Conception et validation de l'optique du télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA

Un technicien optique est allongé sur une plateforme suspendue entre les miroirs primaire et secondaire du télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA. La photo montre une réflexion projetée à travers le chemin optique du télescope. Le technicien fait passer un faisceau lumineux à travers le système optique vers l'emplacement futur de l'instrument à champ large, illustrant comment la lumière des sources cosmiques traversera le télescope une fois la mission lancée. (Image : NASA/Chris Gunn)

Un œil puissant sur l'espace profond

Prévu pour un lancement au plus tard en mai 2027, le télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA servira d'œil puissant sur l'espace profond, capturant des images de milliards de galaxies lointaines et explorant les mystères de la matière noire, des supernovas et d'autres phénomènes cosmiques.

L'objectif principal du télescope spatial Nancy Grace Roman est d'observer de vastes zones du ciel rapidement et de manière répétée avec une haute précision afin de cartographier la distribution de la matière normale (baryonique) et de la matière noire, et de mesurer le taux d'expansion cosmique à différentes époques pour sonder l'énergie noire. Ces informations sont cruciales pour notre compréhension des origines de l'univers et pour aider les scientifiques à prédire l'avenir du cosmos en expansion rapide. Il utilisera également de vastes relevés pour étudier les systèmes planétaires autour d'autres étoiles et déterminer si des systèmes solaires comme le nôtre sont courants, rares ou uniques.

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

Une étape majeure franchie

Une étape majeure du programme a été franchie en novembre 2024 avec la livraison de l'assemblage optique du télescope (OTA) entièrement achevé et testé, de L3Harris à la NASA. Ce matériel agit comme les « yeux » de l'observatoire, collectant et conditionnant la lumière du cosmos pour 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 de diamètre ainsi que neuf autres miroirs plus petits, des structures robustes pour aligner les miroirs entre eux, et de nombreux systèmes de support nécessaires pour permettre au télescope de fonctionner dans l'environnement hostile de l'espace.

Des matériaux révolutionnaires pour une stabilité extrême

Dès le début du programme, l'OTA a été développé pour répondre aux besoins exigeants et uniques définis par la NASA et la communauté scientifique pour cette mission. L'un des axes principaux de l'équipe du télescope était le développement des technologies nécessaires pour fournir un système capable de répondre aux besoins extrêmes de stabilité optique de la mission. Cela a inclus le développement d'un nouveau matériau composite en carbone propriétaire avec des coefficients d'expansion thermique (CTE) inférieurs à ceux jamais atteints — si bas 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 varie de 100 degrés Fahrenheit (55 degrés Celsius).

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

Contrôle thermique de pointe

Même avec de tels matériaux 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 près, même lorsque différentes parties de l'observatoire sont exposées à la chaleur intense du soleil ou font face aux températures proches du zéro absolu de l'espace. Ce système de contrôle thermique de pointe garantit que les structures et l'optique à l'intérieur du télescope resteront ultra-stables (variations d'erreur de front d'onde sous-nanométriques) et continueront à fournir des mesures scientifiques précises même en subissant des extrêmes thermiques différents.

Conception anticipant l'environnement spatial

L'OTA est conçu de manière à avoir une performance optique optimale une fois qu'il atteint sa destination opérationnelle finale à un million de miles de la Terre. Cela signifie que la conception a dû tenir compte même des minuscules effets de la gravité terrestre 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 corriger les éventuelles inconnues dans les prédictions.

Un rendu informatique du télescope spatial Nancy Grace Roman achevé, nommé d'après la première directrice de l'astronomie et de l'héliophysique de la NASA. (Image : NASA)

Alignement de précision microscopique

L'OTA a entrou une phase critique début 2024 avec l'alignement optique final de ses différents miroirs. Cela a nécessité que les 10 optiques soient alignées et positionnées les unes par rapport aux autres avec une précision microscopique, puis verrouillées définitivement en place. Des erreurs d'alignement aussi petites qu'un dixième de la largeur d'un cheveu humain auraient dégradé les performances d'imagerie du télescope. Pour atteindre une telle précision d'alignement extrême, un système de caméra spécial appelé interféromètre a été utilisé pour surveiller les miroirs avec une précision au nanomètre et fournir un retour d'information lors de ce processus d'alignement crucial.

Tests rigoureux pour l'environnement spatial

Après l'alignement final, le télescope a subi des tests dynamiques rigoureux englobant l'environnement extrême qu'il subira lors de son lancement dans l'espace au sommet d'une fusée. Cela incluait la soumission du télescope à des niveaux sonores acoustiques plus forts que ceux ressentis à côté d'un réacteur d'avion, ainsi qu'à des forces d'accélération plusieurs fois supérieures à celles qu'un pilote de chasse subit lors de manœuvres à haut facteur de charge.

Le test final que l'OTA devait réussir était un test thermovide où la performance du système a été évaluée tout en étant soumis à des conditions simulant l'environnement hostile que l'OTA subira dans l'espace. Ce test a eu lieu dans une grande chambre à vide dans une installation de L3Harris à Rochester, New York. Les parois internes 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 ses températures souhaitées tout en fournissant une performance optique exquise qui a satisfait à toutes les exigences avec une marge confortable. Suite à la réussite de ce test, l'OTA a été livré au centre de vol spatial Goddard de la NASA pour être intégré avec les instruments scientifiques et le véhicule spatial.

Collaboration avec le télescope James Webb

Lorsque le télescope spatial Roman 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 vu depuis le Soleil. Roman a été conçu pour fonctionner en conjonction avec le télescope Webb pour effectuer des observations scientifiques complémentaires qui fourniront des informations plus approfondies sur les phénomènes cosmologiques que ne pourrait le faire l'une ou l'autre mission seule. Le télescope spatial Roman pourra imager de vastes zones du ciel avec une résolution similaire à celle du télescope spatial Hubble, mais le fera 1000 fois plus vite qu'Hubble. Cela permet des relevés de vastes zones du ciel avec une précision extrême pour identifier des cibles d'intérêt pour le télescope spatial Webb.

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

Un partenariat de longue date

La livraison de l'OTA du télescope spatial Roman est la dernière étape 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. Du télescope Hubble, à Chandra et au télescope James Webb, en passant par la Station spatiale internationale et le rover martien, L3Harris accompagne la NASA à chaque étape, repoussant les limites de la découverte humaine.

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