PRIMA (télescope spatial)

PRIMA (PRobe far-Infrared Mission for Astrophysics) est un télescope spatial infrarouge de la NASA qui a été sélectionné en septembre 2026. Il observera dans l'infrarouge lointain (entre 24 et 261 micromètres) à l'aide d'une optique de 1,8 mètre de diamètre. Sa mission poursuit trois objectifs principaux : rechercher l'origine des exoplanètes et de leur atmosphère, identifier comment les trous noirs supermassifs et les galaxies ont évolué ensemble depuis le début de l'univers et déterminer comment la poussière interstellaire et les métaux se sont formés et ont généré des galaxies.

PRIMA
Télescope spatial

Vue d'artiste du télescope (2024)

Données générales

Organisation	JPL (NASA)
Constructeur	BAE Systems, JPL, LAM, SRON
Programme	Probe Explorers
Domaine	Astronomie infrarouge
Type de mission	Télescope spatial
Statut	En développement
Autres noms	PRobe far-Infrared Mission for Astrophysics
Lancement	vers 2033
Site	prima.ipac.caltech.edu

Caractéristiques techniques

Masse au lancement	< 3,4 t
Ergols	Hydrazine
Contrôle d'attitude	Stabilisé sur 3 axes
Source d'énergie	Panneaux solaires
Puissance électrique	2 700 W (fin de vie)

Orbite

Orbite	Point de Lagrange L2

Télescope

Type	Korsch
Diamètre	1,8 m
Longueur d'onde	Infrarouge lointain : 24 à 261 µm

Principaux instruments

PRIMAGER	Polarimètre imageur
FIRESS	Spectrographe

Avec ses capacités dans l'infrarouge lointain PRIMA peut être considéré comme le successeur du télescope spatial Herschel (2009-2013) de l'Agence spatiale européenne. Si sa résolution spatiale est plus faible que celle de ce dernier, il est par contre bien plus sensible grâce à la technologie de ses détecteurs KIDs et sa durée de vie n'est par limitée car son optique est refroidie par des cryoréfrigérateurs. Il est complémentaire du télescope JWST, opérationnel depuis 2022, dans la mesure où ce dernier ne peut observer l'infrarouge que jusqu'à 28 micromètres. PRIMA dispose d'un imageur polarimètre et d'un spectrographe.

PRIMA est le premier représentant d'une nouvelle classe de mission d'astrophysique, baptisée Probe Explorers, caractérisée par un budget compris entre celui des missions Explorer et celui des télescopes flagship (télescopes JWST, Roman, HWO). Son coût est évalué à 1,2 milliards de dollars. Si la revue prévue à la fin de la phase B est positive le télescope sera placé en 2033 en orbite autour du point de Lagrange L₂ pour une mission d'une durée initiale de cinq ans.

Historique

Recommandations du rapport décennal de l'Académie des Sciences des États-Unis

Comme en début de chaque décennie, l'Académie nationale des sciences des États-Unis publie en 2023 son rapport sur l'état des lieux des recherches en astronomie et les besoins (instruments) identifiés par la communauté scientifique américaine. Le rapport recommande de poursuivre le développement par l'agence spatiale américaine, la NASA de nouveaux télescopes spatiaux à faible coût (plafonné en 2022 à 290 millions de dollars) dans le cadre de son programme Explorer ainsi que la poursuite des travaux préliminaires sur la mission « amiral » Habitable Worlds Observatory (HWO), similaire pour sa complexité au télescope JWST (coût de l'ordre de 10 milliards de dollars) et ayant pour objectif l'étude des exoplanètes situées dans la zone habitable, qui doit être lancée au début de la décennie 2040. Mais le rapport décennal préconise également la création d'une nouvelle classe d'observatoires spatiaux d'un coût intermédiaire (1,5 milliard de dollars) permettant de répondre aux besoins identifiés par chaque rapport dans un délai raisonnable. Le montant du budget est choisi pour permettre le développement d'une nouvelle mission chaque décennie. Deux thèmes de recherche prioritaires sont identifiés pour la mission qui serait retenue pour la décennie 2020 :

