Euclid est un télescope spatial de l'Agence spatiale européenne (ESA) dont les observations doivent contribuer à déterminer l'origine de l'accélération de l'expansion de l'Univers et la nature de sa source, appelée génériquement énergie sombre. La mission repose sur des mesures du cisaillement gravitationnel et la détermination par spectroscopie de la distance des galaxies concernées.
Pour collecter les données nécessaires à l'atteinte de ces objectifs, Euclid dispose d'un télescope qui observe les galaxies en lumière visible et dans le proche infrarouge. La lumière collectée par son miroir primaire de de diamètre est analysée par l'imageur VIS observant en lumière visible et par le spectro-imageur infrarouge NISP. Les observations, qui portent sur une grande partie du ciel (), doivent permettre de déterminer la forme et le décalage vers le rouge des galaxies et groupes de galaxies. Les caractéristiques du télescope lui permettent de remonter de dix milliards d'années dans le temps et ainsi de couvrir la période où l'énergie sombre a joué un rôle significatif dans l'accélération de l'expansion de l'Univers.
Euclid est la deuxième mission de taille moyenne du programme scientifique de l'Agence spatiale européenne. Son développement a été confié à Airbus Toulouse pour la charge utile, à Thales Turin pour la plateforme et au consortium Euclid, rassemblant de nombreux laboratoires européens, pour l'instrumentation et l'exploitation des données recueillies. La mission a été sélectionnée en 2011. Euclid a été lancé le par une fusée Falcon 9. Il est en orbite autour du du système Terre-Soleil. La mission primaire a une durée prévue de sept ans.
Contexte
Au cours des dernières décennies, notre compréhension de la structure de l'Univers a fortement évolué. Les astrophysiciens ont découvert qu'une partie prépondérante de la matière était invisible (la matière noire). Ils ont également découvert que l'Univers s'agrandissait avec une vitesse croissante attribuée, à défaut d'une modification des lois de la gravitation, à l'influence d'un facteur baptisé énergie sombre. Ces deux composants ne peuvent être observés directement, mais leur présence peut être déduite de leur effet sur l'Univers observable. Plusieurs méthodes destinées à révéler leurs caractéristiques ont été mises au point au cours des années écoulées. L'une des plus efficaces est la lentille gravitationnelle faible. Cette méthode consiste à mesurer la déformation de la forme des galaxies sous l'effet de la lentille gravitationnelle des matières visible et noire présentes entre la Terre et ces galaxies. Le degré de distorsion permet de déduire comment se répartit la matière noire, en soustrayant l'effet de la matière observable. Par ailleurs, en mesurant le décalage vers le rouge des galaxies en arrière-plan (reflet de l'âge de l'image des galaxies), on peut estimer comment le phénomène de distorsion a évolué dans le temps. L'avantage de cette méthode est qu'elle constitue un moyen de mesure direct qui ne dépend pas d'hypothèses concernant la distribution de la matière visible et de la matière noire. C'est cette méthode que la mission Euclid met en œuvre..
Historique du projet
Les premiers travaux au sein de l'Agence spatiale européenne sur une mission spatiale destinée à étudier l'énergie sombre débutent en 2008. Le télescope spatial Euclid est choisi en 2011 dans le cadre du programme scientifique . La construction de l'engin spatial débute en 2015. Elle est confiée au consortium de laboratoires Euclid (instruments), à l'établissement de Turin de Thales Alenia Space (plateforme) et à l'établissement de Toulouse de la société Airbus Defence and Space (intégration de la charge utile). L'ensemble des tests d'intégration s'achève en 2023.
Définition du cahier des charges
En , le de l'Agence spatiale européenne (ESA) définit les caractéristiques d'une mission spatiale destinée à l'étude de l'énergie sombre. Les méthodes de détection envisagées font au préalable l'objet de longs débats et de simulations et études approfondies, car leur efficacité n'est initialement pas évidente. La mission est baptisée Euclid, en référence à Euclide, un mathématicien grec considéré comme le père de la géométrie.. Le projet Euclid prend la suite de la mission européenne Planck. Cette dernière a dressé la carte de la structure de l'Univers primordial (décalage vers le rouge de environ) tandis quEuclid vise à cartographier l'évolution des structures de l'Univers entre la période identifiée par un décalage vers le rouge de 2 jusqu'à maintenant. Euclid analyse la matière visible et la matière noire agrégées et réparties pour en déduire le taux d'expansion de l'Univers à différentes époques..
Sélection de la mission
Euclid est proposé comme deuxième mission de classe moyenne (M2) du programme scientifique (2015-2025) de l'ESA. Ces missions disposent d'un budget de l'agence plafonné à environ et Euclid tient tout juste dans ce plafond. La mission est choisie en avec , au terme d'un parcours de sélection débuté au cours de l'été 2007 qui l'opposait en finale à PLATO. Son lancement est planifié en 2023 .. En , l'Agence spatiale européenne confie au consortium Euclid la responsabilité de la mission, de la restitution des données produites et du développement des deux instruments scientifiques. Le consortium rassemble près de et une centaine de laboratoires de recherche.. Mi 2013 l'ESA sélectionne l'établissement italien (Turin) de Thales Alenia Space pour la construction du satellite. tandis que la fabrication du module dans lequel est intégrée la charge utile dEuclid (télescope et instruments) est confiée à l'établissement de Toulouse de la société Airbus Defence and Space. La NASA est également un contributeur du projet : elle fournit les du photomètre fonctionnant en proche infrarouge NISP, car elle seule maîtrise la technologie associée, en échange de la participation de américains à la mission ... Le développement de l'imageur est confié à un ensemble d'instituts de recherche menés par le Laboratoire de science spatiale Mullard (Royaume-Uni), tandis que le spectrographe est réalisé sous la direction du Laboratoire d'astrophysique de Marseille (LAM).
