Si l’astronomie spatiale permet chaque jour de mieux comprendre notre Univers, il reste encore des domaines d’observation dans lesquels la lumière demande à être faite. Et parmi ceux-ci, on retrouve les objets très froids visibles dans le spectre de l’infrarouge lointain, comme des planètes en formation ou le milieu interstellaire, mais invisibles à l’œil nu. C’est précisément pour mieux comprendre l’évolution de ces systèmes que la NASA a sélectionné la mission PRIMA (PRobe far-Infrared Mission for Astrophysics). 

Le projet de collaboration européen, coordonné depuis le CNES par Olivier La Marle (responsable du programme Sciences de l’Univers) et Florent Canourgues (chef de projet de la phase A de la contribution française à la mission PRIMA et responsable du projet PRIMAger), repose sur deux instruments complémentaires dont PRIMAger, une caméra thermique refroidie innovante. 

Pourquoi vouloir observer l’Univers dans le domaine de l'infrarouge lointain ?

Olivier La Marle : L’observation dans ces longueurs d’onde permet l’étude des corps célestes comme des proto-systèmes planétaires ou des anciennes galaxies très lointaines, qui restent indécelables avec des instruments infrarouges classiques, et nécessitent des capteurs spécifiques que la France sait concevoir et exploiter. Capter ces objets extrêmement froids nécessite un savoir-faire particulier, notamment pour concevoir une caméra fonctionnant en environnement extrême à environ -272°C, et émettre elle-même le moins de chaleur de fonctionnement possible.

En quoi la France se distingue‑t‑elle dans ce domaine d’observation ?

Olivier La Marle : Le savoir-français dans la technologie infrarouge remonte aux années 1990, avec le lancement du télescope européen ISO (Infrared Space Observatory). La plateforme embarquait alors ISOCAM, la toute première caméra infrarouge conçue par le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA). Depuis, la France s’est spécialisée dans ce domaine spectral en contribuant à plusieurs missions d’envergure, notamment via l’instrument HFI du satellite européen Planck, le spectrophotomètre NISP à bord du télescope Euclid et l’instrument MIRI du James Webb Space Telescope.

Florent Canourgues : La France fait partie du nombre restreint de pays disposant de laboratoires spécialisés dans ce domaine d’observation spatiale. Au sein de cette communauté, le Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM) et le CEA participent activement à cette mission. Nous avons par ailleurs en France plusieurs scientifiques internationalement reconnus dans ce domaine. C’est cette solide expertise qui nous a permis de présenter une contribution robuste au projet PRIMA dans le cadre du processus de sélection de la NASA.

Quels autres aspects ont permis de distinguer PRIMA d’autres projets proposés à la NASA ?

Florent Canourgues : Le projet PRIMA est un exemple de projet en collaboration internationale. Par exemple, c’est une équipe internationale de chercheurs qui définit les objectifs scientifiques et les performances attendues de l’observatoire. C’est également un ensemble d’instituts et d’agences spatiales, pilotées par le Jet Propulsion Laboratory (États-Unis), qui contribue au design et à l’architecture du satellite. Cette dimension collaborative faisait partie intégrante des critères de sélection prioritaire de l’agence spatiale américaine. 

L’instrument PRIMAger s’inscrit pleinement dans ce contexte, puisque nous travaillons avec deux instituts français (CEA et LAM) en étroite collaboration avec l’agence spatiale néerlandaise (SRON) pour le développement des détecteurs et des plans focaux, et avec l’université de Cardiff pour le développement des filtres.

Quels sont les objectifs de PRIMA ?

Olivier La Marle : L’une des missions principales des PRIMA sera d’observer une ère encore mal connue de l’Univers, lorsqu’il était âgé de 5 à 10 milliards d’années [les estimations actuelles placent l’âge de l’Univers à 13,8 milliards d’années]. Cet intervalle, que l’on appelle également l’Univers intermédiaire, constitue l’âge d’or de la formation stellaire. C’est précisément sa capacité à observer cette période qui distingue PRIMAger de ses prédécesseurs. 

Tout comme Herschel ou le James Webb Space Telescope (JWST), PRIMA va étudier le milieu interstellaire et intergalactique froid dans le spectre infrarouge lointain.  En revanche, alors que le JWST capte des rayonnements situés entre 2 et 28 microns, la sensibilité accrue de PRIMA aux températures proches du 0 absolu – soit -273,15 °C – en font le candidat idéal pour déceler des ondes dont la longueur s’échelonne entre quelques dizaines et plusieurs centaines de microns.

Quelles sont les prochaines étapes qui attendent PRIMAger ?

Florent Canourgues : La sélection n’est que la première phase d’un calendrier minuté. Dans les prochaines années, parallèlement aux phases de conception et de fabrication de PRIMAger, nous devons créer un dispositif de test au sol qui reproduira les conditions quasi‑spatiales. Le contexte de la mission PRIMA rend ce travail particulièrement ambitieux : il faut s’assurer que chaque composant intrinsèque de la caméra thermique résiste aux conditions extrêmes du milieu spatial et que son rayonnement thermique soit maîtrisé afin d’éliminer toutes les sources de perturbation lors des prises de vue. Enfin, nous réaliserons des expérimentations en laboratoire qui reproduiront les signaux que la caméra captera en orbite, garantissant ainsi que PRIMAger pourra délivrer des images de haute qualité dans les conditions les plus exigeantes de l’espace.