• Un télescope effectuant ses observations dans l'infrarouge lointain. Ce thème était déjà identifié comme prioritaire dans le rapport décennal 2010 et devait être pris en charge par la mission nippo-européenne SPICA. Mais le développement de celle-ci a été abandonné pour des raisons de coût lié à sa complexité technique. Un tel instrument pourrait faire avancer de manière significative plusieurs domaines de recherche : identification ds signatures astrochimiques des planètes en formation, développement des galaxies, évolution conjointe des galaxies et des trous noirs supermassifs.
• Un télescope spatial effectuant ses observations dans le rayonnement X avec une résolution spatiale élevée (< 1 seconde d'arc) et une résolution spectrale atteignant 5700. L'agence spatiale européenne développe l'observatoire à rayons X ATHENA (lancement prévu en 2037) mais sa résolution spatiale n'est que de 5 secondes d'arc et son spectromètre est loin d'atteindre la valeur souhaitée. Les thèmes de recherche qui seraient pris en charge sont l'identification des processus conduisant à la formation et l'évolution des galaxies via l'observation des phénomènes d'accrétion du gaz par les trous noirs supermassifs, la recherche des trous noirs primordiaux (décalage vers le rouge de 10) et la caractérisation de l'activité des étoiles et de leur évolution.

Sélection du télescope PRIMA par la NASA

La NASA, se conformant aux recommandations du rapport décennal malgré les incertitudes budgétaires concernant son programme scientifique mis à mal par l'administration Trump, décide de créer en 2024 une nouvelle classe de missions d'astrophysique baptisée Probe Explorers dont le budget est plafonné à 1 milliard de dollars hors coût de lancement (réactualisé à 1,2 milliards de dollars en 2026) et de sélectionner une première mission avec un lancement prévu au début de la décennie 2030. Deux projets, répondant chacune à l'un des thèmes de recherche identifiés par le rapport décennal, sont proposés par les établissements de l'agence spatiale : d'une part l'observatoire à rayons X mous (0,3-10 keV) grand angle AXIS proposé par le Centre de vol spatial Goddard d'autre part PRIMA, dédié à l'observation de l'infrarouge lointain, proposé par le Jet Propulsion Laboratory. L'évaluation s'effectue dans un climat très dégradé par les réductions de personnel et la baisse d'activité des deux établissements. Le télescope PRIMA est sélectionné par la NASA en septembre 2026. Les responsables du projet AXIS attribuent leur échec à la désorganisation de leur établissement engendrée par les décisions de l'administration Trump.

Suite à cette sélection le projet entre en phase B durant laquelle la conception préliminaire et les développements technologiques sont détaillés. A l'issue de cette phase une revue doit être menée pour valider les performances techniques, la programmation du développement et le coût. Si cette évaluation est positive, la construction du télescope spatial (phase C) pourra commencer. Le coût de la mission est évalué à 1,2 milliards de dollars et son lancement est planifié en 2033.

Organisations impliquées dans le projet

La gestion du projet est confiée au Jet Propulsion Laboratory, établissement de la NASA, avec des participations d'autres établissements de l'agence spatiale : Centre de vol spatial Goddard et Centre de vol spatial Marshall. Des contributions importantes sont également fournies par les agences spatiales française (CNES), sud-coréenne (KASA), japonaise (JAXA), italienne (ASI), allemande (DLR), canadienne (Agence spatiale canadienne) et britannique.

Positionnement de PRIMA par rapport aux télescopes spatiaux Herschel et JWST

PRIMA peut être considéré comme le successeur du télescope spatial Herschel (2009-2013) de l'Agence spatiale européenne. Ce dernier était doté d'un miroir primaire de 3,5 mètres (meilleure résolution spatiale), couvrait la bande spectrale allant de 55 à 672 micromètres (observations étendues aux ondes submillimétriques) mais par contre avait une durée de vie limitée (3 ans et demi) par son système de refroidissement reposant sur l'évaporation d'hélium liquide. Par contre PRIMA est bien plus sensible que Herschel grâce à la technologie de ses détecteurs KIDs. Par rapport au télescope JWST, opérationnel depuis 2022, PRIMA joue un rôle complémentaire dans la mesure où le JWST ne peut observer l'infrarouge que jusqu'à 28 micromètres.

