Y a-t-il vraiment une « face cachée » à notre fascination pour Mars ?

Il y a sans doute une « face cachée » à certaines « fascinations » se portant sur des objets considérés à première vue comme admirables ou enthousiasmants mais qui en fait sont fondés sur des réalités inavouées et inavouables. Pour ce qui concerne la “fascination” pour Mars, je ne vois vraiment pas pourquoi ce serait le cas, en particulier si on se place sur le plan économique.

NB : Cet article est, comme les lecteurs attentifs du Temps l’auront compris, une réponse à l’article de Sophie Swaton paru le 2 août sur son blog hébergé comme le mien par Le Temps, dont le titre est « La face cachée de notre fascination pour Mars ».

En première remarque liminaire je voudrais d’abord dire que je n’aime pas ce « notre » employé par Ms Swaton. Je ne sais pas qui se cache derrière cet adjectif possessif collectif. Je ne pense pas qu’il y ait eu d’étude statistique sur le sujet de la fascination pour Mars, comportant en particulier des questions sur les motivations. Si une ou plusieurs existent, je serais intéressé de le savoir. Je pense plutôt que l’auteure attribue à cette population de personnes « fascinées » (quelle que soit son importance numérique), des motivations qu’elle-même suppose, à titre purement personnel. Je pense de mon côté, pour avoir fréquenté beaucoup de partisans de l’établissement de l’homme sur Mars, que les motivations des uns et des autres sont diverses, correspondant à leurs connaissances et à leur formation intellectuelle mais je ne pense pas que celles avancées par Ms Swaton soient dominantes, loin de là, comme développé ci-dessous.

En seconde remarque liminaire je dirais que j’ai été surpris par l’argument économique que l’auteure met en avant. Elle invoque en premier lieu la motivation « commerciale » (laissant sous-entendre que l’argent n’est pas loin et que répondre à une telle motivation « c’est mal »). Je suis moi-même économiste et je comprends donc très bien que tout projet ne puisse se développer sans financement mais je ne pense pas du tout que la première préoccupation des personnes qui sont intéressées par Mars, soit d’ordre économique (dans le sens recherche de la maximisation d’un profit en dehors de toute autre considération) même chez les grands capitalistes américains qui investissent actuellement dans des projets d’installation humaine. Je pense plutôt que la préoccupation économique est accessoire, un moyen pour obtenir une fin (je ne dirais pas la même chose concernant l’exploitation minière des astéroïdes géocroiseurs). L’auteure invoque ensuite le risque de « marchandisation ». Ce risque qui recouvre sans doute (d’après sa conception ?) tout excès du marché, s’applique bien mal au processus d’exploration puis à la réalisation du projet d’établissement de l’homme sur Mars. Pour qu’un tel projet puisse être mené à bien il faut évidemment un moteur économique mais il n’implique pas du tout qu’on fasse entrer les individus « consommateurs » dans un système où de méchants entrepreneurs les forceraient à acheter des produits dont a priori ils n’ont nul besoin*. C’est pour moi un tout autre sujet.

*Même si le progrès technologique peut créer de nouveaux besoins (cf. par exemple le laser ou l’informatique) mais je n’envisage pas qu’on puisse interdire le progrès technologique (l’auteure le pense-t-elle ?). De toute façon ce progrès n’a de réponse dans le public que si ce même public veut bien y répondre. Il y a des innovations qui n’ont jamais « pris » ou pas tout de suite (mécanisme d’Anticythère ou voiture électrique, pour exemples).

Je vais maintenant dire (ou rappeler pour ceux qui me lisent régulièrement) pourquoi je pense qu’on puisse être intéressé par Mars.

La première raison c’est la curiosité. Je ferais remarquer que c’est d’ailleurs le nom (« Curiosity ») choisi par une jeune Américaine, Clara Ma, en 2009 pour le « rover » (laboratoire mobile) qui s’est posé dans le Cratère Gale en août 2012 et qui depuis l’explore sans relâche. La curiosité, « toute bête », c’est simplement regarder ailleurs, tenter de voir ce qui est nouveau, ce qui peut être différent ou semblable, observer. C’est un sentiment profondément humain et cela a été le moteur de bien nombreuses entreprises, indépendamment des profits qu’on pouvait en tirer.

