SPIRou : un nouvel instrument pour découvrir des exoTerres et étudier la naissance des étoiles et des planètes

Le Télescope Canada-France-Hawaii (CFHT)[1] vient de confirmer sa participation au financement de l’instrument SPIRou (ou SpectroPolarimètre InfraRouge). Les missions de cet instrument seront la détection des exoTerres habitables autour d’étoiles naines rouges, ainsi que l’étude de la naissance des étoiles et des planètes. Pour détecter et étudier ces objets, SPIRou est composé d’un spectropolarimètre[2] combiné à un vélocimètre de haute précision optimisé pour la détection par la méthode des vitesses radiales[3]. SPIRou est un projet international piloté par la France. il implique l’IRAP (CNRS/Université Toulouse III – Paul Sabatier), l’IPAG (CNRS/Université Joseph Fourier), le LAM (CNRS/Aix-Marseille Université), l’IAP (CNRS/UPMC) ainsi que les Observatoires des Sciences de l’Univers (OSU) liés, huit laboratoires franciliens et la Région Île de de France. Le consortium SPIRou [4] implique également, outre le CFHT, le Canada, la Suisse, le Brésil, Taiwan et le Portugal. La construction de SPIRou devrait débuter en 2014, pour une intégration à Toulouse (à l’IRAP) en 2016 et une première lumière au CFHT en 2017.

Comment les étoiles et les planètes naissent-elles ? Comment le champ magnétique influe-t-il sur cette genèse ? La Terre, qui abrite une importante quantité d’eau liquide à sa surface, est-elle unique en son genre ? Notre Galaxie est-elle peuplée d’autres planètes similaires ? Des questions universelles, dont se préoccupent tout particulièrement les chercheurs en astrophysique stellaire et planétaire, auxquelles SPIRou se propose d’apporter des réponses originales au cours de la prochaine décennie.

Non seulement spectropolarimètre décomposant la lumière des astres dans ses couleurs et dans ses modes vibratoires élémentaires, SPIRou est aussi un vélocimètre de haute précision. Tel un radar routier qui flasherait l’étoile observée, non pas pour excès de vitesse, mais en raison de variations régulières et périodiques de sa vitesse, il sera capable d’enregistrer les infimes mouvements d’une étoile témoignant de la présence d’une planète en orbite. SPIRou pourra ainsi partir à la recherche de jumelles de la Terre dans les systèmes planétaires des étoiles naines rouges voisines du Soleil. Les atmosphères de ces planètes jumelles pourront ensuite être scrutées, avec le James Webb Space Telescope[5] le futur télescope spatial, à la recherche d’eau et d’autres bio-molécules associées à la présence de vie. SPIRou pourra aussi percer les mystères de la naissance des étoiles et des planètes, en observant pour la première fois les champs magnétiques de proto-étoiles âgées d’à peine quelques centaines de milliers d’années.

Sur le plan technologique, SPIRou est aussi un défi d’envergure. Il doit fonctionner dans l’infrarouge pour observer au mieux les astres froids que sont les naines rouges. Cela nécessite de plonger le cœur de l’instrument, le spectromètre, dans un cryostat refroidi à la température de l’azote liquide (-200°C) pour éviter que le rayonnement thermique ambiant, omniprésent dans l’infrarouge, n’éclipse la lumière stellaire très ténue que l’on souhaite décrypter. De plus, pour permettre de détecter les mouvements nanométriques des spectres qui trahiront la présence de Terres habitables, la stabilité thermique du cryostat doit être exceptionnelle au point de garantir une température constante avec une précision de quelques millièmes de degrés Celsius.

Identifié comme projet astrophysique prioritaire du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), SPIRou est un des éléments clés qui devrait garantir le futur du télescope sur la prochaine décennie. Le CFHT vient de confirmer sa participation financière à SPIRou, auquel contribue un large consortium international d’Universités et de laboratoires de recherche [4].

