Depuis que les astronomes ont commencé à utiliser des télescopes pour mieux voir le ciel, ils ont dû faire face à une énigme de base. En plus du grossissement, les télescopes doivent également être capables de résoudre les petits détails d'un objet afin de nous aider à mieux les comprendre. Pour ce faire, il faut construire des miroirs collecteurs de lumière de plus en plus grands, ce qui nécessite des instruments de plus grande taille, de coût et de complexité.
Cependant, les scientifiques travaillant au Space Flight Center de la NASA Goddard travaillent sur une alternative peu coûteuse. Au lieu de s'appuyer sur des télescopes grands et peu pratiques à grande ouverture, ils ont proposé un appareil qui pourrait résoudre de minuscules détails tout en étant une fraction de la taille. Il est connu sous le nom de tamis à photons, et il est spécifiquement développé pour étudier la couronne solaire du soleil dans l'ultraviolet.
Fondamentalement, le tamis à photons est une variation de la plaque de zone de Fresnel, une forme d'optique qui consiste en des ensembles d'anneaux étroitement espacés qui alternent entre le transparent et l'opaque. Contrairement aux télescopes qui focalisent la lumière par réfraction ou réflexion, ces plaques provoquent une diffraction de la lumière à travers des ouvertures transparentes. De l'autre côté, la lumière se chevauche et est ensuite focalisée sur un point spécifique - créant une image qui peut être enregistrée.
Le tamis à photons fonctionne sur les mêmes principes de base, mais avec une touche légèrement plus sophistiquée. Au lieu d'ouvertures minces (c'est-à-dire des zones de Fresnel), le tamis est constitué d'une lentille circulaire en silicium parsemée de millions de minuscules trous. Bien qu'un tel appareil soit potentiellement utile à toutes les longueurs d'onde, l'équipe Goddard développe spécifiquement le tamis à photons pour répondre à une question vieille de 50 ans sur le Soleil.
Essentiellement, ils espèrent étudier la couronne du Soleil pour voir quel mécanisme la chauffe. Depuis quelque temps, les scientifiques savent que la couronne et les autres couches de l'atmosphère du Soleil (la chromosphère, la région de transition et l'héliosphère) sont nettement plus chaudes que sa surface. Pourquoi cela est resté un mystère. Mais peut-être pas beaucoup plus longtemps.
Comme Doug Rabin, le chef de l'équipe Goddard, l'a déclaré dans un communiqué de presse de la NASA:
«C'est déjà un succès… Depuis plus de 50 ans, la question centrale sans réponse de la science solaire coronale est de comprendre comment l'énergie transportée par le bas est capable de chauffer la couronne. Les instruments actuels ont des résolutions spatiales environ 100 fois supérieures aux caractéristiques qui doivent être observées pour comprendre ce processus. »
Avec le soutien du programme de recherche et développement de Goddard, l'équipe a déjà fabriqué trois tamis, qui mesurent tous 7,62 cm (3 pouces) de diamètre. Chaque appareil contient une plaquette de silicium avec 16 millions de trous, dont les tailles et les emplacements ont été déterminés à l'aide d'une technique de fabrication appelée photolithographie - où la lumière est utilisée pour transférer un motif géométrique d'un photomasque à une surface.
Cependant, à long terme, ils espèrent créer un tamis qui mesurera 1 mètre (3 pieds) de diamètre. Avec un instrument de cette taille, ils croient qu’ils pourront atteindre une résolution angulaire jusqu'à 100 fois meilleure dans l’ultraviolet que le télescope spatial haute résolution de la NASA - le Solar Dynamics Observatory. Ce serait juste suffisant pour commencer à obtenir des réponses de la couronne du Soleil.
Dans l'intervalle, l'équipe prévoit de commencer les tests pour voir si le tamis peut fonctionner dans l'espace, un processus qui devrait prendre moins d'un an. Cela comprendra s'il peut ou non survivre aux forces g intenses d'un lancement spatial, ainsi qu'à l'environnement extrême de l'espace. Il est également prévu de marier la technologie à une série de CubeSats afin qu'une mission de vol en formation à deux vaisseaux spatiaux puisse être montée pour étudier la couronne du Soleil.
En plus de faire la lumière sur les mystères du Soleil, un tamis à photons réussi pourrait révolutionner l'optique telle que nous la connaissons. Plutôt que d'être obligés d'envoyer des appareils massifs et coûteux dans l'espace (comme le télescope spatial Hubble ou le télescope James Webb), les astronomes pourraient obtenir toutes les images haute résolution dont ils ont besoin à partir d'appareils suffisamment petits pour rester à bord d'un satellite ne mesurant pas plus de quelques mètres carrés.
Cela ouvrirait de nouveaux sites pour la recherche spatiale, permettant aux entreprises privées et aux instituts de recherche de prendre des photos détaillées d'étoiles lointaines, de planètes et d'autres objets célestes. Cela constituerait également une autre étape cruciale pour rendre l'exploration spatiale abordable et accessible.
