TPE : La vie humaine ailleurs ?

Les avancées technologiques et scientifiques

          Avec les nouvelles découvertes faites dans l'espace concernant la vie possible sur d'autres planètes, les chercheurs et astrophysiciens ne cessent de lancer de nouveaux objectifs. Grâce à sa curiosité, l'être humain est capable d'avancer et de se passionner pour tout ce qui lui est inconnu. C'est ainsi que nous fonctionnons : lorsque nous trouvons des réponses à des questions parfois "vieilles comme le monde", il n'est pas question de s'arrêter là. A quelle température l'eau peut-elle passer de l'état liquide à l'état solide ? A 0°C, me répondrez-vous...Oui, mais pourquoi se solidifie-t-elle ? C'est sur ce modèle de "une question entraîne une réponse qui entraîne une autre question" que l'être humain a choisi de se baser pour en apprendre toujours plus...Mais, au niveau de l'astrophysique, comment les scientifiques avancent-ils avec leurs découvertes ?

          Avec les nouvelles technologies, comme les bases spatiales, les satellites artificielles ou encore les sondes, l'être humain a pu non seulement étudier le vide intersidérale de l'espace, mais est également parvenu à s'y rendre. Thomas Pesquet, par exemple, est un astronaute français de l'ESA (ou "Agence Spatiale Européenne") envoyé le 17 Novembre 2017 vers la Station Spatiale Internationale. Il a alors passé 196 jours à bord, avant de la quitter le 2 Juin 2017. Cette expédition nous montre à quel point l'être humain est capable de s'aventurer pour pouvoir mener à bien ses projets de découverte. Tout d'abord, nous définirons et exprimerons l'équation de Sara Seager dans une fiche détaillée, puis nous étudierons les différentes intelligences artificielles avant de nous intéresser à la miniaturisation des satellites.

A) FICHE TECHNIQUE : Qu'est-ce que l'équation de Sara Seager ?

Sara Seager est une astronome et planétologue canado-américaine, également professeure à l'Institute of Technology du Massachussetts. Spécialisée dans l'étude des exoplanètes et tout particulièrement de leur atmosphère, elle a écrit de nombreux ouvrages et s'est vue attribuer un prix MacArthur en 2013. Elle développa une équation modifiée de l'équation de Drake, célèbre proposition mathématique concernant certaines branches scientifiques : il s'agit d'un calcul permettant plus précisément de trouver les planètes où la vie pourrait évoluer.

Sara Seager

Cette formule permet de chercher le nombre de planètes ayant une signature gazeuse anormale et pouvant être détectées dans une dizaine d'années. Or, si une planète possède un gaz qui ne devrait pas y être naturellement, c'est qu'une forme de vie le produit probablement. Par exemple, sans la vie sur Terre, il n'y aurait presque pas d'oxygène dans l'atmosphère...

Cette équation alors, quelle est-elle ?

Le coin des démonstrations :
L'équation de Sara Seager est :

avec 7 variables :

• N : il s'agit du nombre de planètes ayant une signature gazeuse anormale
  
• N* : il s'agit du nombre d'étoiles prises en compte dans le calcul
• F_Q : il s'agit de la fraction d'étoiles dites "calmes", s'opposant ainsi aux étoiles ayant une activité météorologique ou gazeuse trop importante, ce qui rend la présence de vie impossible...
• F_Hz : il s'agit de la fraction de planètes rocheuses dans la zone habitable du système étudié
• F_o : il s'agit du nombre de systèmes observables
• F_L : il s'agit de la fraction de planètes avec une forme de vie connue, c'est-à-dire la Terre
• F_S : il s'agit de la fraction de planètes ayant une signature spectroscopique détectable, pour lesquelles il est possible d'observer la composition gazeuse

Cette équation est peut-être la nouvelle clé mathématique concernant la quête d'une vie extraterrestre ! Ainsi, puisqu'il comporte sept variables, dont la valeur peut évidemment différer avec le temps et selon les scientifiques l'utilisant, ce calcul n'est pas totalement fiable. Sara Saeger elle-même se donne une marge d'erreur. Par exemple, N* et F_o sont deux termes de l'équation que évolueront avec les avancées technologiques. Cependant, pour le moment, d'après les calculs de l'astronome, il est probable que l'on découvre deux planètes ayant une signature gazeuse anormale d'ici les dix prochaines années.

Tableau des valeurs actuelles des variables de l'équation

Cette équation se nourrit donc des avancées scientifiques de notre époque.

B) Les intelligences artificielles

          L'intelligence artificielle, souvent notée IA, est considérée comme l'ensemble des théories et des techniques mises en œuvre en vue de réaliser des machines capables de "simuler" l'intelligence. C'est donc un ensemble de concepts et de technologies, et non pas une discipline autonome constituée.

a) La lentille gravitationnelle

          Une étude rapporte que les réseaux de neurones peuvent analyser les distorsions complexes de l'espace-temps que l'on nomme "lentilles gravitationnelles". C'est un terme de l'astrophysique désignant en réalité un mirage gravitationnelle produit par la présence d'un corps céleste massif, comme un amas de galaxies, se situant entre un observateur et une source lumineuse assez lointaine.

