Un nouveau système optique qui imite la structure des yeux d'un homard permettrait à une mission conceptuelle de classe Explorer de localiser avec précision, caractériser, et alerter les autres observatoires de la source des ondes gravitationnelles, qui sont causées par certains des événements les plus puissants de l'univers.

Le Goddard Space Flight Center à Greenbelt, Maryland, étudiera la faisabilité de l'Observatoire d'astrophysique transitoire sur la Station spatiale internationale, ou ISS-TAO. La mission a été sélectionnée, avec deux autres concepts classés de la même manière, comme une potentielle mission d'opportunité d'explorateur. En 2019, La NASA devrait choisir un concept pour la construction et le lancement.

« Cette mission est plus pertinente aujourd'hui que jamais, " a déclaré le chercheur principal de la mission Jordan Camp, qui dirige une équipe internationale pour faire mûrir le concept et affiner ses deux instruments :un imageur à large champ à rayons X doux fourni par Goddard, ou WFI, et le Gamma-Ray Transient Monitor fourni par l'Agence spatiale israélienne.

« La détection des ondes gravitationnelles fin 2015 a été un événement marquant, " dit Camp. " Les ondes gravitationnelles sont si différentes, si nouveau. Nous voulons un moyen de connecter l'astronomie électromagnétique conventionnelle à cette science émergente."

Surveillance à ciel ouvert

De son perchoir à bord de la Station spatiale internationale, ou ISS, la mission surveillerait le ciel à la recherche de rayons X et de rayons gamma transitoires, difficile à capturer, photons de haute énergie libérés lors de fusions de trous noirs et d'étoiles à neutrons et de supernovae. Ces puissants bouleversements génèrent des ondes gravitationnelles.

Postulé pour la première fois par Albert Einstein il y a un siècle, les ondes gravitationnelles sont produites lorsque des objets massifs se déplaçant près de la vitesse de la lumière en spirale et fusionnent dans l'univers. Le mouvement et la collision qui en résulte créent des vagues dans le tissu de l'espace-temps, rayonnant dans toutes les directions, un peu comme la façon dont l'eau ondule lorsqu'une pierre est jetée dans un étang.

L'année dernière dans une annonce explosive, les scientifiques ont révélé que l'observatoire au sol des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser, ou LIGO, n'avait détecté d'ondes gravitationnelles d'aucune, mais deux événements séparés impliquant la collision de trous noirs dans d'autres galaxies; d'autres ont été signalés depuis. Pour cette découverte, les trois physiciens pionniers de l'installation LIGO :Rainer Weiss, Kip Thorne, et Barry Barish, ont récemment reçu le prix Nobel de physique 2017.

Puis, le 16 octobre, LIGO a annoncé la toute première détection d'ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux étoiles à neutrons. Moins de deux secondes plus tard, après que les vagues ont balayé l'espace-temps de la Terre, Le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA a détecté un faible sursaut de lumière à haute énergie, le premier à être connecté sans ambiguïté à une source d'ondes gravitationnelles. Une demi-journée plus tard, les observatoires du monde entier avaient trouvé l'emplacement en lumière visible, localiser une source d'ondes gravitationnelles pour la première fois.

Actuellement, presque tout ce que les scientifiques savent sur le cosmos provient de la détection et de l'analyse de la lumière des sources cosmologiques sous toutes ses formes à travers le spectre électromagnétique - radio, infrarouge, visible, ultra-violet, rayons X, et les rayons gamma. Chaque longueur d'onde ajoute un détail différent sur la composition, Température, et la vitesse de ces sources, entre autres caractéristiques physiques.

La confirmation de l'existence des ondes gravitationnelles a ouvert une nouvelle fenêtre sur l'univers, donner aux scientifiques une nouvelle vision qui viendra compléter ce qu'ils ont déjà appris grâce à des approches d'observation plus traditionnelles. Camp, qui a aidé à développer les lasers et l'optique de LIGO et a été l'un des auteurs de l'article annonçant la première découverte, croit que la mission a un créneau spécial à combler dans cette branche émergente de l'astrophysique.

