A quoi ressemble l'avenir de la NASA ? Le télescope de nouvelle génération étudiera-t-il les premiers trous noirs de l'univers lointain ou cherchera-t-il la vie sur une planète semblable à la Terre à des années-lumière ? Comme au cours des décennies passées, l'agence ne prendra pas cette décision dans le vide ou sans comprendre les obstacles techniques, qui sont redoutables.

Déjà, des équipes d'experts de toute l'agence, universitaire, et l'industrie étudient quatre missions phares potentielles que la communauté scientifique a jugées dignes d'intérêt dans le cadre de l'Enquête décennale 2020 pour l'astrophysique. En mars, ils ont soumis des rapports intermédiaires. L'année prochaine, ils devraient terminer les rapports finaux que le Conseil national de recherches utilisera ensuite pour informer ses recommandations à la NASA dans quelques années.

"C'est l'heure du jeu pour l'astrophysique, " a déclaré Susan Neff, scientifique en chef du programme Cosmic Origins de la NASA. "Nous voulons construire tous ces concepts, mais nous n'avons pas le budget pour faire les quatre en même temps. Le but de ces études décennales est de donner aux membres de la communauté astrophysique les meilleures informations possibles lorsqu'ils décident quelle science faire en premier. »

Le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, en dirige deux :le Large Ultraviolet/Optical/Infrared Surveyor (LUVOIR) et le télescope spatial Origins (OST). Le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA à Pasadena, Californie, et le Marshall Space Flight Center à Huntsville, Alabama, pendant ce temps, dirigent respectivement l'Habitable Exoplanet Imager (HabEx) et le X-ray Surveyor, connu sous le nom de Lynx (voir les détails de chacun).

Quelle que soit la mission choisie par la NASA ou les technologies qu'elle utilise, l'agence et les centres individuels ont commencé à investir dans les outils avancés nécessaires pour poursuivre ces audacieuses, concepts de rupture dans le futur, dit Thai Pham, le directeur du développement technologique pour le bureau du programme d'astrophysique de la NASA. "Je ne dis pas que ce sera facile. Ce ne sera pas, " a-t-il poursuivi. " Ce sont des missions ambitieuses, avec des défis techniques importants, dont beaucoup se chevauchent et s'appliquent à tous. La bonne nouvelle, c'est que les bases sont en train d'être posées."

Stabilité sans précédent au niveau du picomètre

LUVOIR en fournit un exemple.

Un concept de l'observatoire envisage un surdimensionné, miroir primaire segmenté d'environ 49 pieds de diamètre. Avec ce monstre, LUVOIR pourrait aider à comprendre comment la vie a commencé, quelles conditions sont vitales pour la formation des étoiles et des galaxies, et peut-être le plus convaincant, La Terre est-elle rare dans le cosmos ?

« LUVOIR recherchera des signes de vie, mais ça ne s'arrête pas là. Il nous dira comment la vie est arrivée là et à quel point la vie est rare dans le cosmos, " a déclaré Shawn Domagal-Goldman, scientifique d'étude adjoint. « Cette mission est ambitieuse, " a convenu le scientifique de l'étude Aki Roberge, "mais découvrir s'il y a de la vie en dehors du système solaire est le prix. Tous les grands pôles technologiques sont motivés par cet objectif."

Pour imager directement des planètes de la taille de la Terre et évaluer leurs atmosphères, LUVOIR devrait acquérir la lumière d'un objet relativement minuscule au moins 10 milliards de fois plus faible que l'étoile qu'il encercle. Ce serait comme discerner un objet pas plus large qu'un cheveu humain à une distance de deux terrains de football, dit Roberge.

Pour faire ça, L'optique de LUVOIR et le matériel associé doivent être ultra-stables; C'est, ces composants ne peuvent pas bouger ou déformer plus de 12 picomètres, une mesure inférieure à la taille d'un atome d'hydrogène. Non seulement l'observatoire devrait-il maintenir ces normes rigoureuses tout en effectuant une mesure, il en serait de même pour ses segments de miroir.

Comme le miroir primaire de 21 pieds du télescope spatial James Webb, Le miroir de LUVOIR serait composé de segments réglables qui se déploieraient après le lancement. Parce que capturer la lumière d'une source faible et distante nécessiterait un front d'onde précisément focalisé, des actionneurs ou des moteurs fixés à l'arrière de chaque miroir ajusteraient et aligneraient ensuite activement les segments pour obtenir une mise au point parfaite.

"La stabilité physique, plus un contrôle actif sur le miroir primaire et un coronographe interne (un dispositif pour bloquer la lumière des étoiles) se traduira par une précision du picomètre, ", a déclaré Roberge. "Tout est une question de contrôle."