          En imprimant un fort champ gravitationnel autour d'elle, la lentille fera dévier les rayons lumineux à proximité, et déformera donc les images reçues par un observateur placé sur la ligne de visée. Un champ gravitationnel est réparti dans l'espace, il est dû à la présence d'une masse susceptible d'exercé une influence gravitationnelle sur un autre corps proche. Si nous sommes dans un cas où l'alignement de la source observée et du corps céleste (qui joue le rôle de la lentille gravitationnelle) par rapport à l'observateur, le mirage peut prendre la forme de ce que l'on appelle un "anneau d'Einstein". Qu'est-ce donc que cet anneau ? Il s'agit en réalité du résultat de la déformation d'une source lumineuse passant à travers une lentille gravitationnelle formée par un corps céleste extrêmement massif, comme, par exemple, une galaxie ou un trou noir. Cette déformation prend alors la forme d'un anneau, d'où le nom. Pour que ce phénomène, nommé en l'honneur d'Albert Einstein, bien sûr, qui est à l'origine de l'existence des lentilles gravitationnelles grâce à sa théorie de la relativité générale, soit visible, il faut que l'observateur, la lentille et la source soient parfaitement alignés, mais aussi que l'observateur soit assez proche du point où l'image de l'objet se forme. La taille de l'anneau d'Einstein est ainsi donnée en radian.

Le coin des démonstrations :

avec :
 la taille angulaire en radian
 la constante gravitationnelle
 la masse de la lentille
 la vitesse de la lumière, soit 3,0 x 10⁸ m/s
 la distance angulaire de la lentille
 la distance angulaire de la source
 la distance angulaire entre la lentille et la source

De plus, la constante gravitationnelle se calcule ainsi :

          Plusieurs mirages gravitationnels ont pu être observé depuis la mise en avant de la relativité générale par Einstein, notamment grâce au télescope spatial Hubble. Ils sont particulièrement présents lorsque nous faisons des clichés de champs profonds de l'univers observables. Leurs effets peuvent même servir à détecter de la matière noire présente dans l'Univers. La matière noire est une catégorie de matière hypothétique permettant de rendre compte d'observations astrophysiques, comme les estimations de la masse des galaxies. Elle serait composée de gaz moléculaires, d'étoiles mortes, de npmbreuses naines brunes, de trous noirs...La matière noire pourrait avoir une abondance jusqu'à cinq fois supérieure à celle de la matière baryonique, constituant environ 27% de la densité d'énergie totale de l'Univers observable !

          Il existe trois catégories de lentilles gravitationnelles, qui sont :

• les lentilles gravitationnelles fortes : elles peuvent produite des images multiples et même des anneaux d'Einstein
• les lentilles gravitationnelles faibles : elles sont plus difficiles à observer que les lentilles gravitationnelles fortes peuvent être produites par des corps célestes de masse plus ou moins grande
• les microlentilles : elles permet d'étudier les objets qui émettent peu, voire pas du tout de lumière.

          Imaginons maintenant qu'une galaxie proche et un quasar lointain se trouvent aligné sur une même ligne de visée dans la même direction du ciel par un pur hasard, un quasar étant une galaxie très énergétique avec un noyau galactique actif. La lumière provenant du quasar est alors particulièrement déviée lors de son passage près de la galaxie. Les rayons lumineux du quasar passant légèrement au-dessus de la galaxie sont donc déviés vers le bas et nous donnent à une image du quasar décalée vers le haut. A contrario, les rayons lumineux qui passent sous la galaxie sont déviés vers le haut et donnent naissance à une image du quasar décalée vers le bas. Ainsi, la galaxie proche donne naissance à plusieurs images de celui-ci en perturbant la propagation de la lumière du quasar. On détermine le nombre total d’images grâce à la forme de la galaxie et la précision de l’alignement.

          De plus, après avoir multiplier les images du quasar, la galaxie va aussi concentrer ses rayons lumineux et produire des images plus brillantes. Cet effet est loin d’être négligeable pour l’astronome qui essaye d’observer des corps très peu lumineux.

Un anneau d’Einstein

b) Une exoplanète découverte par une IA

          La Nasa a annoncé la découverte d'un système solaire semblable au notre en miniature autour de l'étoile Kepler-90, le 14 Décembre 2017. L'intelligence artificielle a alors permis aux astrophysiciens de découvrir une huitième exoplanète dans ce système solaire, qui devient alors le premier système à compter le même nombre de planètes que celles en orbite autour de notre Soleil ! Cette exoplanète rocheuse est baptisée Kepler-90i, et elle est située à 2545 années-lumière de la Terre...un sacré bout de chemin à parcourir, quand même !

