Illuminating the Physics of Cosmic Origin and Evolution: A UK Space Frontiers 2035 White Paper

Résumé Technique : SIRMOS – Satellite pour la Spectroscopie Multi-Objet dans l'Infrarouge

Problématique
La compréhension cosmologique actuelle fait face à trois lacunes fondamentales concernant l'origine et l'évolution de l'Univers : la physique spécifique de l'inflation cosmique, la nature de l'énergie noire (DE) qui conduit l'accélération actuelle de l'expansion, et l'échelle de masse absolue des neutrinos. Bien que le Fond Diffus Cosmologique (CMB) et les relevés de galaxies à bas décalage vers le rouge ($z \lesssim 2$) aient fait progresser le domaine, ils manquent de sensibilité pour distinguer les modèles concurrents dans des régimes critiques.

• Inflation : Les mesures actuelles de la non-gaussianité primordiale ($f_{NL}$) sont insuffisantes pour exclure les modèles d'inflation à champs multiples par rapport aux scénarios à champ unique.
• Énergie Noire : Des indices récents d'un état de l'équation de l'énergie noire évolutive ($w(z)$) et d'un comportement « fantôme » ($w < -1$) à des décalages vers le rouge élevés ($1,5 \lesssim z \lesssim 4$) restent non confirmés en raison d'un manque de données spectroscopiques dans ce « fossé de redshift ». Les relevés existants reposent également sur des paramétrisations phénoménologiques (CPL) qui peuvent biaiser la sélection des modèles.
• Masse des Neutrinos : Les contraintes cosmologiques actuelles sur la somme des masses de neutrinos ($\sum m_\nu$) ne sont pas assez précises pour détecter le scénario de masse minimale ($\sim 0,06$ eV) avec une signification élevée, laissant l'hiérarchie de masse indéterminée.

Les observations au sol sont en outre limitées par l'absorption atmosphérique, la transmission variable et les raies d'émission du ciel OH, qui fragmentent la fenêtre spectrale du proche infrarouge (NIR) et introduisent des incertitudes systématiques difficiles à modéliser pour les mesures à très grande échelle.

Méthodologie et Concept de Mission
Le document propose SIRMOS (Satellite for InfraRed Multi-Object Spectroscopy), une mission de classe NASA MIDEX conçue pour mener un relevé spectroscopique à large champ et haut débit.

• Portée du Relevé : La mission cible une zone du ciel de 14 000 deg², couvrant la plage de décalage vers le rouge $1 < z < 4$. L'objectif est d'obtenir des redshifts spectroscopiques pour plus de $10^8$ (100 millions) de galaxies, créant une carte 3D dense et homogène de la structure cosmique avec un volume de $\sim 500$ Gpc³.
• Instrumentation :
  • Télescope : Un télescope de 60 cm de diamètre, entièrement réfléchissant, hors axe, refroidi à 140 K pour minimiser le fond thermique. Il présente un champ de vue (FoV) de $\sim 1$ deg².
  • Spectroscopie : Utilisation d'un dispositif de micro-miroirs numériques (DMD) pour sélectionner et diriger simultanément la lumière de $\sim 4\,000$ cibles vers un spectromètre. Cela permet une spectroscopie par fente à haute multiplicité.
  • Détecteurs : Le spectromètre utilise une matrice focale de type Teledyne HAWAII-4RG (H4RG) 4K$\times$4K HgCdTe, offrant une couverture de longueur d'onde continue de 1,25 à 2,5 $\mu$m à résolution modérée.
  • Imageur : Un imageur hors axe surveille les étoiles de référence pour garantir que le motif de fente du DMD s'aligne avec les positions du ciel à moins de 0,1 seconde d'arc.
• Stratégie Opérationnelle : La mission opérera sur une orbite héliosynchrone. Pour atteindre l'objectif de $10^8$ spectres, chaque champ sera observé pendant un total de 51 minutes, divisées en trois visites de 17 minutes sur une mission principale de 3 ans. Les galaxies atteignant un rapport signal sur bruit (S/N) $\ge 5$ seront remplacées par de nouvelles cibles après chaque visite.
• Précision du Redshift : L'approche de spectroscopie par fente vise une précision de redshift de $\sigma_z/(1+z) \simeq 10^{-4}$, représentant une amélioration d'un ordre de grandeur par rapport aux missions de type grisme sans fente (comme Euclid et Roman) et nettement supérieure aux missions basées sur des filtres (comme SPHEREx).

