Un télescope planétaire utiliserait l'atmosphère terrestre comme une lentille géante

D'après la figure 12 de l'article - Exemple de cartes de nuages ​​réalisées à partir des données de la fraction nuageuse effective, en fonction de l'altitude Le « terrascope » : sur la possibilité d'utiliser la Terre comme lentille atmosphérique

Les télescopes sont des appareils coûteux. Le télescope géant de Magellan, actuellement en construction dans le désert d'Atacama au Chili, disposera d'un miroir de 25 mètres pour un coût d'environ 1 milliard de dollars. Le télescope de trente mètres proposé sur le Mauna Kea à Hawaï coûtera environ 2 milliards de dollars.

Les télescopes spatiaux sont encore plus chers. Le très retardé télescope spatial James Webb qui doit remplacer Hubble en 2021, qui a un miroir de 6,5 mètres, coûte plus de 10 milliards de dollars.

Les astronomes recherchent donc de nouvelles façons innovantes d'imager les cieux qui ne coûtent rien à la Terre.

Entrez David Kipping à l'Université de Columbia à New York, qui propose aujourd'hui d'utiliser l'atmosphère terrestre pour mettre au point la lumière astronomique. Son idée est d'utiliser la planète entière comme une sorte de lentille géante et de placer un télescope spatial au point focal pour prendre les images. Ce télescope - le terrascope - aurait la puissance de collecte de lumière d'un télescope de 150 mètres sur Terre à une fraction du coût.

Tout d'abord un peu de contexte. Les astronomes savent depuis longtemps que l'atmosphère dévie la lumière qui la traverse. Un soleil couchant est un peu plus d'un demi-degré plus bas qu'il n'y paraît à la suite de cet effet, écrit Kipping.

Son idée est de profiter de cet effet à l'échelle planétaire. Un observateur à ou au-delà d'une distance d'environ la séparation Terre-Lune serait capable d'exploiter la Terre comme une lentille de réfraction, écrit-il.

Une telle lentille serait complexe. Kipping a donc passé du temps à étudier et à simuler ses propriétés et comment elles pourraient être exploitées dans un terrascope géant. Les défis sont nombreux.

Pour commencer, l'atmosphère déforme ou réfracte la lumière des étoiles lorsqu'elle la traverse. Mais la quantité de réfraction dépend de la densité de l'atmosphère, qui varie avec l'altitude au-dessus de la surface. Ainsi, la lumière qui frôle la haute atmosphère est moins réfractée que la lumière qui pénètre plus profondément dans l'atmosphère.

Mais divers facteurs limitent la profondeur à laquelle la lumière peut plonger dans l'atmosphère. La plus évidente est que la lumière doit éviter la Terre elle-même. Mais les nuages ​​absorbent également la lumière, de sorte que toute lumière réfractée doit être suffisamment élevée au-dessus de la surface pour les éviter.

Un autre facteur important est que l'atmosphère et les aérosols qu'elle contient absorbent la lumière à des fréquences spécifiques. Kipping a donc dû déterminer combien pourrait être perdu dans ce processus.

L'atmosphère brille également faiblement, ce qui pourrait étouffer la lumière provenant de sources astrophysiques lointaines. Cette lueur de l'air, résultat de processus tels que la recombinaison de molécules dissociées par la lumière du soleil, signifie que le ciel nocturne n'est jamais complètement noir.

Mais Kipping souligne que la majeure partie de cette lumière pourrait être bloquée par un coronographe - essentiellement un petit disque sur le terrascope qui bloque la lumière du corps terrestre et même des parties inférieures de l'atmosphère, où une lentille utile ne se produit pas.

Une autre variable est que l'atmosphère se dilate ou se contracte lorsqu'elle est plus chaude ou plus froide. Cela changerait la distance focale du terrascope. Il serait donc important de trouver l'orbite optimale pour l'appareil.

Kipping étudie tous ces effets et plus encore. Ses calculs suggèrent qu'un télescope spatial d'un mètre en orbite à une distance de 360 ​​000 kilomètres, soit un peu plus près que la lune, serait optimal. Un tel appareil devrait collecter la lumière qui n'a pas plongé plus de 14 kilomètres dans l'atmosphère terrestre et rester ainsi bien au-dessus des nuages.

La planète faisant office de lentille, la lumière focalisée serait amplifiée d'un facteur 45 000 pendant un temps d'exposition de 20 heures. Cela équivaut à l'amplification obtenue par un télescope au sol d'un diamètre de 150 mètres.

Kipping conclut qu'un terrascope a un potentiel important. Bien qu'il ne calcule pas le coût d'une telle machine, il suggère qu'un télescope de 100 mètres sur Terre coûterait environ 35 milliards de dollars, un montant qui dépasse le budget combiné de la NASA et de la National Science Foundation.

Serait-il possible de construire, lancer et faire fonctionner un télescope d'un mètre à une distance de 360 ​​000 kilomètres pour moins cher ?

Probablement. L'un des observatoires les plus performants de ces dernières années a été le télescope spatial Kepler, qui a recherché et trouvé de nombreuses planètes semblables à la Terre en orbite autour d'autres étoiles. Cela tournait autour du soleil plutôt que de la Terre, à plus de 150 millions de kilomètres de chez nous. La mission a duré neuf ans, jusqu'à ce qu'elle soit à court de carburant et ne coûte que 550 millions de dollars.

Si l'on se fie à ces chiffres, un terrascope pourrait offrir un rapport qualité-prix remarquable.

Réf : arxiv.org/abs/1908.00490 : Le 'Terrascope' : sur la possibilité d'utiliser la Terre comme lentille atmosphérique

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