          Kepler-90i, environ 30% plus grande que la planète Terre, a été détectée il y a peu, mais est déjà classée dans les planètes inhospitalière, avec une température moyenne de 426°C à sa surface, comme sur Mercure. En effet, elle est beaucoup trop proche de son étoile, dont elle fait le tour en 14,4 jours...Cependant, une autre planète du même système solaire, Kepler-90h, se trouve à la même distance de son étoile Kepler que la Terre du Soleil, d'après la Nasa.. Le système stellaire Kepler-90 est une version miniaturisée de notre système solaire à nous, avec de petites planètes proches de leur étoile qui, en s'éloignant, deviennent de plus en plus grosses. Elles sont cependant beaucoup plus resserrées que dans notre système. Du moins, c'est ce qu'explique Andrew Vanderburg de l'université du Texas à Austin.

          La question que nous nous posons alors est : comment l'intelligence artificielle, ou "réseau neuronal", a-t-elle permis cette découverte incroyable aux yeux des astrophysiciens ? En effet, cette expérience montre que l'intelligence artificielle, en plus d'être un outil moderne, est extrêmement prometteuse pour trouver des signaux plus faibles, notamment des signaux de planètes lointaines. Ainsi, une machine à apprendre de Google a enseigné à un ordinateur à scanner 35 000 signaux d'exoplanètes potentielles captés par le télescope américain Kepler quand une planète passait devant son étoile. Lorsque cet événement se produisait, on pouvait observer une baisse de luminosité de l'étoile. Cette approche a déjà permis de découvrir 2 500 exoplanètes...

Vue d'artiste du télescope Kepler

         Dernièrement, le 2 Février 2018, la Nasa a annoncé une découverte incroyable : les sept planètes du système Trappist-1 sont, comme la Terre, des planètes rocheuses possédant une atmosphère pauvre en hydrogène (un gaz néfaste au développement de la vie) et qui pourraient probablement abriter de grandes quantités d'eau et donc, théoriquement, de la vie ! L'étoile Trappist-1a est une naine rouge "super froide" située à 39 années-lumières de la Terre et découverte en 2005. 

Illustration de la Nasa comparant le système solaire au système Trappist-1

          L'avancée technologique et scientifique est en marche, de nouvelles découvertes ne cessent de se faire tous les jours. Grâce à cette nouvelle technique d'intelligence artificielle imitant la structure du cerveau humain en pouvant classer les informations et apprendre le nombre de découvertes qui devraient encore augmenter d'après les scientifiques. Ils prévoient alors d'appliquer cette incroyable approche au 150 000 étoiles environ scrutées par Kepler pendant quatre ans.

C) La miniaturisation des satellites

          La miniaturisation des satellites consiste à réduire la masse des satellites artificielles et des sondes spatiales, afin de permettre l'abaissement des coûts de lancements et la diminution de l'énergie consommée.

a) Comment est-ce possible

          Comparé à un gros satellite commercial, un nanosatellite est un satellite de petite taille, qui permet de tester à bas coût et rapidement de nouvelles technologies dans l’espace et de collecter des données (observation environnementale…). Une fois la technologie validée dans l’espace, elle pourrait être développée pour les gros satellites, sans risque. Comme pour les téléphones portables, la miniaturisation liée à l’évolution de la technologie va permettre de développer des applications de plus en plus performantes.

• La plateforme : L’ensemble des éléments qui permettent au nanosatellite de fonctionner : la structure mécanique, l’ordinateur de bord « OBC » (le cerveau du nanosatellite), le système de production et stockage d’énergie « EPS » (panneaux solaires, batterie, carte de gestion…), un système de télécommunication (antennes, émetteur / récepteur…). Certains CubeSats, et en particulier les 3Unités, sont aussi équipés d’un contrôle d’attitude, qui permet de les orienter dans l’espace.
• La charge utile, ou l'expérience : Equipement placé à l’intérieur de la plateforme, spécifique à chaque mission et qui va réaliser l’expérience (test de tolérance aux radiations, transfert de données, observation …).
• Survie : L’espace est un environnement hostile. Le nanosatellite doit y survivre durant toute la durée de la mission. Après avoir subi de très fortes vibrations au décollage de la fusée, il doit aussi résister à des températures très élevées face au soleil, au très grand froid à l’ombre, aux radiations extrêmement agressives de l’espace, avec les contraintes du vide de l’espace, qui empêchent les échanges thermiques par convection et qui produisent des dégazages.
• Développement durable : Sa mission terminée, ou en cas de défaillance, il ne doit pas constituer un débris qui puisse endommager les autres satellites ou polluer l’espace. Il faut donc le faire redescendre vers la Terre et se consumer en rentrant dans l’atmosphère. Tous nos nanosatellites sont compatibles avec la loi L.O.S. relative aux opérations spatiales, qui garantie notamment cet aspect de développement durable.

