Comment le télescope spatial Hubble a changé le cosmos

Histoire de: David J. Eicher

"Il ne reste que le privilège de saluer les astronomes au cours de leur voyage vers les étoiles - en imagination chevauchant avec le capitaine sur son pont dans la baie jusqu'à ce que le pilote nous décolle et nous mette à terre." dernier grand projet astronomique, la construction du télescope Hale de 200 pouces sur Palomar Mountain, en Californie, en 1939. La vision de l'astronome George Ellery Hale, le célèbre instrument de 200 pouces était, une fois construit, le plus grand du monde par un facteur de deux et a contribué à révolutionner la connaissance humaine du cosmos pendant une grande partie du 20e siècle.

La même chose aurait pu être écrite un demi-siècle plus tard, lorsqu'un autre grand projet était sur le point de prendre le devant de la scène. Cette année, nous célébrons le 25e anniversaire du lancement et de la «première lumière» du télescope spatial Hubble, le plus grand instrument scientifique jamais produit pour l'astrophysique et la cosmologie. (Cette année, nous célébrons également le 100e anniversaire de la théorie générale de la relativité d'Albert Einstein.) Le télescope - du nom d'Edwin Hubble, découvreur de l'univers en expansion - tragiquement défectueux et héroïquement figé, a fondamentalement changé notre compréhension du cosmos. Mais l'histoire du télescope Hubble n'est pas simplement un défi, un problème et un triomphe.

NASA

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Depuis l'invention du télescope en 1609, les astronomes sont en proie à l'instabilité de l'atmosphère terrestre, qui déforme la lumière des étoiles des objets cosmiques. Dès 1923, les pionniers de la fusée ont conceptualisé un télescope lancé dans l'espace, évitant ainsi la turbulence atmosphérique, avec ses données capturées envoyées via des signaux au sol et assemblées en informations et en images. En 1946, au moment où le télescope Hale approchait de la première lumière, Lyman Spitzer, un astronome américain influent, a rédigé un article dans lequel il a examiné pour la première fois les avantages et les défis d'un télescope spatial.

Le télescope spatial Hubble est-il vraiment si important? «Dès sa conceptualisation, il était clair que Hubble allait révolutionner notre vision de l'ensemble du cosmos», explique Avi Mandell, scientifique planétaire au Goddard Space Flight Center de la NASA qui a utilisé Hubble pour étudier les exoplanètes. «La stabilité et la clarté exquises des images de Hubble combinées avec la capacité de voir l'univers à des longueurs d'onde de lumière qui ne sont pas disponibles pour les observatoires sur Terre font de Hubble de loin le télescope le plus puissant disponible - même 25 ans après son lancement!»

Au milieu du 20e siècle, les astronomes ont réalisé qu'un télescope spatial fournirait une énorme puissance scientifique. Après la Seconde Guerre mondiale, les progrès de la technologie des fusées ont poussé plus loin la réflexion sur l'idée. Le timing du document de Spitzer n'aurait pas pu être meilleur. La NASA a lancé le premier observatoire en orbite, un instrument solaire, en 1962. Six ans plus tard, avec le programme Apollo en pleine floraison, l'agence a élaboré des plans pour un observatoire en orbite avec un miroir de 3 mètres de diamètre. Mais le financement n'était pas encore prêt, et donc un objectif de lancement initial de 1979 était destiné à s'échapper.

Au milieu des années 1970, les astronomes ont attaqué. Ils ont fait pression sur les membres du Congrès alors que l'Académie nationale des sciences a produit un rapport cherchant un télescope spatial comme objectif scientifique clé. Enfin, le Sénat a accepté une version réduite du projet de télescope spatial, limitant son coût à la moitié de celui de la demande initiale et réduisant la taille du miroir du télescope à 2,4 mètres.