La deuxième raison c’est la science. Elle est évidemment très proche de la première mais quand même distincte. Il s’agit de réfléchir sur les observations pour les comprendre et éventuellement en tirer des applications (ou se poser d’autres questions !). Mars en tant que planète rocheuse à la limite de la zone habitable de notre système solaire, est un sujet d’étude passionnant pour tenter d’avancer sur le sujet qui devrait tous nous captiver, celui des origines de la vie, à savoir ce qui a pu se passer sur le plan biologique ou pré-biotique sur une planète semblable à la nôtre entre -4,2 et -3,5 milliards d’années, lorsque sur Terre sont apparues les premières cellules vivantes. Mars a gardé, peu perturbés (seulement par le vent d’une atmosphère peu dense), des millions de km2 remontant à ces temps très anciens alors que sur Terre ils ne représentent que quelques hectares épars à la surface du globe en raison du volcanisme, de la tectonique des plaques et de l’érosion aqueuse sous toutes ses formes. Cela vaut la peine d’aller voir et d’insister dans nos recherches.

La troisième raison c’est la satisfaction de maîtriser le monde matériel qui nous entoure. C’est tout le plaisir de l’ingénierie, de l’élaboration des processus complexes pour résoudre des problèmes difficiles. On pense tout de suite à la propulsion, aux trajectoires, aux constructions des facilités nécessaires pour vivre, à la captation de sources d’énergie. C’est classique. Mais on est obligé en même temps de penser au fonctionnement des systèmes de support-vie avec contrôle de l’équilibre des gaz atmosphériques, contrôle microbien et au recyclage d’un maximum de biens tangibles que l’on ne pourra que très difficilement produire sur place. Je pense que l’interpénétration obligatoire des deux lignes de réflexion, mettra en évidence la fragilité de la vie et contiendra naturellement notre emprise sur Mars à l’intérieur de limites étroites en nous imposant à la fois le respect d’une planète pauvre et peu hospitalière et le respect de la matière transformée (recyclage absolument impératif).

La quatrième raison c’est la pulsion de vie qui anime tout être vivant depuis l’« éclosion » de la première bactérie et qu’Antonio Damasio appelle joliment l’homéostasie*. L’homme est arrivé par son seul nombre mais aussi par la dépense sans compter des ressources de la planète, à menacer la pérennité de la biosphère terrestre y compris lui-même. Beaucoup de nos contemporains luttent pour maîtriser la dérive actuelle qui peut conduire à la mort mais il y a une force d’inertie énorme qui rend incertain le succès final, c’est-à-dire le retour à un équilibre acceptable pour que la vie humaine continue sur Terre dans des conditions également acceptables. Dans ce contexte, l’homme fait ce que fait la moindre bactérie, il se protège et cherche toutes les solutions possibles pour survivre en tant qu’espèce, et parmi celles-ci il y a Mars. L’implantation sur cette planète n’est pas évidente mais le niveau technologique que nous avons atteint nous permet d’essayer. Pourquoi ne pas le faire ? Pourquoi ne pas tenter cette « bouture » et commencer maintenant car elle sera longue et difficile à prendre? Cela n’empêche en rien de continuer à tenter de sauver la Terre, bien au contraire.

*Antonio Damasio, « The Strange Order of Things. Life, Feeling and the Making of Culture », 2017, Pantheon Books.

Après ce rappel je concède volontiers que si l’homme parvient à s’implanter sur Mars grâce à sa maitrise des technologies, il devra bien entendu s’y maintenir en faisant fonctionner un système économique. Mais pourquoi, a priori, ce système serait-il malsain ? On peut imaginer qu’il permette simplement à chacun de satisfaire ses besoins matériels en échange d’un travail qui le rémunérera à hauteur de l’intérêt que la communauté verra dans sa contribution, par le jeu normal de l’offre et de la demande (NB : cela n’exclut pas le profit individuel, comme récompense et incitation à la prise de nouveaux risques). Par ailleurs, il ne faut pas fantasmer sur un risque d’épuisement des ressources matérielles de Mars pour alimenter les besoins matériels des Terriens, ni sur une implantation des Terriens sur Mars pour en faire une usine de la Terre ce qui risquerait d’épuiser les ressources de Mars. Le coût des transports interplanétaires restera très longtemps (« toujours » ?) prohibitif pour toute matière première et pour la quasi-totalité des produits fabriqués en raison essentiellement des contraintes imposées par les puits gravitationnels terrien et martien. Il y aura des échanges avec la Terre mais ils porteront sur des process, des logiciels, des brevets, des données, des images, des productions intellectuelles. Ces productions auront par leur nature même un impact extrêmement réduit sur l’environnement martien ou terrestre. Par ailleurs, compte tenu de son environnement, quand même très hostile et, toujours, du coût du transport, Mars ne sera jamais une soupape pour la démographie Terrienne. Il faudrait plutôt considérer la planète comme une nouvelle Islande, surface importante, petite population, grands espaces laissés vierges.

