Contexte

L’énergie sombre et la matière noire sont considérées comme jouant un rôle déterminant dans l’organisation et l’évolution de l’Univers, dont elles sont les principales composantes. L’énergie noire expliquerait en particulier l’accélération de l’expansion de l’Univers. Mais la nature et les impacts de la matière noire et de l’énergie sombre restent mal connus, car ils sont uniquement déduits des effets indirects de ces éléments observables sur les astres et les galaxies.

L’existence de mondes habitables ailleurs dans l’Univers est une question séculaire portée par les sciences depuis l’antiquité : existe-t-il des systèmes planétaires capables d’abriter des formes de vie, voire possédant des planètes semblables à la Terre ? Une partie de la réponse pourrait être apportée par l’observation directe des exoplanètes de la Galaxie. Pour l’instant, la très grande majorité des exoplanètes recensées n’ont jamais été observées directement en raison de la luminosité de leur étoile hôte. En effet, leur présence est le plus souvent décelée par la méthode du transit planétaire, qui révèle la présence d’une planète en repérant l’ombre que celle-ci projette sur l’astre lorsqu’elle passe devant son étoile. Mais cette méthode ne révèle que les planètes les plus grosses et relativement éloignées de leur soleil. Appliquée à notre Système solaire, elle raterait la plupart de ses planètes.

Grâce aux instruments toujours plus performants, en particulier dans l’infrarouge, les télescopes troisième génération tels que Roman sont aussi capables d’observer des phénomènes et des objets lointains, rares ou éphémères (explosions de supernovae, trous noirs en formation, planètes errantes…), délivrant des informations inédites sur les éléments qui composent l’Univers et leur évolution. 

Comprendre énergie et matière noire

En observant longuement, de façon précise et systématique de vastes pans de l’Univers, Roman estimera très finement la position et la forme de centaines de millions de galaxies, mais aussi des corps et matériaux présents dans les espaces intergalactiques, dressant une carte en trois dimensions de leur distribution dans l’Univers. Il précisera ainsi la quantité et la nature des matières – ordinaire et sombres – à l’œuvre dans l’organisation du cosmos et la façon dont ces éléments interagissent entre eux. Ces données contribueront à perfectionner les modèles étudiant la vitesse d’expansion de l’Univers, ainsi que la présence et la quantité d’énergie sombre en jeu dans les différentes étapes de ce processus. 

L’un des enjeux consiste à tester la théorie d’Einstein appelée « constante cosmologique », qui prédisait l’existence de l’énergie noire dont l’attraction maintiendrait entre eux les objets cosmiques. L’objectif est de déterminer si cette énergie noire est présente en quantité stable depuis la naissance de l’Univers ou si elle grossirait, repoussant plus fort et plus vite l’espace.

En étudiant la vitesse à laquelle les galaxies se sont formées et structurées, Roman tentera aussi d’évaluer la nature de la matière noire. Si elle est composée de particules lourdes et lentes, les éléments ont dû s’agglomérer rapidement. Si au contraire elle est faite de particules légères et mobiles, le processus a dû être plus long, et donner naissance à des structures plus étirées.

Rechercher les exoplanètes habitables

Roman combine la détection de microlentilles gravitationnelles et les observations coronographiques afin de détecter parmi les nouvelles exoplanètes identifiées celles situées dans la zone habitable de leur étoile, c’est-à-dire à une distance compatible avec l’existence d’eau liquide à leur surface.

Le phénomène de lentille gravitationnelle se produit lorsqu’une étoile s’aligne avec une planète. L’espace-temps étant déformé par la masse des objets, la lumière de l’étoile lointaine est déviée autour d’un objet à proximité. Celui-ci agit alors comme une loupe déformante qui augmente soudainement l’éclat de l’étoile située en arrière-plan. Grâce à sa vison large et profonde, le télescope va scruter le centre de notre Galaxie, surveillant la lumière de centaines de millions d’étoiles pour détecter ainsi la présence de planète, évaluer leur masse et leur distance à l’étoile.

Couplée au WFI, cette technique facilitera la détection de petites planètes telluriques situées dans la zone habitable et possédant des caractéristiques proches de celles de la Terre.

NGRST embarque également un coronographe expérimental (Coronograph Instrument) de nouvelle génération afin d’éclipser la lumière d’une étoile pour laisser apparaître celles émises par les planètes qui l’entourent. Avec ce coronographe capable de corriger les défauts optiques, l’imagerie directe d’exoplanètes 100 millions de fois moins lumineuses que leur étoile hôte est possible, avec une précision 100 à 1 000 fois supérieure à celle des coronographes spatiaux actuels. Le télescope pourra également réaliser des images polarisées des disques de gaz et de poussières entourant les étoiles jeunes. De quoi livrer aux astronomes des informations précieuses sur la composition et la texture des disques protoplanétaires, berceau des planètes. Ces performances uniques du coronographe permettront de détecter des corps moins lumineux que les exoplanètes découvertes jusqu’alors, et en particulier des planètes froides semblables à Jupiter. 

Enfin, un mode spectroscopie analysera sur une large gamme d’énergie (du visible au proche infrarouge) l’intensité de la lumière émise par certaines exoplanètes lors de leur transit, afin d’identifier la présence et la composition de leur atmosphère.