Travail de développement avec clairvoyance

Dans la salle blanche du Max-Planck-Institut für Physique extraterrestre, deux employés de la société spatiale OHB transfèrent une partie de l'optique de lentilles de l'instrument NISP (à gauche) vers une machine de mesure (à droite). © Johannes Maas

Les quatre filtres infrarouges intégrés dans l'instrument NISP, avec des diamètres de quatre centimètres au premier plan, ainsi que huit et quatorze centimètres en arrière-plan. Avec plus de 300 grammes par filtre, ce sont les plus grands et les plus lourds filtres infrarouges jamais utilisés lors d'une mission spatiale astronomique. La base de tous les filtres est du verre de quartz, qui est spécialement revêtu afin que chaque filtre ne laisse passer que la lumière infrarouge à des longueurs d'onde très spécifiques. © MPIA/Felix Hormut

La mission Euclid de l'ESA dans la salle blanche du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille. Le système de détecteurs NISP entièrement assemblé se trouve sur le côté droit, dans le foyer du télescope. Le système de lentilles bleu scintillant est clairement identifiable du côté gauche, avec les filtres dans l'appareil situés derrière les lentilles. Ceux-ci sont essentiels, car ils garantissent que seule la lumière infrarouge est filtrée avant d'atteindre l'instrument NISP. © Consortium Euclid & équipe de l'instrument NISP

Celui qui prévoit un télescope spatial comme Euclid n'a qu'une seule tentative de lancement. Pour faire fonctionner la technologie dans les conditions de l'espace, les chercheurs et les équipes d'ingénieurs de la Max-Planck-Gesellschaft ont dû relever de grands défis. Ils ont développé et assemblé des composants optiques et des parties des instruments à bord, et s'occupent actuellement d'assurer la qualité des données transmises. Le fait que, malgré une planification sur plusieurs années, il puisse arriver que quelque chose ne se passe pas comme prévu, démontre que Euclid repousse les limites du possible jusqu'à présent.

Le moment où le télescope spatial Euclid a envoyé ses premières images sur Terre a été précédé de plusieurs décennies de recherche et de développement technologique. Des chercheurs et ingénieurs des Max-Planck-Instituts für Astronomie à Heidelberg et für extraterrestrische Physik à Garching près de Munich ont également participé à cette aventure. Ils font partie du consortium Euclid, composé d'institutions de recherche dans 17 pays. Ils ont également conçu et construit les deux instruments du télescope, la caméra optique (VIS, Visible Instrument) et la caméra infrarouge proche (NISP, Near-Infrared Spectrometer and Photometer). Une autre équipe des deux Max-Planck-Instituts garantit désormais, en collaboration avec des collègues d'autres institutions, le fonctionnement du télescope, ainsi que la logistique et la qualité des données transmises.

Une pièce unique

Euclid se trouve sur un axe imaginaire entre le Soleil et la Terre, derrière la Terre, et explore depuis cette position une grande partie du ciel visible à la recherche de galaxies lointaines. Ici, loin de l'atmosphère terrestre, rien ne gêne la vue sur l'univers sombre et diversifié. Le télescope est une pièce unique. « Nous avons développé ensemble les plus grands systèmes de lentilles optiques jamais utilisés pour une mission spatiale scientifique », explique Frank Grupp, chercheur principal à l'Institut Max-Planck für extraterrestrische Physik et à l'Université Ludwig-Maximilians. Quatre lentilles, jusqu'à 18 centimètres de diamètre et pesant 2,5 kilogrammes, n'avaient jamais été réalisées auparavant.

Les trois filtres de couleur de l'instrument NISP battent également des records. « Ils sont les plus grands filtres infrarouges jamais utilisés dans une mission spatiale d'astronomie », indique Knud Jahnke, de l'Institut Max-Planck für Astronomie, qui a développé ces filtres en collaboration avec l'industrie. La caméra de Euclid capture une image d'environ la taille de la pleine lune, soit environ 250 fois plus grande que le Deep Field de Hubble, une seule image du télescope spatial Hubble, une fenêtre étroite où plusieurs milliers de galaxies lointaines étaient visibles.