Donc la « face-cachée » de notre fascination pour Mars, je ne la vois vraiment pas dans l’avidité supposée de certains de vouloir à tout prix (écologique) gagner plus d’argent. La société martienne aura sans doute des défauts comme toute société humaine et elle connaîtra des accidents de fonctionnement, mais le milieu étant plus hostile, les sanctions de toute dérive seront plus sévères et les Martiens sachant cela devront être beaucoup plus précautionneux que les Terriens l’ont été. On peut dire pour ceux-ci qu’ils ne se rendaient pas compte et pour ceux-là que le risque local et l’expérience ne les inciteront ni à la débauche ni à la destruction. Désolé Ms Swaton, je crois que vous appliquez une problématique trop terrienne (celle de l’inertie de la dérive anti-ecologique de notre civilisation dans un milieu fermé) à un contexte vraiment différent et nouveau. Peut-être votre conception des motivations de notre « fascination pour Mars » (pour reprendre vos termes) repose-t-elle sur une représentation trop datée (celle de romans de science-fiction du milieu du 20ème siècle ? ). Pour moi et, me semble-t-il, pour ceux qui partagent mon « envie de Mars », cette planète est plutôt une façon de « voir la Terre autrement » en imposant son respect, car elle met en évidence sa richesse naturelle, son caractère précieux, peut-être unique, et sa douceur, tout en ouvrant notre horizon.

Image à la Une: Vue d’artiste du rover Spirit sur Mars (crédit NASA/JPL-CalTech).

N’oubliez notre congrès EMC18 (18th European Mars Convention) au Musée International d’Horlogerie (MIH) de la Chaux-de-Fonds, du vendredi 26 octobre (14h00) au dimanche 28 Octobre (12h00). Tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur Mars au long de 24 exposés de spécialistes sur (1) la Planète, (2) le Temps, (3) le Voyage interplanétaire et (4) l’installation de l’homme (en Anglais). Nous aurons aussi un débat avec Claude Nicollier et Robert Zubrin sur le thème “Robots and Men on Mars under the Look of Time”. Vous pouvez encore vous inscrire.

Le télescope NuSTAR a ouvert nos yeux sur les rayonnements X durs de l’Univers

Le télescope NuSTAR (NUclear Spectroscopic Telescope Array) de la NASA observe le ciel dans la gamme des rayons X depuis 2012. Au-delà de Chandra (NASA) et de XMM-Newton (ESA) lancés en 1999 et qui ont observé les émissions de rayons-X « mous », il nous a ouvert le domaine des rayons X « durs », et comble le « gap » entre les capacités de ces télescopes et celles du télescope Fermi qui collecte les rayons gamma. Cette prouesse est due à la réalisation d’un instrument remarquable, utilisant des technologies à l’extrême limite de l’optique. Il complète ainsi notre capacité d’appréhension de l’Univers à hautes énergies, indispensable à notre connaissance et à notre réflexion pour tenter de le comprendre. Sa mission étendue se termine comme celle de Fermi, en 2018 mais il n’est pas exclu que la NASA décide de la poursuivre encore plus longtemps.

Les rayons X, découverts par Röntgen en 1895, se situent dans le spectre des rayonnements électromagnétiques, entre les rayons ultraviolets et les rayons gamma. Ils sont constitués de photons dont la longueur d’onde va d’un peu plus de 0,001 nanomètres (1 picomètre) à environ 10 nanomètres; leur longueur d’onde va de 30 petahertz (1015Hz) à 30 exaherts (1018Hz) et leur énergie, d’une centaine d’eV à environ 100 keV. Ils sont dits « mous » jusqu’à 10 keV et « durs » au-delà. Pour comparaison les rayons gamma ont des longueurs d’onde inférieures au picomètre et leur énergie va de quelques keV à plusieurs centaines de GeV. Les émissions de rayons X peuvent provenir des amas de galaxie, des trous noirs, des rémanences de supernovæ, des étoiles (même celles de type solaire), des étoiles binaires avec naine blanche, des étoiles à neutrons… Certains corps passifs peuvent même émettre ou plutôt ré-émettre des rayons X par réflexion (la Lune). Bien entendu plus le phénomène est énergétique plus le rayonnement X est « dur » (courte longueur d’onde et haute énergie)*.

