Une pièce circulaire en verre enserrée dans son cadre métallique. Comment imaginer que cet objet d’apparence anodine de 6 cm de diamètre a des superpouvoirs optiques ? Et pourtant, c’est bien le cas. Pas tout seul, bien sûr. Il est l’un des composants d’un instrument scientifique révolutionnaire qui permettra de voir dans le cosmos comme aucun autre avant lui.

Démonstrateur technologique

Il s’agit d’un miroir parabolique hors-axe (OAP pour Off Axis Parabolic). Sa fonction est de capter une lumière de faible intensité émise par un objet très lointain et de la réfléchir vers un autre miroir du même type, qui lui-même la transmet à un autre miroir, et ainsi de suite. Au total, huit de ces miroirs et d’autres éléments optiques conduisent le flux lumineux jusqu’à une caméra scientifique qui capturera une image de l’objet observé. Cet instrument inédit est un démonstrateur technologique de coronographe, une sorte de caméra astronomique capable de photographier directement dans le ciel des objets très peu lumineux, par exemple une exoplanète, sans être éblouie par d’autres objets beaucoup plus lumineux, par exemple l’étoile autour de laquelle elle orbite. Un peu comme si on arrivait à distinguer une pâle veilleuse au fond d’une pièce illuminée par des spots. 

Photographier directement les exoplanètes

Appelé Coronograph Instrument (CGI), cet oiseau rare est l’un des deux instruments du télescope de la NASA Nancy Grace Roman Space Telescope, qui s’est envolé le 30 août depuis la base de Cap Canaveral, en Floride. Dans quelques mois, positionné à 1,5 million de km de la Terre, il pourra démarrer ses observations loin dans notre galaxie, à la recherche d’exoplanètes dont le signal lumineux, sans un dispositif spécifique, serait caché par la lumière émise par leur étoile. Pour le dire simplement, le principe du coronographe consiste à appliquer un masque sur la lumière de l’étoile, de façon à pouvoir distinguer les objets les moins lumineux. 

L’objectif est de parvenir à détecter des planètes 100 millions de fois moins lumineuses que leur étoile, des planètes froides de la taille de Jupiter qui pourraient abriter les conditions nécessaires à la vie. Alors qu’environ 6 200 exoplanètes sont aujourd’hui connues, Nancy Grace Roman pourrait permettre d’en découvrir plus de 70 000 nouvelles. Cette première mondiale pourrait ouvrir des perspectives dans la recherche de signes de vie extraterrestre. À cet égard, le coronographe de la mission Nancy Grace Roman préfigure celui du futur télescope HWO (Habitable World Observatory – Observatoire des mondes habitables) que la NASA envisage de lancer à l’horizon 2040. C’est pour cela qu’on le qualifie de démonstrateur technologique.

L’art du polissage

Et notre miroir dans tout ça ? Fourni par le CNES et le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM), il a un fort accent français ! La France fait d’ailleurs partie des rares partenaires internationaux de la NASA dans le programme Nancy Grace Roman. 

Pour pouvoir remplir sa mission avec le degré de précision qui lui est demandé et ne pas dégrader le flux de lumière qu’il transmet, il doit tout simplement être parfait. Ce qui signifie, quand on parle d’un miroir, un polissage au nanomètre près. Vous avez bien lu : il s’agit d’une précision au millionième de millimètre, qui est rendue plus complexe encore par la forme parabolique hors-axe du miroir. 

Cet enjeu a nécessité de développer au LAM une technique de fabrication bien particulière, car les procédés existants ne permettaient pas de polir aussi précisément une forme parabolique sans défaut. Il a donc fallu, en jouant sur l’élasticité du morceau de verre, déformer le miroir au moyen d’un anneau métallique puis réaliser un polissage traditionnel en retirant de la matière avec des grains d’abrasif de plus en plus fins. Une fois le miroir parfait obtenu, d’une forme sphérique beaucoup plus facile à réaliser, il « suffit » ensuite d’enlever l’anneau pour redonner au miroir sa forme parabolique hors-axe définitive. Les huit miroirs livrés par le LAM ont été contrôlés régulièrement sur des appareils de métrologie de très haute précision, et ces mesures ont montré une qualité supérieure aux spécifications demandées par la NASA. 

Le coronographe fait appel à une autre contribution française : il intègre deux miroirs déformables chargés de corriger des imperfections et de supprimer des lumières parasites. La manipulation de ces miroirs s’appuie sur des algorithmes qui ont été développés par le CNES et plusieurs laboratoires du CNRS. Le coronographe doit être opérationnel durant 5 ans, on attend avec impatience les premières images directes d’exoplanètes prises par cet instrument exceptionnel !