Edwin Hubble, l'homonyme du télescope spatial, a utilisé le télescope Hooker de 100 pouces dans les années 1920 pour prouver que les «nébuleuses» tachées sur les plaques photographiques étaient en fait des galaxies en dehors de la nôtre et que l'univers se développe.
Avec l'aimable autorisation de Carnegie Observatories, Carnegie Institution of Washington

La NASA a ensuite obtenu une certaine implication de l'Agence spatiale européenne. En 1977, le Congrès a approuvé un financement de 36 millions de dollars, et le projet était opérationnel avec une date de lancement prévue de 1983. Ce lancement n'a pas eu lieu, car le projet a traîné en longueur, mais en 1983, le télescope a longtemps été qualifié de grand télescope spatial. rebaptisé le télescope spatial Hubble. Edwin Powell Hubble, l'homonyme du télescope, était né dans le Missouri en 1889 et avait étudié à l'Université de Chicago. Hubble est devenu une figure célèbre dans les années 1920 lorsqu'il a contribué à déchiffrer l'expansion de l'univers et a également aidé à définir l'échelle de distance cosmique. La Voie lactée n'était qu'une galaxie dans une mer innombrable d'autres. Hubble est décédé en 1953 et son héritage perdure avec l'observatoire spatial.

«Je trouve parfaitement approprié qu'en 2015 nous célébrions à la fois le 100e anniversaire de la publication de la théorie de la relativité générale d'Einstein et le 25e anniversaire du télescope spatial Hubble», déclare Mario Livio du Space Telescope Science Institute, un autre Hubble clé scientifique. «La théorie d'Einstein a transformé notre perspective sur l'espace, le temps, la gravité et l'univers. Hubble a transformé ces concepts théoriques en une réalité fascinante grâce à de superbes images d'entités cosmiques que, depuis des millénaires, nous n'avons même pas pu imaginer. »

NASA / George Ladas, base24.com (Hubble); NASA (Terre)

Comment construire un télescope spatial

La NASA a accéléré la construction de Hubble, souvent abrégé HST, au milieu des années 1980. Le cœur du télescope, son système optique, serait une conception de Ritchey-Chrétien, un réflecteur avec un miroir primaire hyperbolique et un secondaire hyperbolique, conçu pour minimiser les aberrations optiques. Le système aurait une distance focale de 57,6 mètres et serait conçu avec des instruments qui captureraient les données dans les longueurs d'onde visibles, infrarouges, proche infrarouge et quasi ultraviolet. L'optique fournirait des capacités d'imagerie exceptionnelles sur un large champ de vision. Le Goddard Space Flight Center de la NASA se chargerait du contrôle et des données du télescope, et le Marshall Space Flight Center superviserait la conception et la construction. La NASA a confié la construction d'un vaisseau spatial à la société aérospatiale Lockheed et la construction de l'optique, de l'assemblage des tubes, et des capteurs de guidage à Perkin-Elmer. Eastman Kodak a été engagé pour construire un miroir de sauvegarde.

La navette spatiale Discovery décolle du Kennedy Space Center le 24 avril 1990, transportant cinq astronautes et le télescope spatial Hubble.
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En 1979, à Danbury, Connecticut, le personnel technique de Perkin-Elmer a commencé à travailler sur l'optique et a terminé le miroir primaire environ deux ans plus tard. Le polissage du miroir est devenu un exercice de longue haleine qui a dépassé le budget et les heures supplémentaires, entraînant des affrontements fréquents entre l'entreprise et la NASA. Et pourtant, au cours des années qui ont suivi, l'ensemble du projet s'est réuni, les techniciens ont assemblé la multitude de pièces du télescope dans une salle blanche élaborée, et une énorme équipe de scientifiques s'est préparée à lancer le premier observatoire spatial généralisé, prévu pour le printemps 1990.

Le lancement s'est déroulé sans accroc. Le 24 avril, STS-31 a commencé comme navette spatiale Discoveryplongé vers le ciel, portant le télescope inestimable, un programme qui avait coûté jusqu'à ce moment-là environ 1,5 milliard de dollars. (L'ensemble du programme de 40 ans, à ce jour, a coûté environ 10 milliards de dollars, un chiffre équivalent au financement de la guerre en Irak pendant deux semaines.) Le lendemain, l'équipage a déployé le télescope et la vie de Hubble a commencé. Tout était heureux dans l'univers de Hubble. Et puis, au cours des semaines qui ont suivi, un choc stupéfait s'est produit. Les images renvoyées par le télescope indiquaient un grave défaut dans l'optique du télescope. Le lancement triomphant dans l'espace du premier observatoire d'un autre monde s'est transformé en une catastrophe. Quelque chose n'allait vraiment pas avec le miroir de Hubble, et il s'est avéré être un cas grave d'aberration sphérique, un défaut optique facilement évitable. Une célèbre image ancienne de la galaxie spirale M100 à Coma Berenices,