Le grand champ de vision et la grande optique se complètent mutuellement. Ils sont utilisés pour photographier en seulement six ans presque tout le ciel observable au-delà de notre propre galaxie, avec une haute résolution et une grande finesse de détails, tout en recensant des milliards de galaxies dans une carte en trois dimensions. L'objectif : répondre à la question de l'évolution de l'univers et du rôle joué par la matière noire et l'énergie noire dans cette évolution.

Des minutes d'angoisse

Après des années de montage minutieux des instruments du télescope dans des conditions de propreté extrême, Euclid a décollé le 1er juillet 2023, sous un vacarme assourdissant, à bord d'une fusée Falcon 9 depuis la base spatiale de Cap Canaveral. Frank Grupp se souvient : « Quand j'ai ressenti les moteurs dans mon ventre et dans ma poitrine, j'ai pensé à 'mes' lentilles, qui n'étaient qu'à environ 60 mètres des moteurs, exposées à des vibrations bien plus fortes ». Pourtant, il était confiant et savait que l'optique résisterait.

« La majorité de la mécanique est conçue pour supporter deux minutes de lancement, durant lesquelles des forces extrêmes se produisent », explique Knud Jahnke. Les plus gros incidents ne se sont produits qu'au début de la planification. « Au tout début, un premier design de lentille a éclaté lors des tests. Ça fait mal. Elle était légère, mais trop fragile à cause du matériau. Nous en avons tiré des leçons », raconte Frank Grupp. « L'échec est un sujet sensible, mais il est important. » Les lentilles qui ont été envoyées dans l'espace étaient plus lourdes, mais plus robustes. Un compromis, car chaque gramme de masse au lancement coûte cher.

Le succès réside dans le détail

Pour que l'optique de Euclid produise des images adaptées aux études cosmologiques, c'est-à-dire meilleures que ce qui aurait été possible depuis le sol, il faut des spécialistes en calibration. À l'Institut Max-Planck für Astronomie, ils assurent la calibration entre les attentes concernant le système du télescope dans des conditions idéales et les conditions réelles en orbite. Ils optimisent les images et les données en étudiant précisément les particularités des instruments et du télescope, ainsi que l'influence de l'environnement hostile de l'espace, pour en tenir compte par la suite. « L'instrument est tel qu'il est », explique Knud Jahnke. « Je peux faire des calculs théoriques pour prévoir ce à quoi m'attendre, mais dans l'espace, les conditions sont légèrement différentes de celles du laboratoire sur Terre. »

Une carte en trois dimensions de l'univers

Après six ans, Euclid aura livré environ 40 000 images. Pour transformer ces images en deux dimensions en une carte en trois dimensions des galaxies de notre univers observable, des télescopes terrestres viendront aider à déterminer les distances des galaxies observées. « Les données des télescopes terrestres que nous utilisons dépassent largement le volume de données de Euclid », indique Maximilian Fabricius, de l'Institut Max-Planck für extraterrestrische Physik et de l'Université Ludwig-Maximilians de Munich, qui dirige le centre de données allemand de Euclid. Parmi ces données : des spectres, c'est-à-dire les composants de couleur de la lumière visible, qui, avec les spectres infrarouges de Euclid, permettront de déterminer les distances des milliards de galaxies.

La confiance crée la sécurité

Les premières images scientifiques publiées démontrent que la conception du télescope répond à toutes les exigences. Les instituts Max-Planck impliqués ont participé à un processus complexe et détaillé lors du développement du télescope. Un tel télescope spatial n'a qu'une seule tentative de lancement, et il n'est pas possible de faire des réparations après coup. Selon Knud Jahnke, la clé du succès réside non seulement dans l'expertise technique, mais aussi dans une culture d'ouverture sur les erreurs durant le développement : « La mission a grandement bénéficié du fait que l'on pouvait toujours parler ouvertement des problèmes et que tout se passait dans un climat de confiance. »