          Prenons pour exemple le nanosatellite Dove de la société Planet, ce nanosat de 10*10*30cm possède un poids d’environ 5kg stabilisé sur 3 axes et ne dispose d’aucune source de propulsion. Sa charge utile se limite à un dispositif optique composé d’une caméra CCD offrant une résolution spatiale comprise entre 3 et 5 mètres. Chaque satellite Dove permet de collecter 2 millions de kilomètres carrés par jour et le satellite complète une orbite en environ 90 minutes. A titre de comparaison, ces petits satellites de quelques kilos seulement offrent aujourd’hui des résolutions d’image bien supérieures au satellite SPOT lancé en 1986 qui pesaient alors 1,7 tonnes.

          La réduction de la taille des satellites permet à la fois de rationaliser les coûts de production mais surtout de mise en orbite grâce à un poids bien inférieur à celui des satellites d’observation traditionnels.

b) Les nanosatellites, nouvelles stars de l'espace

          Depuis quelques années, l’émergence de nouveaux acteurs commerciaux chamboule le monde de l’observation spatiale et semble donner un nouvel élan à ce marché qui, autrefois réservé aux institutions, se démocratise de plus en plus. L’essor des technologies et plus particulièrement de la miniaturisation des satellites permettent à ces nouvelles entreprises de réduire drastiquement les coûts et de mettre en orbite de véritables constellations de satellites.

          La résolution d’image n’est plus le seul argument avancé par les opérateurs, le nombre de satellites qui composent ces constellations permet aujourd’hui des taux de revisite encore inédits et contribue à la mutation des modèles de fourniture d’image traditionnels. Estimé à 3,5 milliards de dollars par Euroconsult, le marché de l’observation spatiale bénéficie d’une croissance annuelle très élevée qui attire de nombreux investisseurs. « Nous croyons qu’il y aura un moment unique où cette industrie va être similaire à ce qui s’est passé, par exemple, dans la navigation », a déclaré Wade Larson, président et chef de la direction d’Urthecast à Vancouver.

          Aujourd’hui, la bataille fait rage entre les différents acteurs de l’observation spatiale qui adaptent leur stratégie pour proposer une imagerie abondante et bon marché. La quantité de données générées par ces nouvelles constellations pousse la sphère privée à se tourner vers de nouvelles solutions automatisées, faisant notamment appel à l’intelligence artificielle, pour proposer des services et débouchés commerciaux innovants. La maîtrise du cycle de vie de l’image, de sa collecte à sa valorisation, de son mode de diffusion semble être aujourd’hui la clef du succès pour démocratiser l’imagerie spatiale au plus grand nombre.

          Pour créer ces nanosatellites, certains de ces nouveaux acteurs ont littéralement pris le contre-pied de l’industrie spatiale traditionnelle en utilisant des techniques de fabrication modernes et industrielles, ainsi que des méthodes de l’électronique grand public pour concevoir les satellites et leurs systèmes de contrôle de mission (X. Pasco 2017). Cette nouvelle approche permet de produire des satellites en série et d’optimiser les coûts comme de faire évoluer rapidement les générations de matériels.

          L’exemple des satellites de l’ancienne société Skybox est également intéressant, pour un volume plus proche de celui d’un mini-frigo et un poids d’environ 100kg, les SkySat offrent une résolution proche du mètre, secondé par la capacité de capturer de courtes vidéos (de 30 à 90 secondes). Récemment acquis par la société Planet, ces satellites viennent compléter la constellation de satellites de la startup pour compléter son offre avec des images de haute résolution.

          Le faible coût d’infrastructure de ces projets incite des investisseurs privés non issus du secteur spatial à investir dans ce secteur prometteur. Le rachat par Google de la société Skybox en 2014 (rebaptisée par la suite Terra Bella puis revendu à Planet en 2017) est l’illustration parfaite de cette tendance. 

Les projets des astrophysiciens

          Les astrophysiciens ne cessent de s'interroger sur les projets du futurs qui leur permettraient de faire passer l'exploration spatiale à la vitesse supérieure ! Nous connaissons déjà les satellites artificiels, ces machines créées par l'Homme pour tourner autour d'une planète, comme par exemple les satellites de communication ou encore les sondes spatiales. Le plus ancien objet artificiel de l'espace a été lancé en 1958 : il s'agit de Vanguard 1, alimenté par des panneaux solaires. Les sondes spatiales, quant à elles, sont des engins spatiaux inhabités qui permettent de visiter virtuellement les corps célestes, comme le Soleil et les planètes qui gravitent autour, certaines lunes et même des astéroïdes et des comètes ! Mais, maintenant que nous savons quels ont été les premiers engins envoyés dans l'espace par le passé, pourquoi ne pas nous intéresser aux projets d'avenir des astrophysiciens ?

