Les experts en optique de la NASA sont en bonne voie pour renverser une barrière qui a empêché les scientifiques de réaliser une ambition de longue date :construire un télescope ultra-stable qui localise et image des dizaines de planètes semblables à la Terre au-delà du système solaire, puis scrute leur atmosphère pour signes de vie.

Babak Saif et Lee Feinberg au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, ont montré pour la première fois qu'ils peuvent détecter dynamiquement des distorsions de taille subatomique ou picométrique - des changements bien plus petits qu'un atome - à travers un miroir de télescope segmenté de cinq pieds et sa structure de support. Collaborant avec Perry Greenfield au Space Telescope Science Institute de Baltimore, l'équipe prévoit désormais d'utiliser un outil de nouvelle génération et une chambre d'essai thermique pour affiner davantage leurs mesures.

L'exploit de mesure est une bonne nouvelle pour les scientifiques qui étudient de futures missions pour trouver et caractériser des planètes extrasolaires semblables à la Terre qui pourraient potentiellement abriter la vie.

Pour retrouver la vie, ces observatoires devraient rassembler et focaliser suffisamment de lumière pour distinguer la lumière de la planète de celle de son étoile mère beaucoup plus brillante, puis être capables de disséquer cette lumière pour discerner différentes signatures chimiques atmosphériques, comme l'oxygène et le méthane. Cela nécessiterait un observatoire super stable dont les composants optiques ne bougent ou ne déforment pas plus de 12 picomètres, une mesure qui est d'environ un dixième de la taille d'un atome d'hydrogène.

À ce jour, La NASA n'a pas construit d'observatoire avec des exigences de stabilité aussi exigeantes.

Comment se produisent les déplacements

Des déplacements et des mouvements se produisent lorsque les matériaux utilisés pour construire des télescopes rétrécissent ou se dilatent en raison de températures extrêmement fluctuantes, telles que celles vécues lors du voyage de la Terre à la frigidité de l'espace, ou lorsqu'il est exposé à des forces de lancement féroces plus de six fois et demie la force de gravité.

Les scientifiques disent que même presque imperceptible, des mouvements de taille atomique affecteraient la capacité d'un futur observatoire à rassembler et à focaliser suffisamment de lumière pour imager et analyser la lumière de la planète. Par conséquent, les planificateurs de mission doivent concevoir des télescopes avec des précisions picométriques, puis les tester au même niveau sur toute la structure, pas seulement entre les miroirs réfléchissants du télescope. Les mouvements se produisant à une position particulière peuvent ne pas refléter avec précision ce qui se passe réellement dans d'autres endroits.

« Ces futures missions nécessiteront un observatoire incroyablement stable, " dit Azita Valinia, chef de programme adjoint de la Division des projets d'astrophysique. "C'est l'un des grands pôles de la plus haute technologie que les futurs observatoires de ce calibre doivent surmonter. Le succès de l'équipe a montré que nous réduisons régulièrement cet obstacle particulier."

Le test initial

Pour effectuer le test, Saif et Feinberg ont utilisé l'interféromètre à grande vitesse, ou HSI, un instrument développé par la technologie 4D basée en Arizona pour mesurer les changements dynamiques de taille nanométrique dans les composants optiques du télescope spatial James Webb, y compris ses 18 segments de miroir, montures, et d'autres structures de support - pendant thermique, vibrations et autres types d'essais environnementaux.

Comme tous les interféromètres, l'instrument divise la lumière puis la recombine pour mesurer de minuscules changements, y compris le mouvement. Le HSI peut mesurer rapidement les changements dynamiques à travers le miroir et d'autres composants structurels, donner aux scientifiques un aperçu de ce qui se passe dans tout le télescope, pas seulement à un endroit particulier.

Même si le HSI a été conçu pour mesurer des distorsions de la taille d'un nanomètre ou d'une molécule - ce qui était la norme de conception pour Webb - l'équipe voulait voir qu'il pouvait utiliser le même instrument, couplé à des algorithmes spécialement développés, pour détecter des changements encore plus petits sur la surface d'un segment de miroir Webb de cinq pieds de rechange et de son matériel de support.

Le test a prouvé qu'il pouvait, mesurer un mouvement dynamique aussi petit que 25 picomètres, soit environ le double de la cible souhaitée, dit Saïf.

Prochaines étapes

Cependant, Goddard et 4D Technology ont conçu un nouvel instrument à grande vitesse, appelé interféromètre de speckle, qui permet des mesures de surfaces réfléchissantes et diffuses avec des précisions picométriques. 4D Technology a construit l'instrument et l'équipe Goddard a commencé la caractérisation initiale de ses performances dans une nouvelle chambre d'essai à vide thermique qui contrôle les températures internes jusqu'à un millikelvin givré.

Saif et Feinberg prévoient de placer des éléments de test à l'intérieur de la chambre pour voir s'ils peuvent atteindre la précision cible de 12 picomètres.

"Je pense que nous avons fait beaucoup de progrès. Nous y arrivons, " dit Saïf.