L’idée de détecter les sources émettrices dans l’espace de ces rayons X est venue très tôt, dès le début de l’ère spatiale (1962, fusée sonde Scorpius) et s’est beaucoup développée (plusieurs dizaines de télescopes à capacité X depuis lors). Cela s’explique par (1) l’intérêt de connaître ces sources puisqu’elles sont des facteurs majeurs de structuration de la matière et (2) la capacité de ces rayonnements à être perçus séparément de la lumière visible et donc à ne pas y paraitre « noyés »…le problème étant que l’atmosphère terrestre fait écran à ces rayonnements et qu’il faut donc en sortir pour les observer.

Mais les longueurs d’onde à capter sont très courtes, plus courtes que la distance moyenne entre les atomes d’un bloc de verre, et on ne peut donc utiliser les miroirs classiques perpendiculairement à la source car les rayons les traverseraient. La solution imaginée (pour les microscopes !) par le physicien Allemand Hans Wolter en 1952, est de recueillir ces rayons en lumière rasante, par deux miroirs (parabolique et hyperbolique) peu absorbants, dirigeant progressivement le rayon vers un foyer du fait de leur très légère courbure. Le résultat est un instrument dit « télescope Wolter » (types 1,2 ou 3) en forme de « tonneau » dont les miroirs sont tournés vers l’intérieur et exposés aux rayonnements avec une pente très forte. Chandra et XMM-Newton utilisaient déjà un tel télescope mais les ingénieurs concepteurs de NuSTAR (le P.I. en est Fiona Harrison de CalTech), l’ont beaucoup perfectionné puisque NuSTAR étend notre visibilité à quasiment l’ensemble des rayonnements X durs. Pour obtenir ce résultat, le télescope présente des particularités / innovations, à trois niveaux : les miroirs, la surface focale et le « mât » :

Les rayons sont réfléchis successivement par deux séries, en suite, de miroirs quasi cylindriques (« coques »). Les cylindres sont plus précisément des cônes tronqués, de telle sorte que le rayonnement puisse être dévié vers la surface focale. Compte tenu de son inclinaison chaque miroir n’offre qu’une toute petite surface de collecte. Pour l’augmenter et pouvoir la répartir à la surface du récepteur focal, les miroirs cylindriques sont multipliés (138 miroirs au total dans NuSTAR) et emboités les uns dans les autres (ils restent accessibles aux rayons puisque la lumière doit être « rasante » à leur surface). Leur verre très spécial (titane + verre + résine époxy + graphite) n’est pas recouvert de métaux à forte densité (et donc réfléchissant) comme ceux de Chandra ou de XMM (Platine, Iridium et Or) mais d’un revêtement multicouches (jusqu’à 200 !) qui alterne des matériaux à forte densité (Tungstène, Platine) avec d’autres à faible densité (Silice, Carbone, Carbure de silicium), c’est l’application du « principe du miroir de Bragg », selon lequel l’alternance des indices de réfraction dope la réflectivité. C’est ce « cocktail » qui évite l’absorption des rayons durs (au-delà de 10 keV) et permet d’aller jusqu’à 78,4 keV, niveau où le Platine absorbe plutôt qu’il ne réfléchit les rayons. Mais quasiment 79 keV c’est déjà beaucoup et cela permet de chevaucher la gamme d’énergies des rayonnements captés par Fermi. L’entrée des miroirs est protégée dans la ligne de visée, par deux couches minces de polyimide pour les isoler thermiquement. NuSTAR est équipé de deux miroirs tonneaux ainsi composés, positionnés côte à côte, les deux renvoyant vers le même plan focal pour plus de précision, avec l’angle maximum permis par leur réflectivité et leur courbure. Cela donne une distance focale minimum de 10,15 mètres. C’est beaucoup pour un satellite qu’il fallait transporter dans une capsule à volume réduit. Pour résoudre le problème, les ingénieurs ont imaginé un « mât » télescopique qui relie les deux miroirs tonneaux au plan focal et ils l’ont déployé avec succès une fois NuSTAR en orbite.