          Nous l'avons vu avec les avancées technologiques : la course aux étoiles est lancée. Sondes du futurs, télescopes super-performants, vaisseaux spatiaux...Tout ceci est consigné dans le super-dossier des scientifiques concernant l'avenir de l'Univers...Parce qu'après tout, pourquoi ne pas voir vraiment grand avec des engins ultra-perfectionnés qui nous permettraient un jour de visiter les planètes de notre Système solaire, mais aussi les systèmes planétaires se trouvant dans le reste de notre galaxie ! Tout d'abord, nous donnerons une définition de la colonisation martienne dans une fiche détailles, puis nous nous intéresserons aux sondes et télescopes appartenant aux futurs projets des scientifiques, avant de découvrir les bolides spatiaux de l'avenir et les énergies qu'ils utilisent.

A) FICHE TECHNIQUE : Qu'est-ce que la colonisation de Mars ?

La terraformation de Mars comporte plusieurs étapes à sa réalisation :

• L'état des lieux : Il est très important de connaitre le territoire que l'on souhaite s'approprier nous devons donc établir la situation de la planète...Ainsi, l'atmosphère de Mars a un climat allant de -140°C à 0°C l'hiver à 20°C l'été, sa pression est inférieure à 1% de la valeur terrestre, elle est constituée de gaz carbonique à 95%, d’azote, d’argon et d’oxygène et autres gaz, l'eau est à l'état de vapeur, de nuages de glace ou du brouillard, et elle est animée de fortes tempêtes pouvant durer plusieurs mois. Parmi les vestiges du passé, on a : des volcans éteints, des cratères, des canyons et des lits de rivières asséchés. Ces diverses formations sont chacune regroupées dans un hémisphère donné.
• La modification de l'atmosphère : Mars a une atmosphère bien trop fine pour être propice à la vie, c'est là la mission principale de la terraformation. Les théories plus reconnues sont de : reformer une atmosphère dense, en important de l’eau, ce qui faciliterait les modifications atmosphériques grâce à leurs réactions. L’eau est également primordiale à la vie, le processus inverse est donc envisageable également, importer du méthane ce qui aiderait à établir un effet de serre pour l’atmosphère et permettrait d’augmenter la pression atmosphérique. De plus, ce gaz peut être utilisé pour produire du dioxyde de carbone et de l’eau : CH4 + 4 Fe2O3 ⇒ CO2 + 2 H2O + 8 FeO. La réaction pourra être produite par la chaleur des rayons solaires sur Mars. Le réchauffement climatique est important pour que des vies puissent s’installer sur la planète. Augmenter l’effet de serre est une bonne solution, mais cela implique une atmosphère suffisamment dense, cela se ferait alors après la reconstruction de l’atmosphère. D’après Robert Zubrin, le président de la Mars Society, il suffirait d’une augmentation rapide de 4°C pour lancer le processus de réchauffement qui se prolongerait de lui-même.
• Les limites du projet : Bien évidemment, ce projet à ses limites : la technologie n'est, pour le moment, pas assez évoluée, la masse de la planète Mars et son attraction gravitationnelle sont plus faible que celles de la Terre, car elle est aussi plus petite, les gaz qui sont censés être recréés pourraient ne pas constituer l'atmosphère martienne du fait de la pression qui est trop faible, le champ magnétique, depuis le deuxième bombardement de comètes sur la planète, a disparu, il n'y a donc pas de protection contre les rayonnements et vents solaires, et, enfin, le dernier grand problème relève de l'éthique, certains scientifique trouvent absurde ou immorale cette idée de terraformer Mars.

B) Des sondes et des télescopes de plus en plus performants

          La plupart des découvertes spatiales on eu lieu grâce à ces merveilles technologiques que sont ces sondes et ces télescopes, ceux-ci ne cessent d'évoluer depuis un bon nombre d'années...

a) Le télescope James-Webb, successeur d'Hubble

          Très attendu, le télescope spatial James-Webb est considéré par certains comme le successeur de Hubble. Ayant été mis à l’épreuve, il a récemment complété avec succès les tests préliminaires, avant son lancement définitif.

          Le télescope James-Webb passait il y a quelques jours avec succès les tests de vide cryogénique qui ont au total duré plus de 100 jours, consolidant ainsi les capacités et le potentiel de l’instrument. Lors d’une conférence de presse tenue le 10 janvier 2018 par la NASA, les responsables du Johnson Space Center à Houston ont notamment évoqué ces essais réussis au sein du « plus grand congélateur spatial au monde », tel que décrit par Mark Voyton. Ces expérimentations ont en effet été menées dans la chambre à vide A du centre, qui a notamment servi à la préparation de la célèbre mission spatiale Apollo. Il s’agit d’une installation d’essai de vide thermique qui « aura permis à l’équipe de tester avec succès l’instrument et ses pièces aux températures extrêmes ressenties dans l’espace ».