Comparaison des caractéristiques des principaux télescopes spatiaux observant dans l'infrarouge moyen et lointain

Caractéristique	PRIMA	Spitzer	JWST	Herschel	SOFIA
Agence spatiale	NASA			ESA	NASA
Début et fin de mission	2033-	2003-2020	2021-	2009-2013	2007-2022
Principaux objectifs scientifiques
Bande spectrale infrarouge	24 – 261 µm	3,6 – 100 µm	0,9 – 28 µm	55 - 300 µm	1 – 300 µm
Type télescope	Korsch	Ritchey-Chrétien	Anastigmatique à trois miroirs	Cassegrain
Ouverture	1,8 m	0,85 m	6,5 m	3,5 m	2,5 m
Longueur focale		10,2 m	131,4 m	27 m
Champ de vue	0,62 deg²	0,007 deg²	0,0032 deg²	0,0017 deg² (PACS)	deg²
Résolution spatiale		1,6 à 40 secondes d'arc	0,063 seconde d'arc	5 secondes d'arc (PACS)
Résolution spectrale	85 à 4400 (FIRESS)	1000 à 4000 (PACS)	150-2 700	64 à 600 (IRS)
Instruments	Imageur (stand, hyperspectral, polarimètre), spectrographe	Imageur, spectrographe	Imageur, spectrographe dont multi-objets, coronographe	Imageur, spectrographe	Imageur, spectrographe , polarimètre
Détecteurs		256 × 256 pixels (IRAC)	16 mégapixels (NIRCam)	32 × 64 pixels (PACS)
Masse	~3 t	0,95 t	6,2 t	3,4 t	Sans objet
Orbite	Point de Lagrange L2	Orbite héliocentrique	Point de Lagrange L2		Aéroporté
Maintenance	?	Non	Non	Non	Sans objet
Coût approximatif phase opérationnelle comprise jusqu'à la date indiquée	1,2 milliards US$¹	1,36 milliards US$²	10 milliards € (2026)	1,1 milliards €²
¹Hors cout de lancement ; ²Jusqu'à la fin de la mission.

Objectifs

Parties du spectre électromagnétique des galaxies observables par PRIMA (en bleu) en fonction de leur éloignement temporel/spatial : décalage vers le rouge (Z) = 0, 2 et 5. Positionnement par rapport à JWST. Quelques raies spectrales importantes sont indiquées dont certaines ne deviennent observables que pour les plus grandes valeurs de Z.

L'une des missions principales de PRIMA est d'observer une période peu étudiée de l'Univers située entre 5 et 10 milliards d'années avant notre ère. Durant cette période, baptisée Univers intermédiaire, le taux de formation des étoiles atteint son pic. La plage spectrale observée par PRIMA lui permet d'étudier le milieu interstellaire et intergalactique froid dans une gamme d'ondes beaucoup plus étendue que le JWST mais également les disques protoplanétaires et les anciennes galaxies très lointaines.

Les objectifs définis par l'équipe scientifique de la mission PRIMA, qui dispose de 25% du temps d'observation, sont :

• Rechercher l'origine des exoplanètes et de leur atmosphère. Il s'agit d'une part d'évaluer la masse de l'eau présente dans les disques protoplanétaires pour déterminer si cette quantité est suffisante pour diriger la formation des planétésimaux et des noyaux de planète géante à proximité de la ligne de glace. D'autre part l'objectif est d'estimer l'abondance des éléments chimiques dans les disques protoplanétaires pour déterminer si la quantité de carbone et d'oxygène dans la zone de formation des planètes diffère de celle du système solaire comme semblent l'indiquer de récentes mesures effectuées sur l'atmosphère d'exoplanètes ;
• Identifier comment les trous noirs supermassifs et les galaxies ont évolué ensemble depuis le début de l'univers.
  • Mesurer la vitesse de formation des trous noirs et de nouvelles étoiles. Quelle est la relation entre l'accrétion des trous noirs et la croissance stellaire dans les galaxies lumineuses à partir du moment où celles-ci ont atteint son apogée.
  • Mesurer le taux d'éjection de matière par les galaxies lumineuses. La masse de matière moléculaire éjectée par les galaxies lumineuses une fois leur apogée atteinte est elle suffisamment importante pour interrompre la formation de nouvelles étoiles.
• Déterminer comment la poussière interstellaire et les métaux se sont formés et ont généré des galaxies.
  • Déterminer comment la relation entre les petits grains de poussière et les éléments lourds ont évolué depuis le pic de l'évolution des galaxies.
  • Déterminer comment la structure et la composition des grains de poussière sont liées aux caractéristiques de l'univers local.