Vue en 3D des différentes composantes de l’instrument SPIRou – Crédits : Équipe SPIRou

1. CFHT : Sentinelle des cieux au sommet du Mauna Kea – volcan de 4200m situé sur la grande île d’Hawaii – le CFHT est un télescope de 3,6m exploitant plusieurs instruments. Bien qu’implanté dans un des meilleurs sites astronomiques du monde, le CFHT n’échappe pas à la concurrence et doit innover en permanence, via une politique scientifique ambitieuse, pour garder une place de premier plan dans un monde de télescopes géants. Le TCFH est une organisation appartenant conjointement au Conseil National de Recherches Canada, au Centre National de la Recherche Scientifique en France via l’Institut National des Sciences de l’Univers (CNRS-INSU) et à l’Université d’Hawaii. Plus d’informations : http://www.cfht.hawaii.edu/fr/apropos/
2. Spectropolarimètre : instrument capable de réaliser, non seulement le spectre de la lumière d’un astre, mais aussi une analyse de sa polarisation (linéaire ou circulaire) – due par exemple à l’effet Zeeman d’un champ magnétique sur la formation des raies spectrales.
3. Méthode des vitesses radiales : méthode qui permet de détecter, par effet Doppler, les variations de vitesse qu’une planète communique à l’étoile autour de laquelle elle orbite. Pour une exoTerre habitable autour d’une naine rouge, ces variations de vitesse radiale sont de l’ordre du m/s, et leur mesure nécessite un spectrographe à haute résolution d’une extrême stabilité, baptisé vélocimètre.
4. Les universités, les instituts de recherche, les laboratoires et les partenaires financiers impliqués dans SPIRou sont :
   1. au niveau national : le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) et le Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche (MESR)
      1. à Toulouse, l’Université Toulouse III – Paul Sabatier, l’Observatoire Midi-Pyrénées (OMP), l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), la Région Midi-Pyrénées. Jean-François Donati y est l’initiateur et porteur du projet depuis près de 10 ans et il fait partie de l’équipe PSE (Physique du Soleil et des Etoiles) qui regroupe les chercheurs de l’IRAP spécialisés dans l’étude du magnétisme stellaire et des exoplanètes – deux des aspects que couvre le projet SPIROU.
      2. à Grenoble, l’Université Joseph Fourier (UJF), l’Observatoire des Sciences de l’Univers de Grenoble (OSUG), l’Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble (IPAG)
      3. en Ile de France, l’Institut d’Astrophysique de Paris (IAP), l’Observatoire de Paris (OP), le Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique (LESIA), le Laboratoire d’Etudes du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique (LERMA), le Laboratoire Univers et Théories (LUTH), l’Institut de Mécanique Céleste et de Calcul des Ephémérides (IMCCE), le Service d’Astrophysique (SAp) / Laboratoire AIM du Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), l’Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS) et le Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS), la Région Ile de France.
      4. à Marseille, le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) et l’Observatoire de Haute-Provence (OHP), deux entités de l’Observatoire des Sciences de l’Univers Institut Pythéas, un observatoire du CNRS et de l’Université d’Aix-Marseille.
   2. au niveau international : à Hawaii, le Télescope Canada-France Hawaii (CFHT) ; au Canada, l’Université de Montréal (UdeM) à Montréal, l’Université Laval (UL) à Québec et le National Research Center (NRC) à Victoria ; en Suisse, l’Observatoire de Genève (OG) à Genève ; au Brésil, le Laboratoire National d’Astrophysique (LNA) à Itajuba, l’Université Fédérale du Rio Grande do Norte (UFRN) à Natal, et l’Université Fédérale du Minas Gerais (UFMG) à Belo Horizonte ; à Taiwan, l’Institut d’Astronomie et d’Astrophysique de l’Academia Sinica (ASIAA) à Taipei ; au Portugal, le Centre d’Astrophysique de l’Université de Porto (CAUP) à Porto.
5. JWST : Le télescope spatial James Webb (JWST) sera le successeur du télescope spatial Hubble (HST), dont il est prévu qu’il prenne la relève en 2018. C’est une mission dirigée par la NASA à laquelle participe l’Europe, sous la responsabilité de l’Agence Spatiale Européenne (ESA), et le Canada, à travers l’Agence Spatiale Canadienne (CSA). Le télescope aura une surface collectrice 7 fois plus grande que le HST et sera consacré à l’observation de l’Univers dans le rayonnement infrarouge (de 1 à 27 microns de longueurs d’onde).

CPSPIRouMip.pdf 220,10 kB

Auteur : CNRS-INSU

Date : 04/11/20132013/11/04