Le plan focal présente une autre innovation, capitale. Compte tenu de l’énergie du rayonnement, on utilisait jusqu’à présent (et en particulier pour Chandra et XMM) un dispositif complexe de protection qu’on appelle un « masque codé », c’est-à-dire un masque opaque aux rayons-X mais percé de trous et on utilisait l’ombre portée (passant par les trous) apparaissant lors des impacts pour lire leurs traces. L’image était indirecte et le traitement difficile. L’innovation de NuSTAR est d’utiliser une batterie de détecteurs composés de quatre semi-conducteurs (de type cadmium-zinc-tellures) qui « acceptent » les hautes énergies et permettent le traçage en direct des rayons, avec beaucoup de précision. Ils mesurent le moment de l’arrivée, l’énergie et la direction de chaque rayon-X incident. Il y a une batterie de détecteurs à chaque foyer de chacun des deux « tonneaux » de miroirs. L’ensemble est protégé par une coque en cristaux de iodure de césium (fabriqué par Saint-Gobain) qui écarte tout rayonnement ne provenant pas de la ligne de visée.

Le satellite lui-même n’a rien d’extraordinaire. Il orbite la Terre à une altitude relativement basse (LEO), stabilisé sur trois axes et s’oriente sur la voûte céleste grâce à une caméra de visée (80% du ciel est accessible à tout moment). Une de ses originalités est qu’il ne dispose que d’un seul volet de panneaux solaires, orientable. Sa masse n’est que de 360 Kg. Il est vrai que pour la NASA ce n’était qu’une « SMEX » (Small Explorer Mission = petit prix et pas de difficulté astronautique). Comme d’habitude le projet (sélectionné en 2003) a connu plusieurs vicissitudes avant le lancement (2012). A noter que la quasi-totalité des participants sont des entreprises américaines (exception faite de la société française ci-dessus et d’une société danoise pour la caméra d’orientation).

L’objectif de NuSTAR était d’observer l’activité des AGN (noyaux actifs de galaxies) précédemment cachés par leur environnement, pour mieux examiner la source des jets relativistes de particules à partir des trous noirs supermassifs ; étudier la population des objets compacts de notre galaxie émetteurs de rayons-X (par exemple naines blanches, étoiles à neutrons ou trous noirs) et bien sûr notre trou noir central, en cartographiant la région centrale « SgrA » (Sagittarius A) ; d’étudier les radiations dans les rémanences de supernovæ récentes (continuum de radiations X dures), en même temps que les éléments lourds récemment synthétisés et expulsés, pour mieux comprendre le processus de la nucléosynthèse.

Les résultats ont été à hauteur des attentes, de nombreux pulsars ou blazars identifiés et examinés en détails, des supernovæ comme Cassiopée-A mieux comprises, l’environnement de notre trou noir, SgrA, pénétré, des rémanences de “sursauts gamma” (prodigieux flashs célestes émettant un cocktail de particules à haute énergie) analysés. Comme avec Fermi, maintenant que nous pouvons disposer dans l’espace de « toute la gamme » d’observations, il est particulièrement intéressant de rapprocher celles d’un télescope opérant dans une certaine gamme de longueurs d’ondes (par exemple le visible) avec celles d’autres télescopes opérant dans d’autres longueurs d’ondes (par exemples les plus courtes, comme NuSTAR ou Fermi).

En considérant ce télescope après les autres on ne peut qu’être confortés dans le sentiment que nous vivons une véritable révolution dans le domaine de l’astronomie. Nos chercheurs ont aujourd’hui accès à des instruments dont la génération active à la fin du 20ème siècle ne pouvait que rêver. Il faut en être conscients, s’en réjouir et s’en émerveiller. C’est le résultat du progrès technologique accéléré de ces dernières décennies, dans de nombreux domaines et…cela permet de continuer à rêver à d’autres découvertes.

NB: l’article a été soumis pour relecture à la NASA (par l’intermédiaire de Felicia Chou, contact media pour ce télescope).

Image à la Une : vue d’artiste du satellite télescope NuSTAR en orbite (crédit NASA/JPL).

