Sur la face cachée de la Lune, un télescope pour écouter les premiers murmures de l’Univers

Il y a plusieurs millions d'années, un astéroïde s'est écrasé sur la face cachée de la Lune, l'hémisphère qui est toujours tourné vers le côté opposé à la Terre. Dans les années à venir, un robot pourrait atterrir dans le cratère qu'il a créé et construire un radiotélescope destiné au futur de l'astronomie. 

Il s'agit des prémices d'un projet ambitieux de la NASA nommé Lunar Crater Radio Telescope, ou LCRT, qui vise à transformer un cratère lunaire en télescope grâce à des robots d'auto-assemblage. La Lune bloque les interférences radio parasites provenant de la Terre et sa face cachée est couverte de cratères qui pourraient servir de paraboles pour le télescope. Cela en fait l'emplacement idéal pour capter les faibles ondes radio provenant de ce que l'on appelle les âges sombres cosmiques, une époque mystérieuse située entre le Big Bang et la naissance des premières étoiles. 

Étudier ces ondes radio anciennes permettra aux scientifiques d'explorer la nature même de la réalité. « Nous pourrions ainsi confirmer ou infirmer nos connaissances physiques », explique Saptarshi Bandyopadhyay, technicien en robotique au Jet Propulsion Laboratory (Laboratoire de recherche sur la propulsion par réaction) de la NASA en Californie et chercheur principal du projet LCRT. 

Ce télescope, destiné à être installé dans un cratère lunaire, n'est qu'un des projets en lice pour mener des observations astronomiques sur la face cachée de la Lune. Le projet LCRT est encore en cours de développement, il n'a pas encore été construit et aucune date de lancement n'a été fixée. Toutefois, un prototype bien plus petit devrait être lancé plus tard cette année. Et avec l'accélération du programme Artemis de la NASA, qui promet un rythme plus soutenu de missions vers la Lune, tant habitées que robotiques, un nouvel élan se fait sentir derrière l'idée d'installer un radiotélescope sur notre satellite naturel.

« Cela ouvre une nouvelle fenêtre sur l'Univers et il ne nous en reste plus beaucoup [à découvrir] », indique Michael Garrett, astronome et directeur du Jodrell Bank Centre for Astrophysics, en Angleterre. « Il s'agit là de la plus grande ».

LES FANTÔMES DE L'UNIVERS PRIMORDIAL

Des explosions stellaires aux aurores planétaires, presque tout ce qui produit de l'énergie dans l'Univers émet des ondes radio, le même type d'ondes que la radio de votre voiture convertit en son. Contrairement à la lumière visible, les êtres humains ne peuvent ni voir ni entendre ces ondes. Malheureusement, pour les astronomes qui souhaitent capter tout cela, la Terre agit comme un mégaphone tonitruant : non seulement son ionosphère, la couche électrifiée de la haute atmosphère de notre planète, fait énormément de bruit, mais toutes nos technologies ne cessent d'émettre des ondes radio artificielles. 

« C'est un bruit épouvantable », affirme Anže Slosar, chercheur au Laboratoire national de Brookhaven, à New York. Pour un astronome qui espère observer l'Univers lointain, « c'est comme regarder vers le ciel depuis le fond d'une piscine ». Et les scientifiques ne peuvent pas faire grand-chose depuis la Terre. « La seule façon d'y échapper, c'est de s'en cacher », affirme-t-il. 

Heureusement, il existe une excellente cachette à plus de 380 000 kilomètres. Selon Michael Garrett, « la Lune est l'un des meilleurs endroits pour la radioastronomie ». Si l'on se trouve sur la face cachée de la Lune, on est dos à la Terre et la Lune agit comme une barrière géologique géante contre la cacophonie de notre planète. Si l'on effectue des mesures la nuit, cela permet de filtrer également les interférences radio émises par le Soleil. 