75 % du temps d'observation est réservé au reste de la communauté scientifique internationale. Celle-ci a identifié 76 thèmes de recherche dans les domaines suivants :

• Écosystèmes cosmiques ;
• Évaluation du rôle des champs magnétiques cosmiques ;
• Formation des étoiles dans le domaine temporel ;
• Atmosphère des exoplanètes et des naines brunes ;
• Origine de l'eau de notre planète. Celle-ci pourrait avoir été présente dès la formation de la Terre ou apportée après celle-ci par des impacts d'autres corps célestes. L'étude spectroscopique par PRIMA des comètes et des astéroïdes du système solaire fournira des informations sur la composition isotopique de ces corps ainsi que sur le processus de formation des planètes et apportera des éléments à l'une ou l'autre des théories ;
• Par ailleurs la sensibilité de l'observatoire dans l'infrarouge lointain, une bande spectrale jusque là peu étudiée, pourra déboucher sur des découvertes inattendues.

Caractéristiques techniques

Plateforme/bus

Performance (sensibilité) des détecteurs KIDs de PRIMA comparée aux capacités des instruments des télescopes spatiaux (JWST, Spitzer, Herschel) et aérospatiaux (SOFIA) existants ou passés.

La plateforme stabilisée sur trois axes de PRIME est développée à partir la famille de bus BCP (BAE Systems Large Configurable Platform) de la société britannique BAE Systems. Elle comprend les fonctions de support (propulsion, avionique, gestion des commandes et des données, télécommunications). Cette structure hexagonale de grande taille comprend des panneaux solaires fixés au corps de l'engin spatial qui servent également de pare-soleil et fournit une isolation thermique. La plateforme permet de gérer un engin spatial dont la masse totale n'excède pas 3 375 kg, une valeur largement supérieure à celle de PRIMA. Le système de propulsion utilise des moteurs-fusées à ergols liquides brûlant de l'hydrazine et fonctionnant en mode blow-down (la pression dans les réservoirs n'est pas maintenue constante). Il comprend quatre moteurs d'une poussée de 22 newtons alignés sur l'axe Z et huit moteurs de 1 newton de poussée pour le contrôle d'attitude et la désaturation des roues de réaction. Les panneaux solaires déployés en orbite fournissent 2 700 watts en fin de vie (au bout de cinq ans) y compris lorsque le pointage s'écarte de la direction du Soleil de 15 degrés. Les panneaux solaires utilisent des cellules photovoltaïques en arséniure de gallium dont le rendement est de 33  %. L'avionique utilise un microprocesseur à quatre cœurs de type LEON GR740 et de nombreux FGPA. Les télécommunications reposent sur un émetteur récepteur fonctionnant en bande X (commandes et télémesures) d'une puissance de 20 watts et un émetteur-récepteur fonctionnant en bande Ka (données scientifiques) de 140 watts de puissance. PRIMA dispose d'une antenne parabolique grand gain orientable (deux degrés de liberté) de 0,7 mètre et une antenne moyen gain fixe de 13 centimètre de diamètre. Ce dispositif est complété par plusieurs antennes patch faible gain utilisées lors du lancement, des premières opérations en orbite et en mode survie.

Optique

Le télescope de type Korsch dispose d'une optique de 1,8 mètres de diamètre entièrement en aluminium avec un champ de vue 1,52 × 0,41 degrés.

Une température de fonctionnement très proche du zéro absolu

Photo du cryoréfrigérateur de l'instrument MIRI du télescope spatial JWST. PRIMA utilisera un exemplaire de rechange de cet équipement modifié.