Image ci-dessous (1) : schéma du dispositif optique de NuSTAR (crédit CalTech).

Image ci-dessous (2) : un des deux miroirs tonneaux en cours de montage. Vous voyez la tranche du collecteur (en noir sur l’image) par lequel est attendu le passage des rayons X (crédit Laboratoire Nevis de Columbia University). L’intérieur du “tonneau” est un empilement de miroirs (comme ceux que l’on voit à l’extérieur) séparés par un très petit interstice…quand même suffisant!

Image ci-dessous (3) : détecteur, photo de l’un des deux modules du plan focal (crédit CalTech).

Image ci-dessous (4) : étendue du rayonnement X couvert (défini par la courbe rouge). Vous noterez la différence avec les autres télescopes (crédit NASA, Goddard Space Flight Center).

Image ci-dessous (5) : reste de l’étoile Cassiopée A après supernova. Les rayons X durs, radioactifs (NuStarr) sont en bleus, les rayons X mous non radioctifs (Chandra) en rouge, jaune et brun (crédit NASA/JPL-Caltech/CXC/SAO.

Lien : https://www.nustar.caltech.edu/news

Lecture: https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/nustar/nustar_obsguide.pdf

Rappel:

“EMC18”, la 18ème “European Mars Conference”, aura lieu au Musée International d’Horlogerie de la Chaux-de-Fonds, du 26 au 28 octobre. Pour mettre à jour vos connaissances sur Mars, le Voyage, les projets d’établissement de l’Homme sur cette planète*, renseignez vous – inscrivez vous: https://planete-mars-suisse.space/fr/emc18

*exposés en Anglais

Le télescope Fermi fête ses dix ans, il a transformé notre perception de l’Univers

Le télescope spatial Fermi a été lancé en juin 2008 par la NASA pour une mission initiale de 5 ans afin de collecter les rayons gamma traversant notre environnement et d’identifier leurs sources. En Août 2013 il est entré dans une mission étendue de 5 ans qui maintenant touche à sa fin. Il a à son actif une moisson éblouissante d’observations inédites.

Situés à une des extrémités du spectre électromagnétique, les rayons gamma cosmiques, rayonnement à très hautes fréquences de photons à très courtes longueurs d’onde, ont une très haute énergie et sont produits par les situations ou les événements les plus violents de l’univers*. Ils sont cependant presque complètement arrêtés par l’atmosphère terrestre et on a donc cherché à observer leurs sources en utilisant des télescopes spatiaux, le dernier en date étant Fermi (d’après le nom du physicien italien Enrico Fermi, pour rendre hommage à son hypothèse sur l’accélération des particules cosmiques).

*Fréquences montant à plus de 30 exahertz, longueurs d’onde inférieures à 1 picomètre, énergie montant à plus de 500 GeV. Ils proviennent de sources relativement stables, pulsars, AGN (Noyaux Actif de Galaxies) se manifestant sous forme de blazars (jets relativistes produits par des trous noirs supermassifs) ou d’émissions soudaines et de courte durée, produites par des événements, « GRB » (« Gamma-Ray Bursts » ou sursauts gamma), notamment du fait de l’effondrement gravitationnelle d’étoiles géantes (hypernovæ) pour les GRBs longs et fusions d’étoiles à neutrons pour les GRBs courts. A noter que les photons gamma sont rares (3 photons par seconde détectés par Fermi alors que les rayons cosmiques – « GCR » – sont 100 fois plus nombreux).

Comme tous ces merveilleux instruments que sont les télescopes modernes de haute technologie, Fermi est le fruit d’une vaste coopération internationale sous la direction d’un initiateur puis maître d’œuvre. Ici, la NASA a mené la conception et la réalisation de Fermi avec le concours du département américain de l’énergie (DOE) et de la France*, ainsi que de l’Allemagne, de l’Italie, du Japon, de la Suède et de diverses sociétés américaines.

*Les entités françaises ayant participé à Fermi sont le Centre d’Etudes Nucléaires de Bordeaux-Gradignan (« CENBG »), le Laboratoire Leprince-Ringuet de l’Ecole Polytechnique, le Laboratoire Univers et Particules de Montpellier, le Service d’Astrophysique du Commissariat à l’Energie Atomique, soutenus par le CNES.

