Habitable Exoplanet Observatory

HabEx est un télescope optique disposant d'un miroir primaire de 4 mètres de diamètre produisant des images et des spectres dans l'ultraviolet, en lumière visible et en proche infrarouge. Il reprend en les améliorant les capacités du télescope spatial Hubble.

Les objectifs scientifiques du télescope HabEx sont les suivants[6]:

• L'objectif principal est de réaliser des images directes et des spectres d'exoplanètes habitables gravitant autour d'étoiles aux caractéristiques proches de notre Soleil (étoiles de type F, G et K) situées à moins de 15 parsecs (50 années-lumière) de notre système solaire. Durant sa mission primaire de 5 ans, HabEx détectera et examinera plusieurs douzaines d'exoplanètes rocheuses dont environ 8 mondes similaires à la Terre en déterminant leur orbite et leurs spectres dans les longueurs d'onde 0,1-1 micron. Au cours de cette période, HabEx doit également caractériser plus d'une centaine de planètes de taille plus importante. À l'aide de son coronographe et en effectuant 6 observations distinctes, le télescope pourra mesurer l'orbite de la planète (distance à son étoile, excentricité, inclinaison orbitale) avec une précision de quelques pour cent près et ainsi déterminer si celle-ci se trouve dans la zone habitable de l'étoile. Les spectromètres embarqués permettront de déterminer la présence de vapeur d'eau, d'oxygène moléculaire et d'ozone à partir du moment ou la quantité présente est supérieure à 1% de la densité observée sur Terre ainsi que la présence d'autres gaz comme le méthane ou le dioxyde de carbone[7].
• Grâce à la méthode de l'observation directe qui ne dépend ni de la période orbitale de l'exoplanète ni du rapport de masse avec son étoile, HabEx est le premier observatoire capable d'effectuer un inventaire quasi complet des planètes autour d'une étoile. HabEx pourra ainsi dresser le portrait des systèmes solaires proches, qu'ils soient similaires au notre ou très différents et composés des super-Terres ou de mini-Neptunes. Les instruments devraient permettre de déterminer le spectre de toutes les planètes plus brillantes que la Terre. Les données collectées permettront de dresser un premier catalogue des différents types de système solaire et de fournir de nouveaux éléments sur la formation des systèmes planétaires, la migration planétaire et le rôle des géantes gazeuses dans la fourniture aux planètes rocheuses. HabEx permettra également de tester les théories sur la diversité planétaire, d'étudier les interactions entre les planètes et le disque protoplanétaire et pour la première fois de replacer la formation de notre système solaire dans un contexte plus général[8].
• Le miroir primaire de grande taille (4 mètres) permettra à HabEx de produire les meilleures images disponibles (en termes de résolution spatiale) dans la décennie 2030 dans le domaine optique et ultraviolet. Cette capacité permettra de mener des recherches galactiques et extragalactiques.

Schéma du télescope spatial HabEx : 1 : Panneaux solaires - 2 : Propulseurs contrôle d'attitude - 3 : Miroir tertiaire - 4 : Structure du miroir secondaire et instruments - 5 : Miroir primaire - 6 : Miroir secondaire - 7 : Pare-soleil déployable - 8 : Tube du télescope - 9 : Pare-soleil - 10 : Réservoirs ergols - 11 : Avionique

Le télescope dans sa configuration de base a une masse d'environ 18,55 tonnes dont 4,9 tonnes pour la plateforme, 2,3 tonnes d'ergols et 7,9 tonnes pour la charge utile (optique et instruments scientifiques[9].

L'énergie est fournie par des panneaux solaires constitués de cellules solaires GaAs triple jonction qui doivent fournir 7 kilowatts pour alimenter le système de régulation thermique (le plus gros consommateur avec 3 650 watts) et les instruments scientifiques (45-550 watts) tout en prenant en compte la dégradation des cellules durant les 20 ans de la mission. Les panneaux solaires sont fixes et solidaires du télescope. Ils sont placés le long du tube de l'optique et sur la face arrière du télescope. Leur surface devrait être d'environ 39 m² compte tenu d'un rendement de 29,5 % et d'une incidence du rayonnement solaire de 40% par rapport à un axe perpendiculaire aux panneaux. Deux batteries lithium-ion stockent l'énergie avec capacité de 66 Ah[10].

La propulsion est prise en charge par deux systèmes. Le système primaire utilise des moteurs-fusées à ergols liquides mono-ergol. Il y a un moteur-fusée principal d'une poussée de 445 newtons de poussée, quatre moteurs de 22 N. qui servent à contrôler la direction lorsque le moteur principal fonctionne et 16 petits propulseurs pour le contrôle d'attitude. HabEx emporte 2280 kilogrammes d'hydrazine qui sont utilisés pour les manœuvres principales permettant au télescope de rejoindre sa position, pour la maintenance de l'orbite et pour les corrections d'attitude. Le deuxième système est constitué de 8 micro-propulseurs colloïdaux (poussée de l'ordre de 100 micronewtons qui fonctionneront en permanence pour compenser principalement la poussée des photons solaires. Ces propulseurs seront fournis par l'Agence spatiale européenne qui les a déjà utilisés dans un contexte identique pour le satellite expérimental LISA Pathfinder. Ces micro-propulseurs permettent au système de contrôle d'attitude de fonctionner sans avoir recours à des roues de réaction génératrices de vibration[11].

