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Quel satellite pour le rayonnement fossile ?

Je travaille maintenant dans la collaboration LSST, mais je suis attentive au futur de l’étude du rayonnement fossile en France avec une autre casquette.

On peut observer cette lumière primordiale depuis le sol, depuis un ballon stratosphérique ou depuis un satellite. Cette dernière option est naturellement la plus luxueuse ! Elle permet de voir la totalité du ciel à toutes les fréquences souhaitées. C’est aussi la version la plus onéreuse et la plus complexe … Pour participer à une expérience satellite, il faut soit porter un projet devant l’agence spatiale européenne, soit collaborer à un certain niveau d’implication (humain, technique et financier) dans un projet proposé à une autre agence. Dans tous les cas, l’agence spatiale française est bien-sur concernée.

Planck a pour le moment clos la question de la carte de la température du rayonnement fossile mais tous les regards se tournent vers la détection du signal en polarisation tensorielle censé être produit par les ondes gravitationnelles issues de l’inflation. Cette mesure “prouverait” la phase d’inflation primordiale car aucun autre scénario jusqu’à présent envisagé ne pourrait expliquer ce signal. Il donnerait également accès à l’échelle d’énergie de l’inflation, et donc à de la physique proche de l’échelle de Planck, proche de l’échelle supposée de Grande Unification des forces fondamentales – énergie des millions de fois supérieure à celle du LHC. Enfin le mécanisme d’émission de ces ondes prouverait le caractère quantique de la gravitation. Cette quête va donc en fait bien au-delà de la cosmologie.

La communauté française a mis en place un groupe avec des représentants de chaque laboratoire concerné pour définir le (ou les) projets le(s) plus attractif(s). Il y en a trois.

COrE++, la proposition européenne

Tout d’abord le projet européen, appelé COrEe++ (héritier de COrE et COrE+ …) :

Vue d'artiste du satellite COrE++ Crédits : ESA
Vue d’artiste du satellite COrE++
Crédits : ESA

COrEe++[] est directement le successeur de Planck, avec un concept similaire. Le plan focal sera équipé non plus de quelques dizaines mais de quelques milliers de détecteurs qui observeront le ciel non pas dans 9 mais dans une quinzaine de bandes de fréquence. Il a été proposé sans succès l’an dernier et sera re-proposé cette année. En théorie, c’est le projet avec la meilleure sensibilité au signal primordial en polarisation tensoriel de tous ceux en lice. Mais avec un lancement prévu en 2029-2030 si le projet est présélectionné en 2017 et sélectionné en 2019 typiquement …

PIXIE, la proposition américaine

Il y a d’un autre coté le projet porté par la NASA, également déjà proposé et également re-proposé cette année. Il s’appelle PIXIE :

Vue d'artiste du satellite PIXIE Crédits : NASA
Vue d’artiste du satellite PIXIE
Crédits : NASA

Ce projet PIXIE [] se veut être le successeur de l’instrument FIRAS qui était à bord du satellite COBE il y a 25 ans. Cet instrument avait permis de montrer que le spectre de la lumière primordiale suivait “parfaitement” la loi de corps noir avec une température de 2,7255 kelvin. Faire mieux c’est détecter les écarts à la loi de corps noir, écarts prédits par la théorie et qui gardent l’empreinte de l’hélium primordial, du déroulement de la formation des atomes lors de la recombinaison ou de la réionisation par exemple.
PIXIE est un spectromètre, avec une sensibilité 1000 fois supérieure à celle de FIRAS, et non un imageur du rayonnement fossile. Il a une résolution angulaire de près d’un degré (contre quelques minutes d’arc pour Core++), et seulement 4 détecteurs. Mais ces derniers peuvent capter chacun des milliers d’informations “simultanément” et le fonctionnement de l’instrument permet d’obtenir 400 bandes de fréquence avec une mesure du flux très précise dans chaque bande dans chaque pixel de la carte. Avec ces informations uniques, il sera en mesure de séparer les émissions synchrotron et de la poussière galactique avec une efficacité inégalée et ainsi accéder plus précisément au rayonnement fossile même si la physique galactique s’avère complexe.
Ce projet est a priori premier dans la liste des priorités scientifiques de la NASA pour ce type de mission et devrait décoller en 2023 si tout se passe bien. Une possible contribution française est à l’étude.