Compte tenu des rayonnements qu’il cherche à capter, Fermi n’a pas de lentille ni de miroir, ce n’est donc pas un « télescope » au sens strict du mot mais plutôt un capteur de rayonnements électromagnétiques. Il est équipé principalement, d’un collecteur orienté comme un télescope (« LAT » pour « Large Area Telescope ») et secondairement, d’un détecteur multidirectionnel de sursauts gamma (« GBM » pour « Gamma-ray Burst Monitor »). A noter qu’à l’origine, jusqu’à sa mise en service en Août 2008, Fermi s’appelait « GLAST » pour « Gamma-ray Large Area Space Telescope ».

Il faut se représenter le LAT comme une boite parallélépipèdique à base carrée de 0,72 mètre d’épaisseur et de base de 1,8 mètres de côté. Le capteur, bien protégé de toute perturbation extérieure (température, micrométéorites), est un ensemble de 16 « récipients » de 37 cm x 37 cm sur une hauteur de 66 cm, appelés « tours », chacun fermé par une couche de détecteurs « anti-coïncidence » qui ne laisse passer sans interférence (flash) que les seuls rayons gamma (électriquement neutres). Les GCR (chargés) sont identifiés lorsqu’ils traversent le détecteur de la couche anti-coïncidence et le signal déposé, évite leur traitement par le système d’acquisition des données (Data Acquisition System). A noter que le cahier des charges imposait que l’appareil puisse écarter 99,97% des rayons cosmiques. Les tours sont chacune remplie de 18 plaques de tungstène et de 16 bandes de détection en silicium (880000 microbandes !). Après avoir franchi la couche anti-coïncidence, les rayons gamma pénètrent les plaques de tungstène (« convertisseurs ») où ils produisent des particules chargées (électrons et positrons) qui tracent leur passage dans les bandes de silicium (ce sont des « trajectographes micropistes ») ce qui donne la direction des rayons gamma d’origine (plus l’énergie est élevée, plus la direction est précise, jusqu’à 0,2° au-delà de 10 GeV). Les particules perdent tout ou partie de leur énergie ensuite dans un calorimètre en iodure de césium, l’intensité du signal lumineux produit par ces particules dans cette matière permettant de mesurer l’énergie reçue. Le calorimètre du LAT perçoit toute émission dans une gamme de 20 MeV à plus de 300 GeV.

L’instrument secondaire, GBM, développé par le National Space Science & Technology Center américain avec le Max Planck Institute (Allemagne) consiste en douze volumes d’iodure de sodium (élément choisi pour ses propriétés de scintillation) qui détectent les rayons X et les rayons gamma de basse énergie, et en deux volumes de germanate de bismuth (scintillateur, comme l’iodure de sodium) pour les rayons gammas de haute énergie. Il est sensible à des rayonnements moins énergétiques (de 8 KeV à 30 MeV) que ceux décelés par le LAT avec un petit chevauchement qui permet de « ne rien manquer ». Il doit réagir à la provenance aléatoire de rayonnements occasionnés par toutes sortes d’événements de type GRB et sur une période de temps variable (les GRB peuvent durer quelques microsecondes à plusieurs milliers de secondes).

Le LAT couvre 20% du ciel à tout moment et la totalité toutes les trois heures (le satellite porteur pivotant sur son axe sans jamais regarder vers la Terre). Le GBM, lui, capte les émissions tout azimut, sauf celles cachées par la Terre mais cela ne dure pas longtemps car l’orbite (à 565 km de la Terre) est parcourue par le satellite en seulement 96 minutes. Il est donc multidirectionnel (ses capteurs ressemblent à de grosses lampes de poches tournées dans toutes les directions).

Les données des deux instruments sont recueillies par un Data Acquisition System, véritable centre nerveux de l’observatoire spatial, qui traite, stocke puis transmet les données à la Terre. A noter que le dispositif n’utilise que 650 Watts de puissance électrique (fournie par des panneaux solaires). A noter aussi qu’en cas de besoin (GRB suffisamment intense) le LAT peut se focaliser automatiquement sur une même source. Il peut aussi être pointé volontairement. A noter enfin que Fermi n’est pas le premier télescope dédié aux rayons gamma mais qu’il est extraordinairement plus puissant que son prédécesseur EGRET (25 fois moins sensible).

L’observation a permis de collecter des données sur une quantité très importantes de sources, AGN, pulsars, amas globulaires (amas stellaires très denses), électrons de rayonnement cosmique, GRB, étoiles à neutrons binaires, restes de supernovæ, sources diffuses de rayons gamma.