Le système de télécommunications comprend un émetteur-récepteur permettant au télescope spatial de communiquer en bande S avec le coronographe externe avec un débit de 100 bits par seconde via une antenne patch et un système permettant d'échanger avec la Terre les données scientifiques sans interrompre les observations en cours. Les échanges des données se font en bande Ka via deux antennes à balayage électronique fixées de part et d'autre du tube optique. Ce choix d'antenne permet de diriger les émissions radio vers la Terre sans dispositif mécanique susceptible de générer des vibrations. Deux antennes à faible gain assurent une couverture quasi complète du ciel sont utilisées en bande X pour le transfert des commandes et des télémesures. Le débit des échanges est de 6,5 mégabits/secondes en bande Ka et de 100 kilobits par seconde en bande X.

Caractéristiques du coronographe externe

Déploiement du coronographe externe.

Le coronographe externe comprend le coronographe lui-même (2,1 tonnes) et une plateforme de 2,5 tonnes similaires à celle d'un satellite. La plateforme comprend un système de propulsion mixte constitué de moteurs ioniques utilisés pour repositionner le coronographe lorsque le télescope est pointé vers une nouvelle étoile et une propulsion à ergols liquides comprenant 12 moteurs de 22 newtons de poussée pour les corrections de trajectoire et le maintien de la position relative par rapport au télescope. Six moteurs ioniques ayant une poussée de 0,52 newton et une impulsion spécifique de 3000 secondes, sont distribués sur chaque face du coronographe. La plateforme emporte 2,2 tonnes d'ergols liquides et 3,5 tonnes de xénon[15].

Le télescope HabEx emporte quatre instruments[17] :

• HCG (HabEx Coronagraph) est un coronographe interne d'un diamètre de 62 millisecondes d'arc avec trois canaux, un dans le visible et deux dans le proche infrarouge.
• SSI (HabEx Starshade Instrument) est un coronographe externe de 52 mètres de diamètre qui serait installé sur un satellite situé à 76 600 kilomètres du télescope
• UVS (UV Spectrograph/Camera) est un spectrographe imageur qui permet d'observer en ultraviolet (115–320 nm) avec un champ de vue de 3 × 3 minutes d'arc et une résolution spectrale de 60 000.
• HWC (HabEx Workhorse Camera) est un spectrographe imageur qui permet d'observer en visible et proche infrarouge (115–320 nm) avec un champ de vue de 3 × 3 minutes d'arc et une résolution spectrale de 1000. Il dispose de deux canaux (0,37–0,95 et 0,95–1,8 micron).

Le télescope HabEx et le coronographe externe en phase d'observation (vue d'artiste).

Si la phase A du projet démarrait en 2025, le lancement de HabEx pourrait avoir lieu en 2039 (durée du développement 15 ans). La durée de la mission primaire est de 5 ans et le volume des consommables (ergols) garantit un fonctionnement durant 10 ans. Le télescope est conçu pour permettre sa maintenance en cours de vie. Le télescope spatial serait placé en orbite autour du point de Lagrange L₂ du système Terre-Soleil. Ce point de l'espace, situé de manière constante à 1,5 million de kilomètres de la Terre, permet de bénéficier d'un environnement thermique stable sans obstruction importante de notre planète tout en restant à une distance de celle-ci compatible avec des débits élevés pour le transfert de données. Malgré l'éloignement de la Terre (4 fois la distance Terre-Lune) le télescope sera conçu pour pouvoir être entretenu par un équipage humain en cours de vie comme l'était Hubble qui toutefois ne se situe qu'à 800 kilomètres. HabEx pourra être placé en orbite par le lanceur géant Space Launch System (SLS) tandis que le coronographe externe serait lancé par une fusée Falcon Heavy de SpaceX[18].

Durant sa mission primaire, 50% du temps d'observation sera réservé à des chercheurs extérieurs au projet dont les demandes auront été sélectionnées par un comité scientifique (Guest Observer Program).

Le projet HabEx n'est pas retenu dans la forme proposée par l'équipe qui l'a élaboré. Fin 2022 la NASA décide de suivre les recommandations du rapport décennal de l'Académie des sciences des États-Unis relatif à l'astronomie et à l'astrophysique et choisit un projet plus modeste (miroir primaire de 6,5 à 8 mètres pour un cout de 11 milliards US$) combinant les caractéristiques de LUVOIR avec certaines des caractéristiques du projet HabEx. Le diamètre retenu permettrait d'utiliser un miroir monolithique (source d'économie par rapport au miroir segmenté et pliable du JWST) car les lanceurs lourds qui seront opérationnels à la date de lancement (New Glenn, Space Launch System et Starship) prévoient de disposer d'une coiffe de grande taille. Il n'est pas exclu que le télescope utilise un coronographe externe comme le prévoyait la proposition HabEx. Pour limiter les lumières parasites et protéger le miroir primaire des micrométéorites, l'optique pourrait être protégée par un tube contrairement au JWST. L'optique active sera plus performante que celle du JWST pour les observations dans l'ultraviolet et en lumière visible. Le télescope sera placé au point de Lagrange L2 du système Terre-Soleil. Contrairement au JWST, HWO sera conçu pour pouvoir être réparé et amélioré par des missions robotiques (sans équipage). Il sera capable de détecter les biomarqueurs d'au moins 25 exoplanètes de type terrestre situées dans la zone habitable de leurs étoiles. Ce nouveau télescope, baptisé HWO (Habitable Worlds Observatory) devrait être lancé vers 2040 s'il obtient le financement prévu[19].

• (en) Jet Propulsion Laboratory, Habitable Exoplanet Observatory Final Report, NASA, 2019, 469 p. (lire en ligne) — Rapport du groupe de travail HabEx publié en 2019