          Ces tests ont par ailleurs confirmé que tous les miroirs et autres instruments du télescope étaient parfaitement alignés, les 18 segments du miroir primaire fonctionnant tous comme un seul miroir monolithique. Avant de se rendre sur son site de lancement, l’instrument sera prochainement transporté dans un observatoire pour subir des tests environnementaux, c’est suite à ces expérimentations finales que devrait avoir lieu sa mise en service, normalement au début de l’année 2019.

          Les capacités du télescope, 100 fois plus puissant que Hubble, surpasseront donc de loin tout ce qui a été créé auparavant. Ce télescope gigantesque, décrit par Voyton comme « la meilleure machine à remonter le temps au monde », a déjà fait preuve de ses capacités en détectant la lumière d’une étoile simulée pour la première fois. Le sous-système de guidage de précision a non seulement réussi à générer la position de la lumière, mais aussi à suivre son mouvement.

          S’agissant d’un instrument infrarouge, contrairement à Hubble et sa lumière visuelle, le télescope James-Webb nécessite un environnement extrêmement froid, tel celui ressenti dans la chambre à vide. Une fois en orbite, il pourra alors observer la lumière des premiers instants de l’Univers. Il nous donnera également une vision claire des exoplanètes et de leur atmosphère, révélant probablement des mondes semblables à la Terre, qui pourraient tenir la promesse de soutenir une vie extraterrestre. 

b) "Extremely Large Telescope"...tout est dans le nom

          L’astronomie optique (astronomie qui collecte les rayonnements visible et de l’infrarouge proche) est en train d’effectuer un bon fantastique de capacité sur la base de deux technologies nouvelles, l’optique active / adaptative et les miroirs segmentés. En effet ces technologies permettent la construction en cours des ELT (Extremely Large Telescope) qui succèdent ainsi aux grands télescopes des années 1990/2000 du type VLT (Very Large Telescope).

          Nous disposons déjà du LBT (Large Binocular Telescope) et allons d’ici à 2025 pouvoir utiliser les TMT (Thirty Meter Telescope), GMT (Giant Magellan Telescope) et E-ELT (European Extremely Large Telescope). Des sources d’énergies spatiales qui nous sont encore inaccessibles (époque de la réionisation de l’Univers, trou noir galactique) de même que les exoplanètes de taille terrestre des systèmes stellaires proches, nous deviendront ainsi « visibles ».

          Les quatre ELT ont beaucoup en commun même si la progression se poursuit de l’un à l’autre (les TMT et l’E-ELT étant plus évolués que le LBT et le GMT). Il y a eu un saut par rapport à la génération précédente, car à partir des 8 à 9 mètres de diamètre, les grands miroirs primaires monolithiques butent sur de vrais problèmes de réalisation et d’utilisation. La masse, le volume, les variations thermiques, les déformations dues au poids deviennent extrêmement difficile à gérer. Arrivés à cette constatation, les concepteurs des télescopes Keck mis en service en 1993, avaient déjà démontré les possibilités et les avantages des miroirs minces (de 0,5 à 5 cm d’épaisseur) segmentés (hexagones de moins d’un mètre d’apothème). La substitution de ces miroirs aux lourds miroirs concave monoblocs traditionnels n’était évidemment possible que grâce à l’optique active (pour pallier les déformations dues à la masse même des miroirs) puis adaptative (une multitude d’acteurs agissant extrêmement rapidement pour adapter la surface aux perturbations atmosphériques) que les progrès de l’informatique rendaient possible (et qui se sont accélérés). L’avantage de masse, l’avantage thermique, l’avantage de transport et de manipulation sont énormes. C’est donc cette voie que l’on utilise maintenant d’une façon générale, pour continuer à augmenter la taille des miroirs primaires.

          L’instrumentation est semblable dans tous les cas (mais également évolutive vers des capacités de plus en plus remarquables). Il s’agit de caméras extrêmement puissantes, de spectrographes, et d’appareils pour coordonner les ondes collectées, situés sur des plateformes extérieures au tube du télescope. La lumière leur est accessible via un miroir tertiaire mobile de type « Nasmyth » qui renvoie latéralement la lumière (par un orifice ménagé dans la paroi du tube) et qui permet de passer très rapidement de l’un à l’autre du fait de leur disposition sur ces plateformes.

Visualisation de l'E-ELT

Visualisation du LBT

Visualisation du GMT

Visualisation du TMT

C) Les bolides galactiques, des projets de plus en plus fous...