LiteBIRD, la proposition japonnaise

Enfin il y a le projet porté par l’agence spatiale japonaise, la JAXA. Ce satellite se nomme LiteBIRD:

Vue d'artiste du satellite LiteBIRD Crédits : JAXA
Vue d’artiste du satellite LiteBIRD
Crédits : JAXA

Le projet LiteBIRD [] est actuellement en phase AA au Japon, avec une contribution américaine déjà identifiée.
L’instrument est un imageur du rayonnement fossile, très similaire à COrEe++ en terme de nombre de détecteurs et de canaux en fréquence mais avec une résolution angulaire de l’ordre du degré. Par rapport au projet européen, il peut faire uniquement la physique du rayonnement fossile avec une moindre sensibilité (environ un facteur 10 sur le rapport tenseur-scalaire qui cherche à être mesuré) et pas de possibilité d’étudier l’effet de lentille gravitationnelle [] ou les amas par effet Sunyaev-Zeldovich [] en raison de sa moindre résolution angulaire. Mais la sélection semble quasi garantie pour un lancement en 2022 ou 2025, et non hypothétique pour un lancement en 2029-30 …

L’équipe LiteBIRD a été invitée par la JAXA à impliquer les Européens, en raison notamment de l’expérience acquise sur Planck et des discussions ont été initiées. Il faut vraisemblablement décider rapidement entre une demande Core++ ou une participation substantielle à LiteBIRD car ce sera une réponse au même appel à projet de l’ESA d’ici quelques mois.

L’avenir spatial de l’étude du rayonnement fossile en France se joue sans doute cette année, à suivre donc …

 

« Planck en bref » : la mission Planck en 5 minutes

Voici un film que nous venons de rafraichir avec des vidéos des résultats de 2013 et un montage subtilement amélioré :

Cette vidéo a été en chantier pendant … 2 ou 3 ans ! Pas à temps plein heureusement mais il fallait un peu de temps pour mûrir le projet. L’objectif : présenter de la façon la plus accessible possible, en 5 minutes maximum (finalement 6 minutes …), la mission Planck de l’ESA avec sa problématique, ses objectifs scientifiques, ses moyens technologiques et humains. Donc de la cosmologie, de la cryogénie, du spatial ; bref tous les ingrédients pour explorer le rayonnement fossile.

Les images de cosmologie ont été puisées dans celles réalisées pour le film hémisphérique de l’exposition. Christophe Pichon, chercheur de l’IAP et membre du projet de simulation Horizon a réalisé une simulation complète de l’évolution des grandes structures, depuis les germes indiscernables dans la carte du rayonnement fossile jusqu’aux filaments très contrastés qui quadrillent notre environnement aujourd’hui. Ces images, précises et superbes sont très pédagogiques, donc il ne faut se priver de leur utilisation !

Darmstadt, exposition mai 2009
Darmstadt, exposition mai 2009

J’ai longtemps milité pour la création de la mascotte Max le photon, mais il est finalement un peu bicéphal. Créés par Canopée et leurs collaborateurs, Max est un petit bonhomme curieux qui explore l’univers et le photon nous aide dans les schémas optiques.

Max et les dinosaures

Après avoir enfin mis en place le synopsis, le texte exact il a fallu passer à la réalisation. Heureusement le CNRS abrite de nombreux talents et parmi eux Jean Mouette à l’IAP qui a réalisé le montage des images et du son.

Jean a également, par exemple, écrit et réalisé le film sur les 75 ans de l’IAP :

et il aura probablement l’honneur de réaliser l’interview du PI ou du coPI (nom officiel des deux grands chefs du consortium HFI) les grands chefs)de Planck pour les résultats 2014 !!!