Sans tous ces signaux parasites, un télescope lunaire pourrait capter tout un éventail de signaux que les radiotélescopes sur Terre ont plus de mal à capter. « C'est également important pour la recherche d'une intelligence extraterrestre », indique Michael Garrett. L'une des principales difficultés à l'identification d'un signal radio provenant d'une technologie extraterrestre consiste à le distinguer des émissions radio provenant de la Terre. Cela serait bien plus facile à réaliser depuis la face cachée - et calme - de la Lune.

Toute activité de radioastronomie menée sur la Lune serait la bienvenue. Toutefois, détecter un signal provenant « des âges sombres cosmiques est l'objectif à long terme », souligne Anže Slosar. Environ 380 000 ans après le Big Bang, l'Univers n'était qu'un bouillon d'hydrogène neutre. Ce gaz a fini par s'agglomérer et s'enflammer pour former les premières étoiles mais, avant ça, il n'y avait rien d'autre que l'obscurité. 

Néanmoins, l'hydrogène pur émet des ondes radio d'une longueur d'onde bien spécifique. Ce signal lointain serait extrêmement faible mais si les scientifiques parvenaient à le capter, ils pourraient découvrir comment la matière baryonique, ou ordinaire, a interagi avec la matière noire énigmatique, une sorte de colle encore indétectable qui lie les éléments de l'Univers, pour façonner l'Univers que nous connaissons aujourd'hui. 

Rien ne garantit qu'un télescope installé sur la face cachée de la Lune parviendra à capter quoi que ce soit. Effectivement, même avec la Terre et le Soleil masqués, le bourdonnement de la Voie lactée lui-même sera bien plus bruyant que ces murmures d'hydrogène. Mais s'il détecte ces murmures, notre compréhension de l'Univers en sera bouleversée à jamais. « C'est un territoire totalement inexploré », affirme Michael Garrett. 

UN PROJET PIONNIER EN MATIÈRE DE RADIOTÉLESCOPES

Dans un premier temps, les scientifiques doivent démontrer que la radioastronomie est possible sur la Lune. C'est l'objectif de la prochaine expérience Lunar Surface Electromagnetics Experiment-Night, ou Lu-SEE Night, menée conjointement par la NASA, le laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis et l'université de Californie (UC) à Berkeley. 

L'outil le plus important de Lu-SEE Night est son récepteur radio ultrasensible capable, en théorie, de capter une multitude d'anciens signaux radio provenant de l'Univers primordial. Il s'agit d'un test simple qui doit relever un défi de taille. 

« Aucune mission des États-Unis n'a atterri sur la face cachée de la Lune. Aucune entreprise privée n'a atterri sur la face cachée de la Lune », affirme Anže Slosar, qui dirige le projet Lu-SEE. Et personne n'a jamais entendu de signaux radio cosmiques sur la face cachée de la Lune. 

L'environnement lunaire représentera la plus grande menace. Il existe un faible risque qu'une micrométéorite, de la taille d'une balle, heurte le robot de manière dramatique. Autre risque selon Anže Slosar : « les variations de températures sont extrêmement importantes », se situant entre -170 °C et 120 °C au niveau de la surface de la Lune. Lu-SEE Night est équipé de radiateurs et de systèmes de refroidissement internes afin d'éviter qu'il ne gèle ou ne surchauffe. Mais personne ne sait avec certitude si cela fonctionnera. 

« Si nous parvenons à survivre à la première nuit, nous pourrons survivre à de nombreuses autres », affirme Anže Slosar. Dans l'idéal, le radiotélescope miniature devrait fonctionner pendant environ dix-huit mois. 

Lu-SEE Night devrait se diriger vers la Lune à bord de l'atterriseur de Firefly Aerospace dans le courant de l'année. Les radioastronomes du monde entier suivront la mission de près. Si cela fonctionne, la perspective d'un projet encore plus important semblera alors bien plus concrète. 

UNE SENTINELLE LUNAIRE QUI S'AUTOASSEMBLE

Les scientifiques ont soumis une multitude d'idées de radiotélescopes lunaires. La version finale devra être suffisamment grande pour capter ces signaux radio lointains, ce que permet le LCRT en tirant parti de la topographie cratérisée de la Lune. 