Construction du télescope spatial
En , la construction du modèle de vol dEuclid est lancée à la suite de la conclusion positive de la revue de définition préliminaire qui s'est déroulée au cours de l'automne.. Les miroirs et les détecteurs sont achevés en 2017 et 2018. La revue critique de conception qui a lieu en donne le feu vert pour le lancement de l'assemblage final. Les instruments NISP et VIS sont livrés respectivement en et un an plus tard à Airbus qui achève leur intégration en . La charge utile, comprenant télescope et instruments, est testée dans une chambre simulant le vide spatial pour permettre aux ingénieurs et scientifiques de comprendre comment utiliser l'instrument une fois celui-ci en orbite. Fin 2021, la charge utile quitte la France pour Turin en Italie afin d'y être assemblée avec le module de service. L'intégration des deux modules est réalisée en .
Euclid devait initialement être lancé en par une fusée Soyouz russe depuis la base de lancement de Kourou, piste abandonnée du fait de la suspension de la collaboration entre l'agence spatiale russe et Arianespace (conséquence de l'invasion de l'Ukraine par la Russie en ). L'ESA, contrainte de trouver une solution de rechange, a un temps envisagé la nouvelle fusée européenne Ariane 6 dans sa version la moins puissante ().., mais à l'issue du conseil de l'ESA du , Josef Aschbacher confirme quEuclid sera finalement lancé par une fusée Falcon 9 de SpaceX..
+Comparaison des caractéristiques des principaux télescopes spatiaux en lumière visible. Caractéristique Hubble Euclid Xuntian Nancy-Grace-RomanDate de mise en service 1990 2023 2024 vers 2027 Longueurs d'onde Ultraviolet () Visible () Proche infrarouge () Visible () Proche infrarouge () Ultraviolet () Visible (400-900 nm) Proche infrarouge () Visible (600-900 nm) Proche infrarouge ()Ouverture 2,4 m 1,2 m 2 m 2,4 mRésolution angulaire 0,1 seconde d'arc > 0,2 seconde d'arc 0,15 seconde d'arc > 0,2 seconde d'arcChamp de vue 0,17° x 0,17° 0,55° x 0,55° 1,1° x 1,1°0,28° x 0,28° Optique Ritchey-Chrétien Korsch Korsch Hors axe Système anastigmatique à trois miroirs
Objectifs scientifiques et méthode de détection
Euclid va sonder l'histoire de l'expansion de l'Univers (dont on pense qu'elle est gouvernée par l'énergie sombre) et celle de la formation des structures cosmiques. Pour ce faire, il va mesurer la distribution de la matière noire et des galaxies dans l'Univers et la manière dont cette répartition a évolué depuis le Big Bang. Celle-ci pourrait s'expliquer assez simplement dans le cadre de l’actuelle théorie de la gravitation, la théorie de la relativité générale d'Einstein, dont les équations contiennent un terme, appelé constante cosmologique et noté Λ, simulant bien les effets de l'énergie sombre. Mais pour certains physiciens et astrophysiciens, il s'agirait d'une véritable énigme portant en elle une révolution pour la physique fondamentale, impliquant soit l'existence d'une interaction nouvelle, une sorte d'antigravitation, soit une modification de la relativité générale, soit les deux. L'exploration de la nature profonde de l'énergie sombre étant hors de portée de la mission Planck, Euclid est une mission cosmologique complémentaire s'inscrivant dans la continuité des grandes missions spatiales de la cosmologie contemporaine.
Les méthodes utilisées reposent sur des mesures du cisaillement gravitationnel et de la distance des galaxies par la spectroscopie. Le cisaillement gravitationnel est une conséquence de la déflexion des rayons lumineux engendrée par la présence de matière qui modifie localement la courbure de l'espace-temps : la lumière émise par les galaxies et, par conséquent, les images que nous obtenons, sont déformées par l’interaction gravitationnelle de la matière présente entre celles-ci et la Terre. Cette matière est composée pour une petite partie des galaxies visibles, situées sur le chemin de la lumière, mais est pour l'essentiel de la matière noire. En mesurant ces déformations, on peut localiser la matière noire, en évaluer la quantité et savoir comment elle se distribue dans l'Univers. La spectroscopie des galaxies permet de mesurer les décalages spectraux des galaxies, donc leurs vitesses de récession, et, par là, de déterminer leurs distances, au moyen de la loi de Hubble-Lemaître. On parvient ainsi à reconstruire la distribution tri-dimensionnelle des populations de galaxies dans l'Univers.
À partir de ces données, il est possible d'analyser simultanément les propriétés statistiques des distributions de la matière noire et des galaxies et d'en décrire l'évolution au cours du temps. Ce sont ces propriétés et leur évolution qui sont des signatures de la nature de l'énergie sombre. Mais les distinctions entre les différentes hypothèses sur la nature de l'énergie sombre qui s'affrontent sont si infimes que seuls des projets d'observations astronomiques de grande ampleur portant sur des mesures de très haute précision, comme celles prévues avec Euclid, peuvent apporter des réponses décisives aux questions des physiciens.
Principaux résultats attendus
Au cours de la mission primaire, Euclid doit observer l'ensemble du ciel, hormis les régions du plan de l'écliptique et du plan galactique de la Voie lactée. Ces observations doivent couvrir une superficie de et permettre d'observer en lumière visible des objectifs jusqu'à la magnitude apparente de 24,5. Des observations prolongées de régions limitées de l'espace (superficie totale ) permettront d'observer des objets ayant une magnitude apparente de 26,5. Ces observations doivent permettre d'utiliser deux types de méthode. :