Les conditions d'implantation d'un nouveau synchrotron et le rôle des tres grands équipements dans la recherche publique. Tome 2.

XVI- ASTROPHYSIQUE SPATIALE

L'astrophysique spatiale connaît un développement rapide depuis quelques décennies, grâce à d'importantes évolutions technologiques et théoriques.

Grâce aux satellites et à la mise au point de nouveaux capteurs, les observations peuvent s'affranchir de l'écran que constitue l'atmosphère et porter sur l'ensemble de la gamme des longueurs d'ondes, ce qui ouvre à la connaissance des domaines entièrement nouveaux jusqu'ici seulement imaginés par les théoriciens.

Par ailleurs, l'astrophysique bénéfice de la convergence de cette discipline avec la physique des particules ou la physique des hautes énergies, ainsi que de la mise en _uvre de nouvelles techniques de modélisation numérique des événements ayant pu survenir ou survenant encore dans l'Univers.

Les TGE spatiaux sont donc désormais absolument indispensables au développement de l'astrophysique. Ils comptent pour 570 millions de francs par an, dont 400 millions de contribution à l'ESA (European Space Agency - Agence spatiale européenne).

Pour autant, leur utilisation est complémentaire de celle des TGE au sol décrits précédemment, la frontière entre l'astronomie et l'astrophysique étant au demeurant fort ténue et n'étant reprise ici qu'en prolongement de ce qui est pratiqué par le ministère de la recherche.

1. Les moyens lourds de l'astrophysique spatiale

Selon le modèle actuel de formation de l'univers, après le Big Bang, une inflation de l'univers est intervenue avec une phase de nucléosynthèse, puis de recombinaison des noyaux et de réionisation. Ensuite se sont produites successivement la formation de galaxies, de systèmes planétaires et enfin l'apparition de matériaux biologiques puis d'une vie intelligente.

Les questions clés de l'astronomie peuvent être situées le long de ce trajet évolutif.

Le point de départ est constitué par l'étude du corps noir cosmologique et la formation des grandes structures. Les autres sujets essentiels sont l'étude de la formation et de l'évolution des galaxies, des étoiles, des systèmes planétaires et enfin la compréhension de l'environnement spatial et la prévision.

S'agissant des moyens d'observation indispensables à l'astronomie, il faut disposer d'une panoplie d'instruments recouvrant la plus large gamme possible de longueurs d'ondes.

La nécessité de combiner des observations faites sur un large spectre et donc, le plus souvent, par un ensemble d'instruments distincts, a puissamment poussé l'astronomie à développer ses TGE sur une base internationale. S'il y a coopération globale, il reste une compétition au niveau des instruments eux-mêmes et de l'exploitation scientifique des données recueillies.

On trouvera ci-dessous un tableau simplifié regroupant les différents équipements spatiaux de l'astrophysique par grand domaine d'observation.

Tableau 40 : TGE de l'astrophysique spatiale en fonctionnement ou arrêtés

Astronomie infrarouge	ISO : mission arrêtée en 1998
Astronomie IR lointain et submillimétrique	FIRST/PLANCK : lancement prévu en 2007
Astronomie des hautes énergies	XMM-Newton : lancé en 1999 INTEGRAL : lancement prévu en 2002
Observation du Soleil	SOHO : mission en cours, arrêt prévu en 2003
Astrométrie spatiale	HIPPARCOS : mission arrêtée en 1995

2. Les TGE de l'astrophysique dans la nomenclature actuelle

On trouvera ci-dessous les dépenses correspondant aux TGE de l'astrophysique spatiale tels qu'ils sont répertoriés dans la nomenclature du ministère de la recherche.

Tableau 41 : Evolution des dépenses relatives à ISO ¹

millions de francs	dépenses	1990	1991	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998	1999	2000
ISO (TGE scientifique)	personnel	7	7	4	5	4	11	11
	exploitation						3	4	2	1	1	1
	construction	130	93	56	60	59	48	25	20	12	7	5
	total	137	100	60	65	63	62	40	22	13	8	6

A titre indicatif, la participation française cumulée de 1990 à 2000 aux dépenses de construction d'ISO, un programme de l'ESA, représente une dépense de 515 millions de francs, pour un satellite ayant fonctionné de 1995 à 1998.

Compte tenu des délais d'étude, les investissements dans les missions FIRST et PLANCK ont commencé dès 1998, pour un lancement prévu en 2007.

Tableau 42 : Evolution des dépenses relatives à First/Planck ²

millions de francs	dépenses	1990	1991	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998	1999	2000
First/Planck (TGE scientifique)	personnel									0	4	7
	exploitation
	construction									4	10	40
	total	0	0	0	0	0	0	0	0	4	14	47

S'agissant de l'astronomie des hautes énergies, la dépense cumulée relative au satellite XMM de spectroscopie en rayons X lancé en 1999, s'établit à 818 millions de francs, dont 787 correspondant à la construction.

Tableau 43 : Evolution des dépenses relatives à XMM ³

millions de francs	dépenses	1990	1991	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998	1999	2000
XMM (TGE scientifique)	personnel			5	4	4	8	7
	exploitation									1		2
	construction			5	17	65	123	159	171	98	100	49
	total	0	0	10	21	69	131	166	171	99	100	51

Le satellite INTEGRAL d'observation en rayonnement gamma dont le lancement est prévu en 2002, correspond aujourd'hui à une dépense cumulée de 624 millions de francs.

Tableau 44 : Evolution des dépenses relatives à INTEGRAL ⁴

millions de francs	dépenses	1990	1991	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998	1999	2000
INTEGRAL (TGE scientifique)	personnel				1	2	11	7	16	17	19	15
	exploitation
	construction					7	28	54	123	142	111	71
	total	0	0	0	1	9	39	61	139	159	130	86

La dépense cumulée pour le satellite SOHO d'observation du Soleil opérationnel de 1995 à 2003, atteint 1,17 milliard de francs sur la période 1990-2000.