Niche spéciale dans la science des ondes gravitationnelles

La mission sera une sentinelle, a déclaré le chercheur principal adjoint de la mission, Scott Barthelmy.

En plus d'effectuer des relevés dans tout le ciel des sources de rayons X transitoires, il localisera plus précisément les contreparties de rayons X aux sources d'événements d'ondes gravitationnelles, recueillir des données, et communiquer leur position à d'autres observatoires afin qu'ils puissent commencer leurs propres observations.

"LIGO et Virgo (une installation d'interféromètre récemment modernisée à Pise, Italie) forment le réseau avancé d'observatoires d'ondes gravitationnelles, " a déclaré Camp. " Ils nous avertiront des candidats les plus excitants, comme les moments finaux d'un système binaire compact. Bien que ces installations puissent détecter les ondulations dans l'espace-temps, ils ne peuvent pas focaliser les ondes gravitationnelles et à la place réaliser leur localisation de source en chronométrant des signaux bruyants, " expliqua Camp. " Ainsi, ils ne peuvent pas localiser précisément leurs sources."

En revanche, la charge utile pointerait son optique de homard vers la grande partie du ciel identifiée par LIGO et Virgo, puis focaliserait les rayons X d'accompagnement pour localiser et caractériser ces sources, il a dit.

Actuellement, le télescope spatial Hubble, le télescope spatial à rayons gamma Fermi, la mission Swift Gamma-Ray Burst, le télescope spatial Spitzer, et le Chandra X-ray Observatory recherchent des homologues électromagnétiques. Avec des dizaines d'observatoires au sol, tous ont détecté la lumière de la fusion d'étoiles à neutrons, permettant aux astronomes d'étudier pour la première fois les conséquences d'un événement d'onde gravitationnelle.

Cependant, la mission est particulièrement bien adaptée à la tâche, a déclaré la co-investigatrice de la mission Judy Racusin.

L'un de ses instruments, le WFI, est équipé de la nouvelle optique homard-eye, qui imitent la structure des yeux du crustacé. Les yeux de homard sont constitués de longs, cellules étroites qui reflètent chacune une infime quantité de lumière dans une direction donnée. Cela permet à la lumière d'une large zone de visualisation d'être concentrée en une seule image.

L'optique de WFI fonctionne de la même manière. Ses yeux sont des plaques à microcanaux - minces, dalles de matériau incurvées parsemées de minuscules tubes à travers la surface. La lumière des rayons X peut pénétrer dans ces tubes sous plusieurs angles et est focalisée par réflexion rasante, donnant à la technologie un large champ de vision nécessaire pour trouver et imager des événements transitoires qui ne peuvent pas être prédits à l'avance. Autre que dans une démonstration de fusée-sonde, l'optique en œil de homard n'a pas encore été utilisée dans une application spatiale, dit Camp.

Le poste d'amarrage de la mission à bord de la station spatiale offre un autre avantage, a déclaré le scientifique de la mission Robert Petre, ajoutant que l'avant-poste en orbite assure les communications, Puissance, et d'autres services qui augmentent le coût des engins spatiaux. « Nous voulons utiliser cette incroyable installation pour exactement ce pour quoi elle a été conçue :fournir des services rapides, l'accès à l'espace à faible coût."

Si l'ISS-TAO est sélectionné comme mission d'opportunité d'explorateur, Camp pense qu'il pourrait terminer la mission et le lancer d'ici 2022, quelques années seulement après le lancement prévu du télescope spatial James Webb. L'observatoire Webb pourrait également être sollicité pour observer les événements explosifs qui génèrent des ondes gravitationnelles, dit Camp.

"Nous avons commencé à travailler sur ce concept de mission avant que LIGO ne fasse la découverte, " Camp a dit, se référant aux efforts financés par la R&D qui ont commencé il y a environ cinq ans. "La découverte des ondes gravitationnelles a certainement ajouté beaucoup d'excitation et ouvert une nouvelle frontière révolutionnaire en astrophysique. Nous pensons que notre mission peut grandement améliorer la science des ondes gravitationnelles."