Ingénierie et validation de l’optique du télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA

Un technicien en optique est allongé sur un plongeoir suspendu entre les miroirs primaire et secondaire du télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA. La photo est une réflexion projetée à travers le chemin optique du télescope. Le technicien projette un faisceau de lumière à travers le système optique vers l'emplacement futur de l'instrument à grand champ, montrant comment la lumière provenant de sources cosmiques traversera le télescope une fois la mission lancée. (Image :NASA/Chris Gunn)

Lors de son lancement au plus tard en mai 2027, le télescope spatial romain Nancy Grace de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) servira d'œil puissant sur l'espace lointain, capturant des images de milliards de galaxies lointaines et explorant les mystères de la matière noire, des supernovae et d'autres phénomènes cosmiques.

L'objectif principal du télescope spatial romain Nancy Grace est d'étudier de vastes zones du ciel rapidement et à plusieurs reprises avec une haute précision afin de cartographier la distribution de la matière normale (baryonique) et de la matière noire et de cartographier le taux d'expansion cosmique à différentes époques pour sonder l'énergie noire. Ces informations sont essentielles à notre compréhension des origines de l’univers et aident les scientifiques à comprendre ce qui se passera dans le futur lointain d’un cosmos en expansion rapide. Il utilisera également de vastes enquêtes pour étudier les systèmes planétaires autour d'autres étoiles afin de savoir si des systèmes solaires comme le nôtre sont communs, rares ou peut-être uniques.

Cette photo montre l'assemblage du télescope optique du télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA, qui a récemment été livré dans la plus grande salle blanche du Goddard Space Flight Center de l'agence à Greenbelt, dans le Maryland. (Image :NASA/Chris Gunn)

Une étape majeure du programme a été franchie en novembre 2024 avec la livraison de l’assemblage de télescope optique (OTA) entièrement terminé et testé de L3Harris à la NASA. Ce matériel agit comme les « yeux » de l’observatoire, collectant et conditionnant la lumière du cosmos pour l’utiliser par les deux instruments de la mission.

En tant que partenaire de confiance de la NASA, L3Harris a été chargé de la conception, de la fabrication, de l'intégration et des tests de l'OTA. Cela comprend un miroir primaire de 2,4 mètres (8 pieds) de diamètre ainsi que neuf autres miroirs plus petits, des structures robustes pour aligner les miroirs les uns par rapport aux autres et de nombreux systèmes de support nécessaires pour permettre au télescope de fonctionner dans l'environnement difficile de l'espace.

Dès le début du programme, l'OTA a été développé pour répondre aux besoins exigeants et uniques exprimés par la NASA et la communauté scientifique pour cette mission. L’un des principaux domaines d’intérêt de l’équipe du télescope était de développer les technologies nécessaires pour fournir un système capable de répondre aux besoins extrêmes de stabilité optique de la mission. Cela comprenait le développement d'un nouveau matériau composite de carbone exclusif avec des coefficients de dilatation thermique (CTE) inférieurs à ceux obtenus précédemment – ​​si faibles que de nouvelles techniques ont dû être développées pour mesurer ses propriétés. En raison du CTE extrêmement faible, un morceau de ce matériau aussi long qu'un terrain de football ne changerait de longueur que de 100 microns (la largeur d'un cheveu humain) lorsque sa température change de 100 degrés Fahrenheit (55 degrés Celsius).

Cette photo montre l’ensemble du système optique du télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA. Il se compose de 10 miroirs, dont les miroirs primaires de 7,9 pieds (2,4 mètres) visibles à la base de cette image, appelés ensemble optique d'imagerie (IOA). (Image :NASA/Chris Gunn)

Même avec des matériaux aussi stables, la température du télescope doit rester constante pour atteindre les objectifs de la mission. L3Harris a développé une nouvelle architecture de détection et de contrôle de la température capable de maintenir les zones clés du télescope stables à quelques millièmes de degré Celsius même lorsque différentes parties de l'observatoire sont exposées à la chaleur torride du soleil ou face au zéro absolu des températures de l'espace. Ce système de contrôle thermique de pointe garantit que les structures et les optiques du télescope resteront ultra-stables (changements inférieurs au nanomètre dans l'erreur du front d'onde) et continueront à fournir des mesures scientifiques précises même en cas de températures extrêmes différentes.