Tableau 45 : Evolution des dépenses relatives à SOHO ⁵

millions de francs	dépenses	1990	1991	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998	1999	2000
SOHO (TGE scientifique)	personnel		6	9	5	2	18	12
	exploitation											21
	construction	81	157	235	213	176	142	64	27	2
	total	81	163	244	218	178	160	76	27	2	0	21

On citera pour mémoire les missions SIGMA d'astronomie gamma et HIPPARCOS, d'astrométrie spatiale.

Tableau 46 : Evolution des dépenses relatives à HIPPARCOS ⁶

millions de francs	dépenses	1990	1991	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998	1999	2000
HIPPARCOS (TGE scientifique)	personnel					2	4
	exploitation	21	1	3	3
	construction			2	5
	total	21	1	5	8	2	4	0	0	0	0	0

Tableau 47 : Evolution des dépenses relatives à SIGMA ⁷

millions de francs	dépenses	1990	1991	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998	1999	2000
SIGMA (TGE scientifique)	personnel	4	5	4	4	2	4	2
	exploitation	5	6	6	4	3
	construction
	total	9	11	10	8	5	4	2	0	0	0	0

Enfin, le programme Mission à coût réduit correspond à des micro-satellites, avec des coûts annuels de l'ordre de 60 millions de francs.

Tableau 48 : Evolution des dépenses relatives à la Mission à coût réduit ⁸

millions de francs	dépenses	1990	1991	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998	1999	2000
Mission coût réduit (TGE scientifique)	personnel
	exploitation
	construction									11	50	69
	total	0	0	0	0	0	0	0	0	11	50	69

Au total, en retenant les missions ci-dessus, la dépense annuelle relative aux TGE de l'astrophysique spatiale a été relativement constante au cours de la période, à l'exception des trois années 1995, 1996 et 1997 correspondant à un pic de dépenses pour SOHO et XMM.

Figure 28 : Evolution des dépenses annuelles dans les TGE de l'astrophysique spatiale

Il reste que la part des TGE spatiaux de l'astrophysique dans le total des TGE scientifiques et techniques enregistre une diminution constante qui l'a conduit à 6,1 % du total en 2000.

Figure 29 : Evolution des dépenses relatives aux TGE de l'astrophysique spatiale par rapport aux dépenses totales des TGE scientifiques et techniques

On peut citer enfin pour mémoire le Hubble Space Telescope (HST) au financement duquel la France participe, par l'intermédiaire de sa contribution à l'ESA.

3. Les besoins prévisibles en TGE de l'astrophysique

Le télescope spatial NGST (New Generation Space Telescope) qui succédera au Hubble Space Telescope , fournira des relevés dans le proche infrarouge avec une sensibilité de 100 fois à 10 000 fois plus grandes que l'instrumentation actuelle. Complémentaire du projet au sol ALMA, il devrait permettre d'observer les premières étoiles qui se sont formées à la fin de la phase de découplage de la matière et de la lumière après le Big Bang.

Le satellite FIRST, observatoire en infrarouge lointain et en submillimétrique, permettra aussi bien l'étude de la formation des galaxies que celle des étoiles et de leurs systèmes planétaires. PLANCK sera consacré à l'étude du fond cosmologique émis 300 000 ans après le Big Bang et de ses anisotropies.

Le projet GAIA devrait permettre de décrire les structures de notre galaxie et leur distribution, avec une précision semblable à celle d'HIPPARCOS pour celles du voisinage du Soleil.

Le projet INTEGRAL d'observation de l'univers en rayonnement gamma, dont le lancement est prévu en avril 2002, permettra l'observation des sources cosmiques les plus énergétiques, des galaxies actives aux objets non identifiés de rayonnement gamma par exemple.

On trouvera ci-après le programme Horizons 2000 de l'ESA pour ce qui concerne l'astrophysique.

Origine, évolution et structure de l'Univers Lois de la physique fondamentale	Origine et évolution des étoiles et des systèmes planétaires et détection des planètes telluriques
2002 : AGILE - le rayonnement gamma dans l'univers
2004 : STEP - vérification des théories fondamentales de la relativité
2007 : PLANCK - étude de la texture de l'Univers à partir du Big Bang	2007 : FIRST - étude de l'évolution des étoiles et des galaxies
2009 : NGST - étude de l'origine et de l'évolution des premières galaxies	2009 : HST/NGST - étude des toutes premières galaxies, des étoiles et des systèmes planétaires
2009 ( ?) : HYPER - Interférométrie de très haute précision par senseurs à atomes froids	2009 : GAIA - pointage précis des étoiles, de leurs déplacements et de leurs distances dans notre galaxie et détection de planètes extra-solaires
2009 : LISA - détection des ondes gravitationnelles des trous noirs massifs et des systèmes binaires
? : XEUS - caractérisation des premiers objets chauds dans l'Univers	? : IRSI-DARWIN : identification et caractérisation d'exoplanètes telluriques et recherche de signes de vie possibles

L'astrophysique est sans aucun doute une discipline en pleine expansion grâce à un recours aux satellites qui s'avèrent extrêmement précieux.

La contrepartie de ce développement est de requérir des investissements considérables, compte tenu du coût des missions spatiales.

Sans doute des arbitrages pourront-ils s'avérer nécessaires avec d'autres projets spatiaux.

Ces arbitrages entre des projets de recherche fondamentale à long terme et d'autres projets d'utilité plus immédiate comme les projets de satellites météorologiques, pourraient en réalité s'avérer délicats.