution angulaire (CHARA) de l’Université d’État de Géorgie, composé de six télescopes d’un mètre de diamètre équivalant à un télescope de 330 mètres de diamètre, et le Very Large Telescope Interferometer (VTLI) de l’Observatoire européen austral, composé de quatre télescopes de 8,2 mètres et de quatre télescopes mobiles de 1,8 mètre équivalant à un télescope de 130 mètres de diamètre.
De plus, cette proposition intervient alors que l’ESO construit actuellement son Extremely Large Telescope avec un télescope réfléchissant de 39,3 mètres de diamètre (130 pieds) dans le désert d’Atacama au Chili.
Ici, Universe Today discute de cette proposition incroyable avec le Dr Gerard van Belle, astronome à l’observatoire Lowell de Flagstaff, en Arizona, concernant la motivation derrière la proposition de BFT, les cas scientifiques que BFT espère accomplir, les nouvelles méthodes concernant la façon dont BFT étudiera les exoplanètes (c’est-à-dire les films en temps réel), comment BFT peut potentiellement contribuer à trouver la vie au-delà de la Terre, les prochaines étapes pour faire de BFT une réalité, et les implications pour chaque télescope de 0,5 mètre de diamètre à la fois pour la science et le coût.
Alors, quelle était la motivation derrière la proposition du BFT ?
« La motivation est que quelque part en cours de route, la communauté a fini par « laisser de l’argent sur la table », explique le Dr van Belle à Universe Today. « Il y a ici un cas scientifique vraiment passionnant – l’imagerie des étoiles brillantes – et il a été négligé. Cela est dû en partie au fait que l’imagination collective des personnes (comme moi) qui construisent ces réseaux d’imagerie à très haute résolution angulaire a été collectivement distraite par la volonté d’aller vers « de plus en plus faible, de plus en plus faible, de plus en plus faible », plutôt que « de plus en plus fin, de plus en plus fin ».
« Et la bonne surprise est que, comme nous ne sommes pas en train de devenir super faibles, les télescopes qui composent le réseau BFT sont petits, et donc le BFT est étonnamment abordable. Le troisième axe supplémentaire ici est que la plupart des pièces ne sont commercialisées que depuis peu, ce qui contribue également à l’accessibilité. C’est donc une grande science qui n’a jamais été réalisée, c’est bon marché et c’est opportun. »
L’étude souligne que « l’imagerie de routine des étoiles brillantes de la séquence principale reste un domaine scientifique étonnamment inexploré ». Pour replacer les choses dans leur contexte, alors que le réseau CHARA a obtenu la première image d’une seule étoile de la séquence principale en 2007, une partie des recherches menées par CHARA s’est concentrée sur les étoiles binaires, les explosions de supernovae et les étoiles en orbite autour de la poussière.
De plus, bien que le VLTI ait obtenu la meilleure image de la surface et de l’atmosphère d’une étoile supergéante rouge, certaines des recherches scientifiques menées comprenaient des observations directes d’exoplanètes, l’observation de Sagittarius A*, le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée, et la détection de lumière exozodicale.
Tout comme CHARA et VLTI, le BFT mènera également un large éventail d’activités scientifiques parallèlement à son objectif d’imagerie des étoiles brillantes de la séquence principale. Il s’agira notamment d’étudier les étoiles hôtes des exoplanètes, les analogues solaires, les binaires résolues et les transits d’exoplanètes résolus.
Le Dr van Belle explique à Universe Today : « Les hôtes des exoplanètes sont le véritable enjeu ici : l’explosion des découvertes sur les exoplanètes au cours des trois dernières décennies a véritablement transformé l’astronomie. Les analogues solaires sont extrêmement importants à étudier. »
« Jusqu’à présent, nous n’avions qu’une seule étoile semblable au Soleil que nous pouvions résoudre en plusieurs dimensions et observer son comportement au fil du temps : il s’agit de notre propre Soleil. Mais c’est un peu comme si vous essayiez d’apprendre l’anatomie et la physiologie si vous étiez médecin et que vous ne vous occupiez que d’un seul patient. Il est donc essentiel de pouvoir réaliser des images résolues d’étoiles semblables au Soleil pour mieux comprendre notre propre Soleil, et en particulier son effet sur notre planète. »
Le Dr van Belle poursuit : « Les observations de systèmes d’étoiles binaires nous permettent de déterminer les masses en raison de leur mouvement orbital les unes autour des autres, et le BFT ajoute une valeur supplémentaire en mesurant directement les rayons de ces étoiles. Les transits d’exoplanètes résolus vont être vraiment cool. Nous pourrons voir le disque résolu d’un autre monde alors qu’il passe devant son étoile hôte.