Une autre aventure spatiale : ROSETTA

Rosetta, une mission extraordinaire

Je n’ai aucune compétence particulière pour parler de cette mission mais son actualité est trop fascinante pour être ignorée !

En parallèle de la quête des origines des grandes structures, aventure dans laquelle Planck a bien-sûr un rôle majeur, il y a la quête des origines de la vie. La multiplication des exoplanètes identifiées permet d’envisager l’une des plus grandes découvertes de l’histoire de l’humanité – la preuve de vie dans d’autres systèmes stellaires- dans un avenir raisonnable. Mais les pièces du puzzle ne s’assembleront correctement qu’à la condition de comprendre mieux l’apparition de la vie sur Terre. Là, c’est Rosetta qui entre en scène.

Des acteurs communs

Individuellement, aucun chercheur ne travaille je pense sur ces deux projets car leurs thématiques scientifiques sont vraiment éloignées. Cependant les principales entités qui œuvrent sur ce projet sont les mêmes:

  • l’ESA, l’agence spatiale européenne. Elle coordonne le projet dans sa globalité, de l’appel d’offre à la communication des résultats scientifiques
  • le CNES, l’agence spatiale française est chargée du lancement, et coordonne les activités instrumentales dont elle a la responsabilité. Ces agences sont aussi en charge du lancement et des manœuvres. Dans le cas de Rosetta elles sont naturellement nombreuses, délicates et de première importance !

Le site du CNES est concis mais contient plein d’informations.

rosetta_comete

Vue d’artiste du satellite Rosetta approchant de sa comète.

Crédits CNES.

Côté laboratoire de recherche, l’IAS à Orsay, l’IPAG à Grenoble et l’IRAP à Toulouse et le LERMA à Paris sont impliqués dans Planck et dans Rosetta. L’été est actif entre Planck qui prépare intensivement la publication de ses résultats complets dans 2-3 mois et Rosetta qui commence son observation scientifique de la comète Tchouri (je me contente du « petit nom  » …).

Des calendriers entre-croisés

  • 1993 : Rosetta est sélectionnée, le projet Planck répond à un appel de l’ESA
  • 1996-2002 : période de construction des instruments, du satellite Planck (qui s’achèvera quelques années plus tard) et du vaisseau Rosetta. Rosetta ne peut se permettre de retard de toute façon, le calendrier est dicté par la comète …
  • 2004 : lancement de Rosetta, voyage de 1,6 milliards de kilomètres dans le système solaire pour se positionner près de la comète
  • 2009 : lancement de Planck. Voyage de 1,5 millions de kilomètres pour se positionner au point L2 d’observation. Ça fait un peu ridicule comparativement mais bon …
  • 2011 : premiers résultats astrophysiques de Planck alors que Rosetta entre en hibernation
  • 2014 : résultats cosmologiques, polarisation incluse pour Planck et réveil, approche, mise en orbite de Rosetta, « atterrissage » de Philae sur la comète
  • 2015 : fin de la collaboration Planck avec une analyse finale, fin de la collaboration Rosetta après le passage au périhélie de la comète

De la théorie à la réalité

J’aime beaucoup ces deux images, l’une dite « d’artiste », imaginée il y a des années et l’autre, bien réelle prise il y a quelques jours. La réalité dépasse la fiction …

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Vue d’artiste du vaisseau approchant la comète.

Crédits ESa/ Ch. Carreau

esa_rosetta_osirisnac_130806_b

Détails d’une zone du noyau de la comète. L’image a été prise le 6 août 2014 montrant en avant plan le plus petit des 2 lobes, la tête de la comète projetant son ombre sur la partie centrale, le cou, et le plus gros lobe, le corps.

Crédits ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

Pour suivre cette aventure, il a le site de l’ESA (en anglais), des relais partout et  futurasciences bien-sûr.