L'OTA est conçu de telle sorte qu'une fois qu'il aura atteint sa destination opérationnelle finale à un million de kilomètres de la Terre, il aura des performances optiques optimales. Cela signifie que la conception devait tenir compte même des effets minimes de la gravité sur Terre et du refroidissement du télescope jusqu'aux températures de fonctionnement. Les ingénieurs de L3Harris ont effectué des simulations approfondies pour prédire les changements qui se produiront dans le télescope lorsqu’il passera de la gravité terrestre à température ambiante à son environnement froid et sans gravité dans l’espace. Ces changements anticipés sont pris en compte lors de la conception, de la fabrication et de l'alignement de l'optique du télescope. De plus, plusieurs optiques clés peuvent être déplacées pour fournir des corrections à toute inconnue dans les prédictions.

Un rendu généré par ordinateur du télescope spatial romain Nancy Grace, du nom du premier directeur de l'astronomie et de l'héliophysique de la NASA. (Image :NASA)

L’OTA est entrée dans une phase critique début 2024 alors que l’alignement optique final de ses différents miroirs était réalisé. Cela nécessitait que les 10 optiques soient alignées et positionnées les unes par rapport aux autres avec une précision microscopique, puis verrouillées en place de manière permanente. Des erreurs d’alignement aussi petites qu’un dixième de la largeur d’un cheveu humain dégraderaient les performances d’imagerie du télescope. Pour obtenir une précision d'alignement aussi extrême, un système de caméra spécial appelé interféromètre a été utilisé pour surveiller les miroirs avec une précision de l'ordre du nanomètre et fournir un retour d'information pendant ce processus d'alignement crucial.

Après l'alignement final, le télescope a subi des tests dynamiques rigoureux qui englobent l'environnement extrême qu'il connaîtra lors de son lancement dans l'espace perché au sommet d'une fusée. Cela impliquait de soumettre le télescope à des niveaux sonores acoustiques plus forts que ceux ressentis à côté d'un moteur à réaction, ainsi qu'à des forces d'accélération plusieurs fois supérieures à celles subies par le pilote d'un avion de combat lors de manœuvres à g élevé.

Le dernier test que l'OTA devait réussir était un test sous vide thermique où les performances du système étaient évaluées dans des conditions simulant l'environnement difficile que l'OTA connaîtrait dans l'espace. Ce test a eu lieu dans une grande chambre à vide dans les installations de L3Harris à Rochester, New York. Les parois intérieures de la chambre à vide ont été refroidies avec de l'azote liquide pour fournir un environnement très froid, et le télescope a été refroidi à des températures aussi basses que -120 degrés Fahrenheit (-85 degrés Celsius). L'OTA a démontré sa capacité à maintenir les températures souhaitées tout en offrant des performances optiques exquises qui répondent à toutes les exigences avec une marge disponible. Après la réussite de ce test, l'OTA a été livré au Goddard Space Flight Center de la NASA pour être intégré aux instruments scientifiques et au vaisseau spatial.

Lorsque le télescope spatial romain sera lancé, il rejoindra le télescope spatial James Webb de la NASA en orbite autour du point de Lagrange L2, à 1,5 million de kilomètres (1 million de miles) directement « derrière » la Terre vue du Soleil. Roman a été conçu pour fonctionner en collaboration avec le télescope Webb afin d'effectuer des observations scientifiques complémentaires qui fourniront de meilleures informations sur les phénomènes cosmologiques que ce que l'une ou l'autre mission pourrait accomplir seule. Le télescope spatial romain sera capable d'imager de grandes zones du ciel avec une résolution similaire à celle du télescope spatial Hubble, mais il le fera 1 000 fois plus rapidement que Hubble. Cela permet d'étudier de vastes zones du ciel avec une extrême précision pour identifier des cibles d'intérêt pour le télescope spatial Webb.

Roman sera également le grand télescope spatial le plus stable jamais construit, au moins 10 fois plus stable que le Webb et 100 fois plus stable que Hubble. Cette stabilité optique est une caractéristique essentielle du système qui permettra aux scientifiques de tester les théories fondamentales de la cosmologie d’une manière jamais possible auparavant. Et lorsque le télescope ultra-stable est combiné au coronographe, il démontre des capacités clés sur la voie de la prochaine mission astrophysique phare de la NASA, l'Observatoire des mondes habitables, et de son objectif de trouver des planètes susceptibles d'héberger la vie.

La livraison du télescope spatial romain OTA est la dernière étape importante du partenariat de longue date de L3Harris avec la NASA. Depuis plus de 60 ans, L3Harris fournit des systèmes d'imagerie de pointe et d'autres solutions qui font progresser l'exploration de l'univers. Depuis les télescopes Hubble, Chandra et James Webb jusqu'à la Station spatiale internationale et Mars Rover, L3Harris a accompagné la NASA à chaque étape, repoussant les limites de la découverte humaine.

Cet article a été rédigé par Peter Miller, ingénieur système en chef, L3Harris Technologies (Rochester, NY). Pour plus d'informations, visitez ici  .