« Ce genre de chose sera utile pour une caractérisation plus poussée des exoplanètes, ainsi que pour la recherche d’exolunes. Il existe de nombreuses autres études scientifiques sur les BFT qui ne font pas partie des cas phares principaux : plusieurs centaines de types d’étoiles différents dont nous pourrons prendre des photos et voir comment ces images évoluent au fil du temps. »
Actuellement, l’observation directe des exoplanètes est obtenue grâce à la méthode d’imagerie directe, où les astronomes utilisent un coronographe pour masquer l’éclat d’une étoile hôte, révélant ainsi les exoplanètes cachées en dessous, bien que leurs formes complètes ne soient pas observables. De plus, la méthode du transit est réalisée en mesurant la baisse de luminosité causée par l’exoplanète qui se déplace devant elle, mais qui n’est pas observable en raison de sa petite taille et de l’éclat intense de l’étoile hôte.
Les transits d’exoplanètes résolus que BFT espère réaliser signifient que les astronomes pourront observer le contour complet d’une exoplanète lorsqu’elle passe devant son étoile hôte, combinant ainsi la méthode d’imagerie directe avec la méthode de transit.
Un exemple de cela est le passage de Vénus devant notre Soleil, ce qui permet aux astronomes d’observer le contour complet de la planète et de notre Soleil, ce qui donne lieu à des films en temps réel de cet incroyable événement astronomique. Avec BFT, ces films en temps réel devraient également être réalisés pour les exoplanètes. Par conséquent, quelles sont les avancées scientifiques qui peuvent être réalisées à partir de ces films en temps réel ?
« Comme nous l’avons déjà mentionné, nous serons capables de voir ces mondes comme des disques résolubles », explique le Dr van Belle à Universe Today. « Cela nous permettra de mieux déterminer la taille linéaire et de mesurer la densité de ces mondes, par exemple rocheux ou aqueux, solides ou gazeux. Une telle résolution en fonction de la longueur d’onde pourrait également nous renseigner sur la composition des atmosphères, bien que ce soit une observation assez difficile.
« Peut-être que la solution la plus simple sera de tenter de mesurer l’aplatissement des mondes gazeux – par exemple, Jupiter est un peu plus large que haut, car c’est un caillot de gaz qui tourne rapidement. De telles observations nous permettront de mesurer la vitesse de rotation de ces planètes. »
Au moment où nous écrivons ces lignes, la NASA a confirmé l’existence de 5 743 exoplanètes composées d’une grande variété de tailles et de compositions, et elles ont été découvertes dans des systèmes solaires contenant une seule planète ou jusqu’à sept planètes.
Les méthodes utilisées pour détecter les exoplanètes sont également diverses, notamment la méthode du transit, la méthode de la vitesse radiale, la méthode de la microlentille et la méthode de l’imagerie directe. Chacune d’entre elles possède ses propres moyens uniques non seulement d’identifier les exoplanètes, mais aussi de recueillir des données sur leur composition de surface, leur composition atmosphérique et leur potentiel de vie. Par conséquent, comment le BFT peut-il contribuer à la découverte de la vie au-delà de la Terre ?