La construction du télescope serait confiée à une flotte de robots : un atterrisseur déposerait au centre de l'un des cratères d'impact lunaires un treillis concave constitué de fils métalliques et doté de panneaux réfléchissants. Ces panneaux renverraient les ondes radio provenant du ciel vers un récepteur suspendu au-dessus du fond du cratère. Plusieurs astromobiles supplémentaires tireraient les fils jusqu'au bord du cratère et les tendraient, soulevant ainsi à la fois le treillis et le récepteur. Le cratère protègerait le télescope de toute onde radio ne provenant pas du ciel, y compris des ondes radio solaires qui auraient réussi à rebondir sur la surface de la Lune. 

C'était, du moins, l'idée initiale du LCRT. Cependant, Saptarshi Bandyopadhyay avait quelques réserves. Devoir compter sur plusieurs robots pour accomplir cette tâche signifie que si l'un d'entre eux ne fonctionnait pas correctement, le télescope serait incomplet. De plus, le processus serait assez lent, ce qui pourrait exposer les robots à plusieurs cycles jour-nuit dangereux, susceptibles de les tuer. 

Saptarshi Bandyopadhyay a communiqué les plans révisés du télescope à National Geographic. Dans ce scénario, l'équipe du projet LCRT a réduit sa flotte de robots à un seul. Un droïde solitaire atterrirait au milieu d'un grand cratère d'impact, de plus de 1 300 mètres de diamètre, suffisamment grand pour donner sa forme expansive au LCRT mais pas trop grand pour ne pas gêner l'assemblage, puis lancerait des câbles d'ancrage dans plusieurs directions. Une fois leurs ancrages attachés au bord du cratère, des moteurs les tendraient, soulevant ainsi le récepteur radio au-dessus de l'atterrisseur. 

Au cours de cette installation, un réflecteur d'ondes radio de 350 mètres de long, conçu pour concentrer les ondes radio provenant du ciel vers le récepteur, se déploiera comme une fleur en forme d'étoile en pleine floraison. « Nous nous sommes inspirés de l'origami », affirme Saptarshi Bandyopadhyay.

Cette version du LCRT est non seulement élégante, mais aussi pragmatique. L'utilisation d'un seul robot réduit les points de défaillance et diminue le coût global de la mission. La suspension du télescope dans les airs permet également d'éviter les interférences causées par la poussière lunaire chargée en électricité, auxquelles d'autres modèles fixés à la surface de la Lune pourraient être exposés. De plus, le fait de s'appuyer sur une structure existante, le cratère, facilite un assemblage rapide et offre une protection contre les sources indésirables d'ondes radio, le Soleil par exemple. 

En misant tout sur un seul robot, le projet LCRT resterait tout de même un pari risqué en matière de mission spatiale. Il est toutefois soutenu par deux programmes de la NASA : le NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) et l'Astrophysics Research and Analysis Program, ce qui laisse penser que les responsables pensent que cela vaut la peine d'essayer. 

L'équipe du projet LCRT teste actuellement différents types d'ancrages afin de déterminer celui qui pourrait être le plus efficace. Les ingénieurs utilisent également des maquettes du télescope afin de vérifier si sa structure en origami lui permettra de capter efficacement les ondes radio. Dans l'idéal, ils souhaitent, à terme, envoyer certains composants prototypes sur la Lune afin de les tester dans des conditions impossibles à reproduire sur Terre. 

Peut-être que le radiotélescope qui sera installé sur la face cachée de la Lune ne sera finalement pas le LCRT mais l'une des autres conceptions proposées dans le cadre de la mission. Pour sa part, Saptarshi Bandyopadhyay ne sera pas trop déçu par cette issue : tant que quelqu'un est là-haut pour écouter les messages extraterrestres ou les murmures fantomatiques provenant des âges sombres cosmiques, il sera ravi. 

« Ce qui compte, c'est la science : élargir notre compréhension d'une partie de l'Univers que nous n'avons jamais vue auparavant », affirme-t-il.