Une équipe de Goddard a déjà commencé à développer des outils de laboratoire capables de détecter dynamiquement des distorsions de la taille d'un picomètre qui se produisent lorsque les matériaux utilisés pour construire des télescopes rétrécissent ou se dilatent en raison de températures extrêmement fluctuantes ou lorsqu'ils sont exposés à des forces de lancement féroces. Si la NASA choisit LUVOIR comme prochaine mission phare, La NASA pourrait utiliser cet outil pour s'assurer que l'agence construit un observatoire à ces points de repère.

Supprimer Starlight :un défi technique partagé

Habex, bien que physiquement plus petit que LUVOIR, imagerait également directement les systèmes planétaires et analyserait la composition des atmosphères des planètes avec son grand miroir segmenté. En outre, il permettra un large éventail d'astrophysique générale, de l'étude des premières époques de l'histoire de l'univers, pour comprendre le cycle de vie et la mort des étoiles les plus massives, qui fournissent en fin de compte les éléments nécessaires pour soutenir la vie telle que nous la connaissons.

Comme LUVOIR, ce, trop, doit voler un grand, télescope stable sensible aux ultraviolets, optique, et des photons dans le proche infrarouge ainsi que des technologies pour bloquer la lumière vive de l'étoile mère et créer une zone sombre révélant la présence d'une planète de la taille de la Terre.

"Pour imager directement une planète en orbite autour d'une étoile proche, nous devons surmonter une énorme barrière dans la plage dynamique :la luminosité écrasante de l'étoile contre le faible reflet de la lumière des étoiles sur la planète, avec seulement un petit angle séparant les deux, " a déclaré Neil Zimmerman, un expert de la NASA dans le domaine de la coronagraphie. "Il n'y a pas de solution standard à ce problème car il ne ressemble à aucun autre défi de l'astronomie d'observation."

Pour relever le défi, comparable à essayer de photographier une luciole encerclant un lampadaire à des milliers de kilomètres de distance, les chercheurs étudient différentes approches pour supprimer la lumière des étoiles, y compris des nuances d'étoiles externes en forme de pétale qui bloquent la lumière avant qu'elle n'entre dans le télescope et des coronographes internes qui utilisent des masques et d'autres composants pour empêcher la lumière des étoiles d'atteindre les détecteurs. L'équipe HabEx étudie les deux techniques.

Mais un grand obstacle demeure :même avec plusieurs masques coronagraphiques, la lumière des étoiles passera toujours, dit Rémi Soummer, un scientifique du Space Telescope Science Institute à Baltimore, Maryland. La lumière des étoiles se diffractera sur les bords des composants optiques d'un coronographe, rendant difficile de bloquer complètement la lumière pour voir une petite planète en orbite autour de l'étoile. Une solution possible consiste à appliquer des nanotubes de carbone sur les masques coronagraphiques qui modifient le motif de la lumière diffractée.

Été, qui a créé un banc d'essai de pointe pour évaluer différentes approches coronagraphiques principalement pour LUVOIR, collabore avec l'ancien ingénieur optique Goddard John Hagopian pour tester l'efficacité de la technologie des nanotubes de carbone de Hagopian pour cette application. Ce revêtement super noir est constitué de nanotubes multi-parois 10, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain. "Lorsque la lumière pénètre dans la forêt de nanotubes avec une réflexion minimale, le champ électrique de la lumière excite les électrons, transformer la lumière en chaleur et l'absorber efficacement, " expliqua Hagopian, maintenant un entrepreneur Goddard.

Les résultats des tests à ce jour sont prometteurs, dit Soummer. Mais le verdict n'est pas encore tombé. Alors que Hagopian travaille à améliorer la capacité de sa technologie à absorber presque toute la lumière, Soummer prévoit de tester les masques de coronographie en utilisant une autre technologie de suppression de la lumière appelée herbe de silicium. Développé par des chercheurs du JPL, L'herbe de silicium se compose d'une forêt de minuscules aiguilles gravées dans la surface d'une fine plaquette de silicium. « Mon travail consiste à comparer les performances des différentes techniques, ", a déclaré Soummer.

"Détecteurs, Détecteurs, Détecteurs"

Bien que de grands réseaux de détecteurs mesurant des millions de pixels soient un must pour LUVOIR, Habex, et Lynx, ils sont particulièrement importants pour l'OST, un observatoire infrarouge lointain conçu pour observer les confins de l'univers.

« Quand les gens posent des questions sur les lacunes technologiques dans le développement du télescope spatial Origins, Je leur dis que les trois principaux défis sont les détecteurs, détecteurs, détecteurs, " a déclaré Dave Leisawitz, un scientifique Goddard et un scientifique de l'étude OST. "C'est une question de détecteurs."