Le Dr van Belle a déclaré à Universe Today : « BFT se concentrera principalement sur le suivi des exoplanètes, plutôt que sur leur recherche, mais ce faisant, il contribuera à une meilleure caractérisation des exoplanètes et de leurs hôtes. Une grande partie de la question de savoir s’il y a de la vie là-bas dépend non seulement de l’exoplanète, mais aussi des conditions imposées à cette exoplanète par son hôte. Connaître l’environnement météorologique spatial permettra d’obtenir de bien meilleures informations à partir des observations de BFT. »
Outre les films potentiels sur les exoplanètes et l’amélioration de la science des étoiles brillantes, l’un des principaux moteurs du BFT est son coût, puisque les chercheurs estiment que le coût total de l’ensemble du projet s’élève à 28 496 000 $ pour les 16 télescopes de 0,5 mètre chacun. En revanche, le réseau CHARA de GSU a coûté plus de 14,5 millions de dollars pour seulement six télescopes de 1 mètre chacun, et les coûts de construction du VLT/VLTI sont estimés à des centaines de millions de dollars pour quatre télescopes de 8,2 mètres et quatre télescopes mobiles de 1,8 mètre.
Cette étude récente fournit une répartition détaillée des coûts pour chaque aspect du BFT, y compris la collecte des faisceaux (4 720 000 $), le transport des faisceaux (2 744 000 $), la combinaison des faisceaux (4 140 000 $), le retard des faisceaux (4 000 000 $), l’infrastructure (1 943 000 $) et la main-d’œuvre (5 250 000 $). Mais, étant donné que chaque télescope du BFT est plus petit que ceux utilisés sur le GSY CHARA et le VLTI, ce qui signifie que leur ouverture de collecte est plus petite, quelle est l’importance d’utiliser une ouverture de collecte de 0,5 mètre et quelle est la raison pour laquelle le BFT cible les étoiles brillantes ?
« Les télescopes de 0,5 m ont un impact important sur l’accessibilité financière du projet », explique le Dr van Belle à Universe Today. « Les télescopes plus petits sont moins chers, à la fois pour le tube du télescope et pour la monture. Cela signifie également que le boîtier est plus petit et moins cher. »
« Avec des télescopes d’un demi-mètre, une simple correction atmosphérique par basculement est suffisante, plutôt qu’une optique adaptative multi-éléments plus coûteuse. Et comme il y a 16 ouvertures, chaque réduction de coût par station a un effet domino important. Et oui, le principal problème ici est que l’installation ne peut observer que des objets plus brillants, par exemple, principalement des étoiles brillantes. »
Tout comme pour les télescopes spatiaux, la construction de télescopes terrestres nécessite des années de financement, de tests, de planification et de construction. Cela implique d’obtenir le financement nécessaire auprès de plusieurs parties et organisations et de trouver un site de construction approprié. De plus, les tests des télescopes avant leur installation sont essentiels pour qu’ils puissent mener des recherches scientifiques fructueuses, à court et à long terme.
Par exemple, le réseau GSU CHARA a été fondé en 1984, après des années d’efforts de financement qui ont finalement été achevés en 1998, et la construction du réseau n’a été achevée qu’en 2003. Pour le VLT/VLTI, le financement a commencé en 1987, la construction a commencé en 1991 et a été achevée en 1998. Par conséquent, quelles sont les prochaines étapes pour faire du BFT une réalité ?
« Le BFT est intéressant dans la mesure où il évolue », explique le Dr van Belle à Universe Today. « En ce moment, nous effectuons des travaux en laboratoire pour vérifier une partie de la technologie sous-jacente ; une bonne partie de cette technologie a déjà été déployée de manière mature dans des endroits comme le réseau CHARA de l’université d’État de Géorgie ou l’observatoire européen austral VLTI. »
« Ensuite, nous allons tester dans le ciel une seule paire de télescopes. Le BFT est relié en série à 16 télescopes de ce type, mais nous pouvons déjà tester ses performances avec seulement deux d’entre eux. Cette évolutivité fait du BFT un télescope à bien moins de risques que les grandes installations conventionnelles, où il faut plus ou moins construire l’ensemble avant de pouvoir le tester dans le ciel. »
Plus d’informations :
Gerard T. van Belle et al., Le télescope Big Fringe, arXiv (2024). DOI : 10.48550/arxiv.2408.01386