Ces images avant et après de la galaxie spirale M100 montrent l'étendue du flou de pré-maintenance de Hubble et exactement comment le correctif a fonctionné.
NASA

Le miroir de Hubble avait été le plus précisément rectifié dans l'histoire de l'optique, avec des variations de la courbe prescrite de seulement 10 nanomètres - un dix millième de la largeur d'un cheveu humain - mais les techniciens de Perkin-Elmer avaient rectifié le miroir primaire au mauvais forme. Et la catastrophe était basée sur une simple erreur: le correcteur nul de la société, un appareil de test optique, avait été mal assemblé, laissant une lentille à l'intérieur de 1,3 millimètres hors de position. De plus, les travailleurs avaient mal lu des tests simples qui auraient pu signaler le problème.

Le monde entier de l'astronomie a été stupéfait, et Hubble a été le plus gros flop de l'histoire de l'entreprise. Soudain, non seulement la NASA n'a pas réussi à élargir notre vision du cosmos, mais elle est également devenue le cul d'une série de blagues culturelles comme synonyme de simple incompétence.

NASA / ESA / J. Dalcanton / BF Williams / LC Johnson (U. de Washington) / L'équipe PHAT / R. Gendler

Une renaissance triomphante

Mais l'histoire n'était pas terminée. La NASA avait établi un calendrier de missions d'entretien pour Hubble, qui seraient nécessaires pour entretenir le télescope - pour modifier, échanger et mettre à niveau les instruments au fil du temps. Maintenant, la première mission de maintenance se transformerait en un effort herculéen pour réparer l'optique défectueuse du télescope. Des ingénieurs, des opticiens et des scientifiques alliés ont commencé à créer un ensemble d'optiques correctives qui seraient ajoutées à Hubble pour clarifier sa «vision», surnommée COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement). Au cours d'une mission de 10 jours vers la fin de 1993, des astronautes utilisant la navette Endeavourinstallé COSTAR ainsi que d'autres équipements, notamment la caméra grand champ et planétaire 2, des gyroscopes et des panneaux solaires. Chaque modification a été conçue pour réparer ou idéaliser tous les systèmes de manière à ce que Hubble fonctionne aussi bien que prévu initialement, voire mieux. (Des missions d'entretien ultérieures en 1997, 1999, 2002 et 2009 ont permis au télescope de fonctionner efficacement et ont amélioré ou remplacé certains instruments.)

Au cours de la première mission d'entretien en 1993, les astronautes ont remplacé et réparé divers instruments et, plus important encore, installé une technologie qui corrigeait le petit défaut dans le miroir principal de Hubble qui déformait la vue du télescope.
NASA

Dès les premiers jours de janvier 1994, la crise avait été surmontée et Hubble était ouvert aux affaires. Les premiers résultats scientifiques de Hubble sont arrivés sur le campus du Space Telescope Science Institute (STScI), un ensemble de scientifiques et d'administrateurs mis en place par la NASA pour gérer le télescope au Homewood Campus de l'Université Johns Hopkins à Baltimore. Son premier directeur a été l'astrophysicien italo-américain Riccardo Giacconi, qui a ensuite remporté le prix Nobel de physique pour ses recherches pionnières en astronomie des rayons X.

Comme c'est le cas avec la plupart des projets scientifiques, les astronomes demandent à utiliser le télescope spatial Hubble, et un comité d'examen de scientifiques du STScI se penche sur les mérites relatifs, approuvant ou refusant le temps à accorder aux yeux en orbite dans l'espace. Hubble jette un œil dans l'univers depuis ce que l'on appelle l'orbite terrestre basse, à environ 353 miles (569 kilomètres) au-dessus de la surface de la planète, vole à 17 500 mph (28 000 km / h) et orbite autour de la Terre toutes les 97 minutes. Il est possible de voir périodiquement le télescope dans le ciel nocturne, s'il passe au-dessus de votre position, comme une «étoile» brillante se déplaçant lentement dans le ciel comme le font d'autres satellites.