Les chercheurs de la NASA développent actuellement différents types de détecteurs supraconducteurs pour les télescopes de nouvelle génération, but OST could benefit more from either of two emerging types:Transition Edge Sensors (TESs) or Kinetic Inductance Detectors (KIDs). TES detectors have reached a high degree of technological maturity and are now used in HAWC+, an instrument on NASA's Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, commonly known as SOFIA. "While relatively early in its technology readiness, KIDs are quickly maturing, and may find uses in future astronomical instruments, " said Johannes Staguhn, a detector expert at Goddard and deputy study scientist and instrument scientist for OST.

Cependant, neither detector technology can fulfill its promise unless the observatory is actively cooled to a frosty 4 kelvin, or -452.47 degrees Fahrenheit. That's because the light it's collecting—light that first began its journey across the universe literally billions of years ago—reaches space telescopes as heat. If the observatory and its instruments generate too much heat, it will overwhelm the signal the telescope wants to collect and measure.

Par conséquent, OST's segmented primary mirror—now projected to span nearly 30 feet in diameter—would have to be cooled to about 4 K. If NASA chooses OST, the observatory would be NASA's first actively cooled telescope. According to Leisawitz, the OST team would like to achieve this by flying layers of sunshields that would envelope the mirror and radiate heat away from it. Four cryocoolers or heat sinks would then mechanically absorb the residual heat to maintain the mirror's 4 K target temperature.

OST's instrument detectors must be cooled as well—to 0.05 K, or one twentieth of a degree above absolute zero. This is 80 times colder than the observatory itself. The study team believes it can accomplish this technical feat with a multi-stage continuous adiabatic demagnetization refrigerator (CADR).

The technology, developed by Goddard cryogenic engineers, has flown on past X-ray missions. It cools to this very low temperature by varying the magnetic fields inside rods of specialized materials and ultimately conducting heat away to a 4 kelvin cryocooler. "The CADR has no moving parts, produces no vibrations, and works independent of gravity, making it very suitable for space missions, " said Goddard cryogenic engineer Jim Tuttle.

Mirrors and Cool Detectors to Reveal the Hidden Universe

Cooling technologies and higher-performing detectors also present challenges for Lynx. Named after the sharp-sighted feline, the proposed observatory is the only of the four to examine the universe in X-rays. One of its principal jobs would be to detect this more energetic form of light coming from supermassive black holes at the center of the very first galaxies.

"Supermassive black holes have been observed to exist much earlier in the universe than our current theories predict, " said Rob Petre, a Lynx study member at Goddard. "We don't understand how such massive objects formed so soon after the time when the first stars could have formed. We need an X-ray telescope to see the very first supermassive black holes, in order to provide the input for theories about how they might have formed."

To unravel the mystery, the Lynx study team is considering flying an X-ray microcalorimeter imaging spectrometer, among other instruments. With microcalorimetry, X-ray photons strike the detector's absorbers and their energy is converted to heat, which a thermometer then measures. The heat is directly proportional to the X-ray's energy, which can reveal much about the target's physical properties. Because microcalorimeters essentially are thermometers, they must be cooled to cryogenic temperatures to detect these fleeting, hard-to-capture X-rays.

NASA has made strides in these areas, Petre said. A Goddard team provided the cooling technology, a two-stage ADR, and a 36-pixel microcalorimeter array for the Japanese Suzaku and Astro-H missions. For Lynx, cependant, these technologies must become larger and more capable.

Actuellement, Goddard scientists Simon Bandler and Caroline Kilbourne are scaling up the size of the microcalorimeter array and, En réalité, are developing a 4, 000-pixel microcalorimeter array for the European Space Agency's Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, or Athena, mission. Athena is expected to launch in the late 2020s. Their goal is to ultimately create an array containing 100, 000 pixels. Pendant ce temps, Goddard cryogenic experts, led by Tuttle, are adding stages to the refrigerator. The same multi-stage cooling system baselined for Lynx also could be used on OST, Tuttle said.

Lynx also would require a lightweight optic offering a significantly larger collection area and dramatically improved resolution. Unlike other mirrors that collect less energetic light, X-ray optics must be curved and nested inside a canister so that incoming photons graze the mirrors' surface and deflect into the observatory's instruments. The greater the number of mirrors, the higher the resolution.

One possible approach is using a relatively inexpensive, easily reproducible optic made of single-crystal silicon, a hard, brittle, non-metallic element used to make computer chips. Now being developed by NASA optics expert Will Zhang, the material has proven effective at gathering X-rays, Petre said. Because these mirrors are thin and lightweight, Lynx could carry thousands of individual mirror segments to improve its light-gathering power.

Although two other competing technologies exist, Zhang is confident Lynx would profit from his work. "The quality of the mirrors we are making today is several times better than a year ago. We are meeting or close to meeting Lynx requirements, but a year or so from now, we definitely will be meeting them."