Sur dix ans le LAT a observé plus de 5000 sources de rayons gamma y compris la plus grosse explosion cosmique jamais détectée (en Avril 2013 rayon gamma de 94 GeV provenant de la source GRB 130427A dans un GRB qui a duré plusieurs heures). Une carte du ciel a été établie qui montre la répartition des sources. Elle sera pour longtemps une référence et l’origine de nouvelles études. Sur cette carte on voit notamment une zone en-dessous et au-dessus de notre centre galactique, très riche en rayons gamma. On parle de deux « bulles » émettrices. Oblongues, elles s’étendent sur 25000 années-lumière de part et d’autre du centre galactique et font penser à la base des jets relativistes de matière que l’on voit partir du trou noir central des galaxies actives (même si la Voie Lactée n’en est pas une). Une « première », toute récente, annoncée le 17 juillet 2018, localise la source d’un neutrino perçu par le collecteur IceCube situé en Antarctique de cette particule évanescente (du fait qu’elle interagit extrêmement peu avec la matière). Le neutrino avait une énergie énorme 300 TeV (un TeV est égal à 1000 GeV) et était en cohérence avec une éruption perçue par Fermi en provenance du trou noir supermassif d’une galaxie active (blazar) connue, distante de 3,7 milliards d’années-lumière.

De son côté le GBM a observé plus de 2300 explosions de rayons gamma (GRB). Notamment le 17 août 2017, un GRB dans la constellation de l’Hydre alors que, simultanément LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) détectait des ondulations de l’espace-temps provenant du même évènement, la fusion de deux étoiles à neutrons. C’était la première fois que l’on détectait en même temps des ondes gravitationnelles et lumineuses.

L’on voit donc qu’en nous permettant de connaître les moteurs les plus puissants de nos galaxie, le télescope Fermi va nous faire accomplir une grande avancée dans la compréhension de l’univers. On approche de plus en plus (espérons de mieux en mieux) les phénomènes de gravité extrême. C’est très important puisque, in fine, c’est ce phénomène qui structure le monde de la matière qui nous entoure aussi loin que nous permettent d’appréhender nos instruments.  On constate aussi, une fois de plus, l’apport très important de la coopération dans la complémentarité entre les observatoires, qui est permise par l’instantanéité des communications mondiales et par l’intérêt commun bien compris des astronomes.

NB : Ce texte a été soumis pour relecture à Benoît Lott du CENBG (Directeur de recherche au CNRS). Il y a apporté quelques précisions/rectifications. Le savoir-faire de l’Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules (IN2P3/ CNRS) dans la réalisation de détecteurs pour la physique subatomique a permis aux physiciens bordelais, avec le concours du Professeur Benoît Lott, d’apporter leurs compétences dans l’étude de la réponse du calorimètre aux rayons gamma.

Image à la Une: La voie Lactée vue par Fermi. On y voit les deux bulles de 25.000 années-lumière mentionnées dans l’article. Constituées de rayons gamma d’énergie allant de 1 à 10 GeV,  elles s’élèvent de part et d’autre du Centre galactique. Un satellite ROSAT (Allemagne avec les Etats-Unis et la Grande-Bretagne), avait détecté la racine en rayons X de ces bulles dans les années 90. Fermi a permis d’en voir la composante gamma, beaucoup plus importante. Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center

Lien vers le site de la NASA https://fermi.gsfc.nasa.gov/

Lien vers le site du CENBG : http://www.cenbg.in2p3.fr/COSMAX-Contexte-Experimental

Image ci-dessous (1) : représentation du spectre électromagnétique (les rayons gamma sont tout à droite).

Image ci-dessous (2), crédit CENBG :

Schéma éclaté du Fermi-LAT. Vous voyez ici l’intérieur d’une de ses 16 « tours » et de la représentation de la pénétration d’un rayon gamma. La tout est (comme les autres) composée d’un trajectographe (partie supérieure) et d’un calorimètre (partie inférieure). Un système d’anti-coïncidence (tuiles en gris clair) entoure la partie supérieure et est recouverte d’un bouclier de protection contre les micro-météorites (en jaune):

Image ci-dessous (3): télescope Fermi déployé sur son orbite (vue d’artiste, crédit NASA):