Jupiter semble meurtri après être entré en collision avec divers fragments de la comète Shoemaker-Levy 9. Hubble a suivi des changements inattendus et dramatiques dans l'atmosphère de Jupiter causés par l'événement.
NASA / Hubble Space Telescope Comet Team

Peu de temps après que les astronautes ont réparé l'optique du télescope gigantesque, l'instrument a commencé à pleuvoir des résultats scientifiques impressionnants. À l'été 1994, Hubble a jeté son dévolu sur un événement unique dans l'histoire moderne du système solaire. Les astronomes ont découvert une comète, nommée Shoemaker-Levy 9 d'après les découvreurs, qui était dangereusement proche de Jupiter, avait été séparée en une chaîne de 21 fragments, et était destinée à plonger dans la planète géante. Personne n'avait jamais vu une comète s'écraser sur une planète, c'était donc une opportunité incroyable de voir ce qui s'est produit fréquemment au début de l'histoire du système solaire, lorsque de nombreux autres petits corps volaient autour, accrétant de plus gros. Les images et les observations scientifiques de Hubble ont aidé à écrire l'histoire de cet événement incroyable, alors que chacun des fragments s'effondrait dans les sommets des nuages ​​joviens,

Depuis ce premier été de données utiles, Hubble a réécrit l'astronomie et l'astrophysique, faisant plus d'observations clés au cours des 20 années qui ont suivi que la somme de tous les télescopes qui l'ont précédé. En 1995, l'astronome Jeff Hester de l'Arizona State University a dirigé une équipe qui a créé l'image la plus emblématique prise avec Hubble, une photo de la nébuleuse de l'aigle à Serpens, un nuage gazeux et un amas d'étoiles associé décoré de hautes nébuleuses sombres qui devinrent «Pillars of Creation». L'image du recyclage stellaire - du gaz et de la poussière donnant naissance à des étoiles infantiles - était si frappante qu'elle ornait la couverture du magazine Time et reçut son propre timbre-poste américain.

NASA / ESA / L'équipe Hubble Heritage (STScI / AURA)

L'incroyable héritage de Hubble

Cependant, la profondeur des données de Hubble a touché ou réécrit presque tous les domaines de l'astrophysique. Depuis la découverte de l'univers en expansion dans les années 1920, les astronomes avaient du mal avec le taux d'expansion et ce que cela signifie. La soi-disant constante de Hubble, le taux d'expansion universel, était très incertaine, deux factions soutenant des conclusions très différentes des données. La constante de Hubble est également inversement proportionnelle à l'âge de l'univers, un autre Saint Graal clé de la science. L'un des principaux objectifs de Hubble était de mesurer la constante de Hubble avec précision, en utilisant une variété d'indicateurs de distance, et au tournant du 21e siècle, cela a aidé à définir une constante de Hubble relativement précise de 72 ± 8 et un âge de l'univers, que le plus récent satellite européen Planck a affiné à 13,8 ± 0,04 milliards d'années.

Hubble, avec l'aide d'autres télescopes, a cartographié la distribution de la matière noire dans divers amas de galaxies, comme l'amas de Pandore vu ici. Sur cette image, la matière noire est représentée en bleu.
NASA / ESA / J. Merten (Institut d'astrophysique théorique, Heidelberg / Observatoire astronomique de Bologne) / D. Coe (STScI)

Hubble a également joué un rôle déterminant dans la découverte et l'analyse subséquente de supernovae lointaines par deux équipes de recherche en 1998, une découverte qui a montré que l'expansion de l'univers s'accélère. Cet univers accéléré a donné naissance au terme énergie sombre pour expliquer la force qui accélère l'expansion universelle. Les astronomes ont mesuré les luminosités des supernovae de type Ia à de grandes distances. Ils ont découvert que les mesures de la lumière seraient expliquées si une force répulsive s'exerçait sur l'espace. La nature de l'énergie sombre reste un mystère, mais ses effets sont clairs, et la course pour définir exactement ce qu'elle est et comment elle fonctionne est le domaine le plus chaud de la cosmologie. La réponse aidera également à définir la nature du destin de l'univers - si le cosmos se terminera par un «grand gel» ou d'une autre manière.