          Si un jour on veut visiter les systèmes solaires de notre galaxie, il va nous falloir de vrais bolides spatiaux, qui seront capables d'avaler les milliards de kilomètres nous en séparant...Et ces engins galactiques futuristes, bien que toujours imaginaires, ne sont pas seulement des concepts de la science-fiction...

a) Le vaisseau carburant à l'antimatière

          L'antimatière a déjà été nommée "énergie du futur" dans les œuvres de sciences fictions, mais l'idée de fabriquer un vaisseau se propulsant à vitesse incroyable grâce à ce carburant n'en est pas moins scientifique. Au contraire, c'est un projet bien réel, même si, malheureusement, il est quasiment (pour ne pas dire totalement) impossible pour nous, pauvres mortels de notre génération, de voir un jour ce projet se réaliser sous nos yeux...Comment fonctionnerait donc ce vaisseau spatial ?

          Tout d'abord, intéressons-nous à ce que représente l'antimatière. Il s'agit bien du "côté obscur de la matière" ! Plus précisément, chaque particule formant nos atomes de matière, comme les protons et les électrons, possède un double d'antimatière, dont les propriétés sont inversées. C'est le même principe que si nous nous regardions dans un miroir : nous représentons la matière, tandis que notre reflet symbolise l'antimatière. C'est pour cela que l'antiparticule de l'électron (dont la charge est environ -1,6.10^-31C), est appelée le positon. Il garde la même masse (d'environ 9,1.10^-31), mais leur charge électrique est inversée : négative pour l'électron, elle devient positive pour le positon. Normalement, il devrait y avoir autant d'antimatière que de matière dans l'Univers alors, me direz-vous...Après tout, il n'y a aucune raison pour que l'une se soit formée plus que l'autre lors du Big Bang (phénomène marquant l'apparition brutale de l'Univers il y a 13,8 milliards d'années). Or, l'antimatière a quasiment...disparu ! Elle n'apparaît que parmi les résidus de certaines désintégrations de particules, et toujours de manière fugace...Et c'est là un des plus grand mystère de la physique ! Alors, si nous voulons disposer de l'antimatière, il va falloir que nous en fabriquons...

          Autant le dire tout de suite : ce ne va pas être de tout repos ! Nous ne sommes pas encore au niveau de Star Trek, avec son fabuleux Enterprise, vaisseau fonctionnant depuis longtemps à l'antimatière, mais nous savons déjà quelles sont les qualités de ce carburant. Avec seulement 20 kg d'antimatière, il est possible d'envoyer une sonde d'une tonne à une vitesse de 130 millions de kilomètres par heure ! Vous imaginez un peu : un voyage jusqu'à Proxima du Centaure ne durerait qu'un peu plus de 40 ans (Proxima du Centaure est l'étoile la plus proche de nous, située à 41 000 milliards de kilomètres...). Mais comment cela est-il possible ? Et bien, grâce à la rentabilité de l'antimatière bien sûr ! Je m'explique : lorsqu'une particule d'antimatière rencontre une particule de matière, elles se convertissent spontanément en énergie dite "pure", grâce à la formule E = Mc². C'est le même principe que celui de la bombe atomique : un simple gramme d'antimatière suffit à déclencher une explosion semblable à celle qui détruisit la ville d'Hiroshima au Japon, en 1945...

          Il est possible de fabriquer l'antimatière dans ce que l'on appelle des collisionneurs de particules, ces appareils qui "cassent" la matière afin d'étudier les composants fondamentaux (un exemple de collisionneur est le LHC, ou Large Hadron Collider, en Suisse). Il est alors inutile de préciser la dangerosité de l'antimatière : une fausse manipulation, et ce n'est pas seulement la Terre, mais tout le Système solaire qui s'éparpillera dans la galaxie à la manière d'un puzzle...Pour que l'engin du futur puisse être fonctionnel, il faudrait donc éviter de le faire démarrer à l'antimatière quand il est encore à la surface de notre planète...C'est pour cela que les physiciens proposent d'envoyer en orbite le vaisseau à bord d'une fusée classique, avant de le laisser fabriquer son carburant à petite dose tout au long du trajet vers Proxima du Centaure...Quitte à choisir entre l'explosion du Système solaire ou un décollage un peu moins spectaculaire, nous imaginons que la réponse est déjà toute trouvée...

          Comment faire alors jaillir des antiparticules du vide ? Pour cela, il suffirait de délivrer une puissance de l'ordre de 10-29 watts en un point de l'espace à l'aide de lasers, ces faisceaux lumineux très énergétiques. L'énergie apportées se transforment alors en gerbe de particules et d'antiparticules associées. Un fois l'antimatière produite, pas question de la mettre dans un réservoir ! On va alors la manipuler à distance en l'utilisant comme un propulseur. Il ne nous reste alors qu'à produire assez d'énergie avec des lasers, comme avec Apollon, l'un des plus puissants faisceaux lumineux du monde en cours d'installation en France. Est-ce alors un premier pas vers les étoiles ?

          Ainsi, on peut insister sur l'idée que le vaisseau carburant à l'antimatière n'est pas purement fictive : le simple fait que la bombe atomique est un jour vue le jour nous montre que tout n'est pas impossible. Cependant, pour le moment, il est certain que la seule chose astronomique dans l'antimatière n'est pas sa quantité mais...son prix ! 9 000 milliards d'euros environ pour un gramme, on a comme l'impression que le prix du billet sur notre futur Enterprise ne sera pas très bon marché...

