Lancé le 24 avril 1990, le télescope spatial Hubble a fourni aux scientifiques et au grand public, pendant plus de 29 ans, les images les plus précises et spectaculaires de l’Univers. Il demeure encore le meilleur outil d’observation de l’Univers profond dont l’Homme dispose. Cependant, aujourd’hui, le télescope développé par la NASA et l’ESA a atteint ses limites techniques.
Des galaxies les plus jeunes, distantes et faiblement lumineuses aux amas stellaires en passant par les quasars, le télescope spatial Hubble a permis aux astrophysiciens, pendant presque 30 ans, de prendre des milliers d’incroyables images du cosmos. Tant qu’un objet cosmique émet de la lumière, aucun instrument n’est plus efficace qu’Hubble pour l’observer. Mais malgré ces performances, le télescope ne pourra plus faire mieux.
Depuis son altitude d’environ 530 km, le télescope Hubble s’affranchit des contraintes atmosphériques terrestres. En effet, l’atmosphère est un système dynamique constituant un milieu turbulent altérant la trajectoire des rayons lumineux. En outre, certaines molécules absorbent également certaines longueurs d’onde, empêchant les télescopes terrestres d’être pleinement efficaces. C’est pourquoi Hubble dispose d’un énorme avantage pour mener ses observations à bien.
Une résolution élevée mais techniquement plafonnée
Les télescopes terrestres atteignent des résolutions maximales comprises entre 0.5 et 1.8 seconde d’arc (1 seconde d’arc étant égale à 1/3600°). Tandis que Hubble atteint la résolution théorique limite pour un télescope de cette taille, soit 0.05 seconde d’arc. Bien que la résolution soit un paramètre crucial pour observer l’Univers lointain, il en existe trois autres : la quantité de lumière récoltée (pour observer les objets les plus faiblement lumineux), le champ de vision (le nombre d’objets observables) et la gamme de longueurs d’ondes.
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La résolution d’un télescope est caractérisée par la gamme de longueurs d’onde que son miroir primaire peut traiter. Le miroir de 2.4 mètres d’Hubble lui permet donc d’atteindre une résolution de 0.05″. Ce n’est qu’au cours des dernières années que les télescopes les plus puissants de la Terre, souvent quatre fois plus grands et équipés de systèmes d’optique adaptative à la pointe de la technologie, ont pu rivaliser avec Hubble.
Cette image composite d’une région de l’univers lointain (en haut à gauche) utilise les données optiques (en haut à droite) et dans le proche infrarouge (en bas à gauche) de Hubble, ainsi que les données en infrarouge lointain (en bas à droite) de Spitzer. Le télescope spatial Spitzer est presque aussi grand que Hubble : plus d’un tiers de son diamètre, mais les longueurs d’onde qu’il sonde sont tellement plus longues que sa résolution est bien moins élevée. Crédits : NASA/JPL/ESA
Pour améliorer la résolution du télescope spatial, deux options existent : utiliser des longueurs d’onde plus petites, permettant ainsi à un plus grand nombre de longueurs d’onde d’être géré par un miroir de même diamètre. Ou agrandir le télescope et son miroir, augmentant ainsi le nombre de longueurs d’onde que peut recueillir le miroir. Les systèmes optiques de Hubble lui permettent d’observer dans le visible, l’ultraviolet et le proche infrarouge (une gamme de longueurs d’onde comprise entre 100 nm et 1 µm). Avec ses instruments actuels, il ne peut faire mieux.
Des capacités d’observation spectaculaires mais restreintes
Sa capacité de collecte de lumière est également étonnante ; sans atmosphère pour le gêner, le télescope peut simplement se tourner vers l’objet désigné, choisir le bon filtre et commencer son observation. Plusieurs observations peuvent être combinées pour produire une image en exposition longue. Néanmoins, le télescope ne peut sélectionner pour cela qu’une petite région du ciel.
Les astronomes ont utilisé cette technique pour produire le Hubble Deep Field, révélant des milliers de galaxies lointaines. Et l’eXtreme Deep Field (XDF) a franchi une étape supérieure en révélant 5500 galaxies lointaines dans le visible/infrarouge/ultraviolet.
Enfin, récemment, en combinant les observations effectuées au cours des dernières années, les astronomes ont produit le Hubble Legacy Field, une image de l’Univers profond contenant 265’000 galaxies d’une région du ciel pas plus grande que celle couverte par la pleine Lune.
Les régions de l’Univers observées pour produire l’eXtreme Deep Field (XDF) et l’Hubble Deep Field (HUDF). L’XDF révèle 5500 galaxies, soit environ 10% du nombre total de galaxies estimées se trouver dans cette région. Les galaxies restantes (90%) sont trop peu lumineuses, trop « redshiftées » ou trop obscurcies pour que Hubble puisse les détecter, même avec une exposition plus longue. Le télescope a désormais atteint ses limites techniques. Crédits : NASA
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Hubble a donc été construit pour observer profondément l’Univers, mais uniquement de toutes petites régions. Son champ de vision est extrêmement réduit, permettant une meilleure compréhension de l’Univers lointain, mais tout de même restreinte. Que ce soit en termes de résolution, de profondeur d’observation ou de champ de vision, le télescope a réellement atteint ses limites pour chacun de ces paramètres.
Une gamme limitée de longueurs d’onde observables
Il en va de même pour les longueurs d’onde. Les étoiles émettent de la lumière dans une grande variété de longueurs d’onde, ce pourquoi Hubble a été construit. Toutefois, ces longueurs d’onde, même les plus courtes, subissent un effet de décalage vers le rouge (redshift cosmologique) ; elles s’étirent progressivement du fait de l’expansion de l’Univers. Au moment où elles arrivent au télescope, elles ont été étirées d’un facteur égal au taux d’expansion. C’est pourquoi Hubble ne peut pas voir au-delà de 400 millions d’années après le Big Bang.
Bien que l’emblématique télescope ait atteint ses limites techniques d’observation du cosmos, les télescopes de nouvelle génération feront bien mieux que celui-ci. Par exemple, le futur télescope spatial James Webb disposera d’un miroir primaire de 6.5 mètres et opérera à une température plus basse, lui permettant d’observer des longueurs d’onde plus grandes (jusqu’à 30 µm). Il pourra ainsi traverser la plupart des barrières qui bloquent actuellement la vision de Hubble, et pourra observer l’Univers jusqu’à 200 millions d’années après le Big Bang.
Comparaison entre le champ d’observation actuel du télescope Hubble et celui du futur WFIRST. Crédits : NASA/Goddard
D’autres instruments prendront également la relève. C’est par exemple le cas du projet de télescope spatial infrarouge développé par la NASA, le Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), dont la date d’achèvement est prévue pour 2020. Malgré un miroir primaire de diamètre similaire à celui de Hubble, WFIRST aura un champ d’observation 50 fois supérieur à ce dernier, pour une résolution d’environ 3″.
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