Hubble a joué un rôle clé dans l'exploration d'un autre aspect mystérieux de l'univers, la matière noire. Nous pouvons voir qu'une grande partie de la matière dans l'univers est invisible - en fait bien plus que la matière lumineuse et normale qui compose les étoiles, les galaxies, les planètes, les gens, les arbres et les chats. Hubble a étudié la matière noire, qui a été déduite pendant des décennies, en examinant la lentille gravitationnelle des galaxies éloignées pour créer une carte tridimensionnelle de la matière noire. Les cartes de la matière noire au sein de grappes individuelles de galaxies créées par Hubble ont aidé à définir le comportement de la matière noire, comme avec le célèbre Bullet Cluster.

BoldlyGo et le télescope ASTRO – 1

Jon Morse, scientifique chevronné du télescope spatial Hubble, est président-directeur général et président du conseil d'administration du BoldlyGo Institute, qui prévoit de construire et de lancer un télescope spatial qui ajoutera à l'héritage de Hubble. Appelée ASTRO – 1, la portée de 1,8 mètre continuera et améliorera les observations de lumière visible et d'ultraviolets de Hubble. Lisez les pensées de Morse sur Hubble et plus encore.

Les études des trous noirs dans les centres des galaxies avec Hubble ont déterminé une grande partie de ce que nous savons sur ces moteurs centraux, les monstres se cachant profondément dans les centres de presque toutes les galaxies. Les trous noirs, même supermassifs, étaient connus avant Hubble, mais le télescope spatial a permis aux astronomes de sonder un grand nombre de galaxies pour montrer que chaque galaxie avec un renflement stellaire central lumineux contient un trou noir supermassif en son centre. De nombreuses galaxies naines n'ont pas ces trous noirs centraux, mais la plupart des galaxies en contiennent un avec une masse de millions à des milliards de fois celle du Soleil. Les résultats de Hubble ont également montré que les renflements centraux des étoiles dans les galaxies et leurs trous noirs associés évoluent ensemble au fil du temps; la croissance du renflement central est liée à la croissance du trou noir.

Les astronomes ont également utilisé Hubble pour enregistrer une série historique de soi-disant champs profonds pour étudier des galaxies lointaines et le taux de formation d'étoiles dans l'univers avec des détails sans précédent. Ces longues expositions de petites zones de ciel ont enregistré des milliers de protogalaxies lointaines, jeunes et tachées et ont démontré que, aussi loin que les astronomes peuvent le voir, l'univers est le même endroit lisse et familier partout et dans toutes les directions, impliquant plus de 100 milliards de galaxies au total . Non seulement ces études ont montré aux astronomes que les étoiles se sont formées à des vitesses différentes au cours du temps cosmique, avec une formation d'étoiles atteignant un sommet il y a environ 7 milliards d'années, mais elles montrent également que les galaxies étaient petites et irrégulières dans le premier univers et se sont réunies gravitationnellement pour former de plus grandes et normales galaxies par l'accrétion de nombreux petits précurseurs.

Le champ profond Hubble eXtreme (XDF) montre les galaxies jusqu'aux confins les plus éloignés du cosmos.
NASA / ESA / G. Illingworth / D. Magee / P. Oesch (UCSC) / R. Bouwens (Leiden U) / L'équipe HUDF09

De plus, les scientifiques utilisant Hubble ont mis en lumière les premiers jours du cosmos dans leur quête pour comprendre comment le Big Bang s'est transformé en l'univers que nous connaissons maintenant. Peu de temps après le Big Bang, le cosmos était une mer de plasma opaque, et seulement 380 000 ans plus tard, il s'est suffisamment refroidi pour subir une soi-disant transition de phase - protons et électrons combinés pour former des atomes d'hydrogène neutres. L'univers est soudainement devenu transparent, et le rayonnement de fond micro-ondes cosmique, si célèbre pour avoir été découvert en 1964 et pour prouver la théorie du Big Bang, est né. Les âges cosmiques sombres ont commencé, et quelque 100 millions d'années ou plus plus tard, les premières étoiles se sont formées. Ces derniers ont produit un rayonnement ultraviolet, qui a réionisé le milieu constituant le cosmos. Environ un milliard d'années après le Big Bang, cette réionisation était terminée. Hubble a permis aux astronomes d'explorer cette ère de réionisation pour déterminer que pour réioniser l'univers, il devait y avoir plus de galaxies que celles que Hubble peut voir. Une question intrigante est donc posée au James Webb Space Telescope, le prochain grand télescope spatial, qui sera capable de détecter les jeunes galaxies mieux que Hubble.