Image de synthèse du vaisseau marchant grâce à un

anticarburant : l'Enterprise de Star Trek

b) La voile solaire

          Naviguer à la voile solaire, comme dans La planète aux trésors de Disney, ce n'est peut-être pas une idée si fabuleuse finalement...On a du mal à y croire, et pourtant, les astrophysiciens se penchent sérieusement sur la question. Vous êtes vous déjà imaginé un jour crier depuis le vide intersidérale "Hissez la grande voile ! Cap vers les étoiles !" ? Non ? Nous oui...Comment serait-ce possible ?

          La voile solaire permettrait à un vaisseau spatial de voyager à plus de 50% de la vitesse de la lumière (50% de 300 000 km/s, soit 540 millions de km/h)...Et pas la peine d'attendre que le vent se lève (de toute manière, dans l'espace, il n'y en a pas) : il suffira simplement de se servir de la lumière, que l'on nomme alors le "vent" de photons. Pour cela, un photon frappant la voile lui transmettrait sa propre quantité de mouvement, qui correspond à l'énergie du photon divisée par la vitesse de la lumière. Si la voile est noire, le photon disparaît, cédant son énergie et sa quantité de mouvement à la voile qui avance alors. Si, au contraire, la voile est réfléchissante, le photon repart en sens inverse sans céder d'énergie, et avec une quantité de mouvement inverse, un peu comme une balle rebondissant contre un mur...

C'est donc à la manière des molécules d'air heurtant la voile d'un navire que les photons vont communiquer de l'énergie en frappant celle de notre vaisseau. Seule la taille diffère, car les photons n'ont pas de masse, mais de l'énergie que nous devons récupérer pour avancer. Petit problème : cette énergie est infime. Il faudra donc, pour un tel projet que notre futur bateau spatial, une grande quantité de photons et des voiles de grande taille.

          La première idée pour mener à bien le projet serait de se servir de l'énergie produite par le Soleil, qui nous permettrait alors d'explorer le Système solaire tranquillement, grâce à ses photons fiables et gratuits. Cependant, ce ne serait pas suffisant pour quitter notre système, car la lumière commence à se raréfier après que nous ayons passé Jupiter. C'est pour cela que les chercheurs ont émis l'hypothèse d'utiliser un laser pour gonfler la voile. Bien que moins puissant que le Soleil, son rayonnement lumineux sera moins dispersé et se concentrera sur un seul point. Il faudra alors mettre notre énorme laser en orbite autour de la Terre avant de pouvoir gonfler la voile...Sauf que ce laser ne s'alimentera pas tout seul ! Pour lui fournir l'énergie dont il a besoin, il lui faudrait être alimenté par plusieurs centrales nucléaires. De plus, malgré l'immensité de la voile (des centaines de kilomètres carrés), la précision du laser n'est pas à négliger : il sera très difficile de viser notre vaisseau à plus de 4,3 années-lumières.

          Ainsi, en 2010, l'agence spatiale japonaise, la Jaxa, a déployé dans l'espace une voile de 200m² faite en résine ultrafine, réfléchissante et légère (elle pèse seulement 15 kg) nommée Ikaros. L'agence voulait alors montrer que la voile pouvait être propulsée par les photons solaires...Et ça a marché ! Elle a subi une pression équivalente à celle exercée par un objet d'un dixième de gramme. Depuis, évidemment, la voile solaire a "le vent en poupe". Cette année 2018, nous savons que la Nasa envisage d'expédier un minisatellite à l'aide d'une voile vers un astéroïde. Quant au milliardaire Iouri Milner, il a mis 100 millions d'euros dans la création de la première sonde capable, dans 20 ans, d'aller sur Proxima du Centaure à l'aide d'une voile propulsée au laser. Nous avons déjà vu le principe de la miniaturisation des engins spatiaux...La prochaine étape, lorsque nous serons parvenus à expédier des sondes spatiales vers d'autres systèmes solaires, sera d'y envoyer des êtres humains...

Image de synthèse de la future voile solaire

          En conclusion, la voile solaire est une idée fortement appréciée par les astrophysiciens, notamment parce que, contrairement, par exemple, au vaisseau carburant à l'antimatière, son carburant n'est pas totalement inconnu. Peut-être voyagerons-nous un jour à bord d'un vaisseau volant vers d'autres cieux, à la manière du Capitaine Crochet dans Peter Pan. Mais pour le moment, nous nous contenterons d'observer les étoiles à travers des télescopes toujours plus performants, rêvant d'aventure sur les ponts de l'USS Enterprise...

Une Terraformation

Vidéo entièrement créée par Elsa-Lou KERGOSIEN et Tonia RHINO

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