Contributions Clés et Faisabilité Technique
Le document décrit une architecture de mission qui exploite des technologies éprouvées pour répondre aux limites des installations actuelles et prévues :

• État de Maturité Technologique : La charge utile repose largement sur l'héritage de la mission SPHEREx pour le bus spatial et la conception thermique (radiateurs passifs à parois en V). Le DMD, actuellement à un TRL 5, est programmé pour une démonstration de lancement en 2026 afin d'atteindre un TRL 6. Le reste des composants de la charge utile est à un TRL $\ge 6$.
• Solutions d'Ingénierie : L'équipe propose de remplacer la fenêtre hermétiquement scellée du DMD par une fenêtre transparente au rayonnement NIR pour permettre une opération au-delà de 1,0 $\mu$m, identifiée comme une étude d'ingénierie à faible risque.
• Gestion des Données : La mission génère un volume de données quotidien gérable (7,4 Go), bien en dessous des capacités d'une antenne standard en bande Ka ou même d'un récepteur S-band de 2 000 kbps pour des liaisons descendantes hebdomadaires.
• Rôle Stratégique du Royaume-Uni : Le document positionne SIRMOS comme un vecteur de leadership pour le Royaume-Uni, proposant que l'industrie et l'académie britanniques dirigent la construction du télescope et des systèmes optiques, en s'appuyant sur l'expertise acquise lors de la mission Euclid et du projet terrestre DESI.

Résultats Projetés et Capacités Scientifiques
Les prévisions indiquent que SIRMOS atteindra les jalons scientifiques suivants :

1. Physique de l'Inflation : Le relevé est projeté pour détecter $|f_{NL}| = 1$ avec un niveau de signification de $5\sigma$. Cette précision est suffisante pour distinguer de manière décisive l'inflation à champ unique à roulement lent ($f_{NL} \approx 0$) des modèles d'inflation à champs multiples ($|f_{NL} \gtrsim 1$).
2. Évolution de l'Énergie Noire : En mesurant l'histoire de l'expansion et la croissance des structures via les oscillations acoustiques de baryons (BAO) et les distorsions de redshift (RSD) dans la plage $1 < z < 4$, SIRMOS peut distinguer une constante cosmologique des modèles d'énergie noire évolutive (incluant les scénarios CPL et fantôme) sans dépendre des données de supernovae de type Ia. Il vise à résoudre les indices de comportement « fantôme » observés dans les relevés à bas redshift.
3. Masse des Neutrinos : En combinant l'analyse du spectre de puissance, du bispectre et multi-traceurs avec les priors du CMB de Planck, la mission prévoit une détection du scénario de masse minimale des neutrinos ($\sum m_\nu = 0,057$ eV) avec une signification $> 10\sigma$, établissant ainsi l'échelle de masse absolue des neutrinos.

Signification et Revendications
Le document affirme que SIRMOS représente une opportunité unique d'appliquer des technologies éprouvées sur Terre (DMD, grandes matrices de détecteurs) dans l'espace pour résoudre des questions cosmologiques fondamentales que les relevés terrestres ne peuvent traiter en raison des limitations atmosphériques.

• Impact Scientifique : Il revendique être le premier relevé capable de cartographier l'Univers à haut redshift ($1 < z < 4$) avec la densité et la précision spectroscopique nécessaires pour reconstruire l'évolution cosmique pendant la transition de la domination de la matière à la domination de l'énergie noire.
• Alignement Stratégique : La mission est présentée comme un alignement stratégique des objectifs de la UK Space Agency et du STFC, visant à démontrer la capacité du Royaume-Uni pour des missions spatiales de bout en bout et à renforcer l'économie spatiale nationale grâce à une participation industrielle à haute valeur ajoutée.
• Synergie : Au-delà de ses objectifs cosmologiques primaires, le document note le potentiel de la mission à contribuer à la compréhension de l'évolution des galaxies dans les environaux à haut redshift et à sonder les régions de la Voie Lactée occultées par la poussière, offrant des synergies avec les capacités NIR terrestres dirigées par le Royaume-Uni, telles que MOONS.