Lettre scientifique Novembre 2016

Le futur satellite SPICA

La mission SPICA (SPace Infrared telescope for Cosmology and Astrophysics), capture-decran-2016-11-25-a-17-06-30proposée à l’appel M5 de l’ESA est un projet commun européen-japonais d’observatoire spatial infrarouge avec un grand télescope et une instrumentation refroidis activement conçus pour atteindre la limite maximale de sensibilité. Avec un miroir primaire de 2,5 mètres refroidi à moins de 8 K, et avec une nouvelle génération de réseaux de détecteurs ultra-sensibles, SPICA couvrira la riche gamme spectrale 12-350 μm, et sera capable de faire des relevés larges et profonds à des sensibilités sans précédent en spectroscopie, photométrie et polarimétrie, avec un gain en sensibilité brute de plus de deux ordres de grandeur par rapport aux précédentes missions spatiales Spitzer et Herschel. Compte tenu de ce gain en sensibilité et des longueurs d’onde couvertes, SPICA permettra à la fois d’approfondir les découvertes de ALMA, JWST et d’autres télescopes basés au sol, mais aussi ouvrira de nouveaux horizons.

S P I C A fonctionnera comme un véritable observatoire ouvert à la communauté. Les deux instruments, SAFARI (Europe/Canada-US), et SMI (Japon), offrent ensemble plusieurs modes de fonctionnement avec une haute (R ~ 28000) et faible (R ~ 150) résolution en spectroscopie dans l’infrarouge moyen et court, mais aussi une résolution moyenne (R jusqu’à 11000) couvrant instantanément l’ensemble des bandes 17-35 et 35 à 230 μm à une sensibilité de quelques 10 -20 Wm -2 (5σ , 10hr). En outre, SMI fournira des possibilités d’imagerie de 10’ × 12′ de champ de vue dans l’infrarouge moyen à 34 μm et SAFARI permettra de l’imagerie polarimétrique dans l’infrarouge lointain. Le LAB est en charge du développement technique d’une partie de l’instrument SAFARI. Scientifiquement, l’équipe formation stellaire du LAB est très impliquée dans les deux premiers objectifs décrits ci-dessous.

Un des objectifs principaux de SPICA est de révéler les processus physiques qui régissent la formation et l’évolution des galaxies et des trous noirs sur une fraction significative du temps cosmique. Avec la sensibilité atteinte en spectroscopie infrarouge, nous obtiendrons la première mesure précise à la fois des taux de formation stellaire et des taux d’accrétion des trous noirs dans les galaxies sur plus de 90% de l ‘âge de l’Univers . Nous mesurerons les métallicités en phase gazeuse, les densités, les températures, les champs de rayonnement, et révèlerons les mécanismes de rétroaction dans de grands échantillons de galaxies lointaines, sur plus de 12 milliards d’années, couvrant une large gamme de masse et de luminosité. Des relevés profonds de grandes régions avec SPICA fourniront des spectres de basse résolution et des flux continuum en infrarouge moyen pour des

échantillons non-biaisés de dizaines de milliers de galaxies. Ces relevés ont le potentiel de découvrir les galaxies les plus jeunes, les plus lumineuses dans la premières quelques centaines de millions d’années du temps cosmique.
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Illustration schématique du cycle de la matière dont les différentes étapes seront étudiées par SPICA. La formation d’étoiles et l’ évolution stellaire conduisent aux supenovae et à la perte de masse stellaire, ensemençant l’ISM avec de la poussière, des métaux et des molécules. Le gaz enrichi en métal se refroidit et accrète sur le disque pour former de nouvelles étoiles , commençant le cycle à nouveau.

 

Un deuxième objectif clé de SPICA est derésoudre pour la première fois la polarisation eninfrarouge lointain, et donc de pouvoir étudier lechamp magnétique des filaments galactiques quijoue un rôle critique au début du processus deformation d’étoiles. En outre, les capacitésspectroscopiques de SPICA feront la lumière sur lanature du gaz turbulent et les mécanismes dedissipation d’énergie dans les filaments,permettant ainsi de faire progresser les théoriesde formation stellaire.Enfin, un troisième objectif clé de SPICA est lacompréhension de la formation et l’évolution dessystèmes planétaires. La formation planétaire estprofondément liée à l’évolution du réservoir degaz, qui peut être tracé de façon unique dans les systèmes planétaires par les observations de la molécule HD. SPICA caractérisera la masse dudisque de gaz chaud jusqu’au stade de dispersion du gaz. Grâce aux capacités de haute résolution spectrale de SPICA en IR moyen, la dispersion du gaz dans les systèmes planétaires en formation sera mesurée à l’aide d’un ensemble unique de traceurs du gaz moléculaire, atomique et ionisé. En outre, SPICA sondera de manière unique les multiples phases de l’eau (vapeur chaude et froide, glace), qui ne peuvent être observées de la Terre. L’étude de l’eau, tout au long de l’évolution des systèmes planétaires en formation, nous aidera aussi à comprendre l’apparition/délivrance de l’eau dans le système solaire et sur la Terre encore en for mation. SPICA couvrira des signatures uniques minérales et de poussière pour sonder l’évolution de la composition en poussière des systèmes de formation planétaires aux disques de débris.Avec la sensibilité de SPICA, les objectifs scientifiques clés ci-dessus peuvent être obtenus dans des échantillons statistiques de centaines de systèmes planétaires en formation de la Voie lactée.

 

Pour aller plus loin :
Contacts au LAB : Fabrice Herpin, Sylvain Bontemps, Jonathan Braine