Aucun domaine de l'astronomie n'a été plus chaud ou évoluant plus rapidement au cours des dernières années que la découverte d'exoplanètes, de planètes en orbite autour d'étoiles autres que le Soleil. Hubble a également joué un rôle clé en permettant aux scientifiques planétaires d'étudier l'atmosphère des exoplanètes. Les scientifiques espèrent que l'augmentation des sensibilités permettra de futures détections de biosignatures sur d'autres mondes, marquant les premières découvertes de la preuve de la vie ailleurs dans le cosmos. Pour l'instant, Hubble a détecté des éléments et des molécules dans l'atmosphère de "Jupiters chauds" en orbite autour d'autres étoiles et a dévoilé des preuves de raies d'absorption dans le spectre de plusieurs exoplanètes indiquant la vapeur d'eau dans leur atmosphère. Hubble et son télescope sœur Spitzer, l'instrument infrarouge, ont détecté des nuages ​​dans l'atmosphère de plusieurs exoplanètes.

Réflexions sur Hubble d'un astronome vétéran

Pendant des années, Garth Illingworth des Observatoires de l'Université de Californie et de l'Observatoire Lick a été un utilisateur principal du télescope spatial Hubble. Il a été chercheur principal adjoint de la caméra avancée pour les levés lancée en 2002 et a pu étudier les galaxies quelques centaines de millions d'années seulement après le Big Bang. Lisez les réflexions d'Illingworth sur l'héritage de Hubble.

Et ce ne sont que quelques domaines, aussi importants soient-ils, touchés ou redéfinis par l'existence du plus grand télescope du monde. Les effets, l'influence de Hubble, sont tissés comme un fil conducteur tout au long du dernier quart de siècle de l'astrophysique, de la cosmologie, de la science planétaire. En 2011, l'instrument vedette de la NASA a franchi une étape importante lorsque le dix-millième article scientifique utilisant ses données a été publié. Chaque année, environ 10% des articles les plus cités publiés sont basés sur les données de Hubble. Des milliers d'images de toutes sortes d'objets astronomiques ont afflué de Hubble, redéfinissant la façon dont le public voit le cosmos.

À une époque où le financement et le soutien de la science font souvent défaut, lorsqu'un public profite principalement des avantages de la science et de la technologie sans pourvoir à son avenir, Hubble se démarque. Les souvenirs d'un âge oublié de l'exploration de la Lune persistent alors que les astronautes marchant sur la lune vieillissent en vieillards; un supercollider abandonné de 2 milliards de dollars se dresse au milieu de l'herbe sauvage au Texas; Les Américains semblent satisfaits de regarder des émissions de téléréalité alors que d'autres nations font avancer la science et la technologie. Et pourtant, le télescope spatial Hubble, maintenant âgé de 25 ans dans sa course spectaculaire, est triomphant comme l'instrument qui a exploré et redéfini le cosmos. Ce magnifique télescope a permis, pendant un certain temps, aux astronomes de décoller pour un nouveau voyage sans précédent vers les étoiles.

Galerie: Un aperçu du coffre-fort Hubble

Sextuor de Seyfert

NASA / J. Anglais (U. du Manitoba) / S. Hunsberger, S. Zonak, J. Charlton et S. Gallagher (PSU) / L. Frattare (STScI)

David J. Eicher est rédacteur en chef du magazine Astronomy . Il est l'auteur de 18 livres sur la science et l'histoire, dont le prochain The New Cosmos: Answering Astronomy's Big Questions (Cambridge University Press, 2015). Suivez-le sur Twitter à @deicherstar .

Source: http://www.astronomy.com
Lien:  http://astronomy.com/bonus/hubble?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR3t55QLbnifXFZxyLj4kQBcDe8o7MrnXy-86NwLCX7Xpcvq_y76p0V8D64