Observatoire rayons X Lynx

Les rayons X sont émis par les événements les plus violents se produisant dans l'univers, ce qui permet à Lynx, spécialisé dans l'observation de ces longueurs d'onde, d'étudier ces phénomènes. Compte tenu de cette capacité du télescope spatial, les principaux objectifs de la mission sont les suivants[6] :

Préciser les processus qui aboutissent à la formation des galaxies et à leur évolution

Les phénomènes aboutissant à la concentration puis à l'évolution de la matière physique pour former les principales structures du cosmos sont en grande partie déclenchés par des processus violents qui produisent et dispersent de grandes quantités d'énergie et de matériaux métalliques dans l'espace sous forme de matière visible chaude et ionisée. Lynx doit cartographier les nuages de gaz chauds situés à proximité des galaxies et dans les régions intergalactiques ainsi que détailler les différentes modalités d'échanges d'énergie.

Retracer la genèse des trous noirs supermassifs situés au cœur des galaxies

Les trous noirs présents au sein des galaxies se forment dès la formation de celles-ci. Lynx doit détecter les premiers trous noirs supermassifs situés au centre des premières galaxies de l'univers. Celles-ci auront été identifiées au préalable par la télescope spatial infrarouge JWST lancé en 2021. Lynx doit mesurer la croissance de ces trous noirs à compter de leur apparition et apporter des éléments sur la manière dont ces objets célestes évoluent avec leur galaxie hôte. L'analyse du rayonnement X émis est le moyen idéal d'observer ces jeunes trous noirs.

Recenser de manière exhaustive les processus à l'origine de la naissance des étoiles, de leur évolution et de leur mort.

Lynx doit étudier avec une profondeur inégalée et dans une large gamme d'énergie les processus jouant un rôle fondamental dans la formation et la mort des étoiles, dans l'évolution de leur structure interne, dans les interactions entre l'étoile et ses planètes, dans la formation des éléments chimiques composant celles-ci et dans les événements cosmiques violents. Le télescope spatial doit accroître nos connaissances sur les étoiles à neutrons par l'étude des d'étoiles binaires X dans les galaxies aussi éloignées que 10 mégaparsecs et identifier la contrepartie des ondes gravitationnelles détectées par les observatoires terrestres.

L'observatoire spatial Lynx est un engin spatial d'environ 7,7 tonnes, long de 12,7 mètres pour un diamètre de 4,5 mètres en position de stockage durant le lancement. Il est composé de quatre modules principaux. Le premier de ces modules porte l'obturateur mobile qui protège la partie optique ainsi que les panneaux solaires. Le télescope proprement dit, long de 10 mètres, comprend trois parties. La première partie est constituée d'une optique Wolter-Schwarzschild (LMA pour Lynx Mirror Assembly), de collimateurs et d'un réseau de diffraction escamotable. Le banc optique (OBA pour Optical Bench Assembly) est un long tube reliant le LMA au module ISIM (Integrated Science Instrument Module). Ce dernier regroupe les trois instruments scientifiques chargés d'analyser le rayonnement X recueilli. L'engin spatial est stabilisé 3 axes avec une précision de pointage de 10 secondes d'arc et une dérive d'un sixième de seconde d'arc par seconde. L'énergie est produite par des panneaux solaires qui fournissent environ 7 400 watts. Une mémoire de masse permet de stocker 500 gigabits. Chaque jour 240 gigabits de données sont transférées[7].

Le télescope Lynx emporte trois instruments :

• HDXI (High-Definition X-ray Imager) est un spectromètre imageur avec un champ de vue de 22 x 22 minutes d'arc qui permet d'obtenir une résolution angulaire de 0,33 seconde d'arc. Les détecteurs sont constitués de 21 puces de 1024x1024 pixels disposés en cinq rangées de cinq en excluant les coins. La résolution spectrale attendue est de 5000. HDXI dérive d'instruments qui équipent les télescopes spatiaux Chandra et XMM-Newton[9].
• LXM (Lynx X-ray Microcalorimeter) est un spectromètre imageur permettant d'obtenir une résolution spectrale comprise entre 3 eV et 0,3 eV sur un champ de vue compris entre 1x1 minute d'arc et 5x5 minutes d'arc. La résolution spatiale est comprise entre 0,5 et 1 seconde d'arc[10].
• XGS (X-ray Grating Spectrometer) est un spectromètre qui fournit une résolution spectrale de 5000 pour une surface effective de 4000 cm² à 0,6 keV[11].

Si la phase A du projet démarrait en 2025, le lancement 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 20 ans. Le télescope est conçu pour permettre sa maintenance en cours de vie. Le télescope spatial sera placé en orbite autour du point de Lagrange L₂ du système Terre-Soleil sur une orbite de Halo de 800 000 km de rayon. Le point de Lagrange, 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. Compte tenu de sa masse (moins de 8 tonnes) et de son diamètre en position de stockage (4,5 mètres), Lynx peut être lancé par plusieurs types de lanceurs disponibles dans la décennie 2030 en particulier par la fusée géante Space Launch System (SLS) de la NASA[12].

Le projet Lynx n'est pas retenu. 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 combinant les caractéristiques de LUVOIR avec certaines des caractéristiques du projet HabEx. Le diamètre du miroir primaire retenu (6,5 à 8 mètres) 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 (11 milliards US$)[13].

• (en) Groupe de travail OST, X-ray observatory LYNX : Concept Study Report, Centre de vol spatial Marshall et Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, 2019, 360 p. (lire en ligne) — Rapport du groupe de travail Lynx publié en 2019.