Pour permettre les observations en infrarouge lointain, l'optique et les instruments doivent être maintenus à des températures extrêmement basses. Le point de Lagrange L₂, autour duquel le télescope spatial gravite, fournit un environnement thermique stable et relativement bénin. Le système de contrôle thermique fait appel à la fois à des moyens passifs et actifs. Les panneaux solaires, faisant également office de pare-soleil, coiffent entièrement le télescope, bus compris, en maintenant la température à 100 kelvin. Un bouclier thermique, constitué de trois couches séparées, protège le télescope du rayonnement thermique émanant du pare-soleil et du bus. Les deux premières couches sont passives et permettent d'abaisser la température à 45 kelvin. La troisième couche, qui permet d'atteindre 18 kelvin, est refroidie par un cryoréfrigérateur. L'optique (hors instruments) est maintenue à une température de 4,5 kelvin (−269 °C) par un cryoréfrigérateur hybride. Celui-ci est un exemplaire de rechange de l'instrument MIRI du télescope JWST qui a été modifié en remplaçant l'hélium 4 par de l'hélium 3 (l'hélium 3 se met à bouillir à une température inférieure : 3,2 kelvin contre 4,2 kelvin pour l'hélium 4). Enfin un réfrigérateur à cinq étages de type CADR (Continuous Adiabatic Demagnetization Refrigerator) dérivé de celui utilisé par le télescope spatial japonais Hitomi, permet d'abaisser encore la température l'optique des instruments à 1 kelvin et celle du plan focal à 0,1 kelvin.

Instruments

PRIMA dispose de deux instruments : le spectroscope FIRESS et l'imageur polarimètre PRIMAger. Leurs performances dans l'infrarouge lointain reposent en grande partie sur la mise en œuvre de détecteurs KIDs (Kinetic Inductance Detector) caractérisés par une sensibilité supérieure, une grande surface de détection et une grande résistance aux rayons cosmiques. Il s'agit de la première utilisation de ce type de détecteur par un observatoire spatial.

Spectroscope FIRESS

FIRESS (Far Infrared Enhanced Survey Spectrometer) est un instrument comportant quatre spectroscopes à réseau à fente qui combinés couvrent la bande spectrale allant de 24 à 235 micromètres avec une résolution décroissante. Un module à transformée de Fourier peut être placé sur le chemin optique pour obtenir une résolution spectrale plus élevée sur l'ensemble de la bande spectrale. L'instrument est fourni par le Jet Propulsion Laboratory et développé conjointement avec le Centre de vol spatial Goddard et l'Institut néerlandais de recherche spatiale (SRON). Le détecteur comprend 24 pixels consacrés à l'image (résolution spatiale allant de 7,6 à 22,9 secondes d'arc) et 84 pixels consacrés à l'analyse spectrale. L'instrument a trois modes de fonctionnement : spectre à basse résolution (entre 80 et 130) d'une source ponctuelle, spectre à basse résolution d'une source étendue, spectre à haute résolution (entre 2 000 et 20 000) d'une source ponctuelle (une source étendue peut également être observée dans ce dernier mode au rythme de 4,8 × 4,8 minutes d'arc par heure avec un temps d'exposition ponctuel de 150 secondes) :

• de 24 à 43 micromètres la résolution spectrale à haute résolution est comprise entre 11 000 et 20 000
• de 42 à 76 micromètres la résolution spectrale à haute résolution est comprise entre 6 500 et 12 000
• de 74 à 134 micromètres la résolution spectrale à haute résolution est comprise entre 4 000 et 6 600
• de 130 à 235 micromètres la résolution spectrale haute résolution est comprise entre 2 100 et 3 800.

Imageur polarimètre PRIMAger

PRIMAger (PRIMA imager) est une caméra polarimètre hyperspectrale conçue pour effectuer des relevés de grandes portions du ciel dans les longueurs d'ondes comprises entre 24 à 235 micromètres. L'imageur hyperspectral PHI (PRIMAger Hyperspectral Imager) fournit des images dans la bande spectrale 24 à 84 micromètres avec une résolution spectrale de 8 en utilisant des filtres LVF (Linearly Variable Filters). Les quatre imageurs polarimètres PPI (PRIMAger Polarimetric Imager) couvrent la bande spectrale 80-235 micromètres avec quatre filtres et une résolution spectrale de 4. Chaque pixel de PPI mesure un des trois angles de polarisation linéaire, les paramètres de Stokes I, Q et U. L'instrument est développé par une équipe internationale pilotée par deux centres de recherche français (le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille et le CEA) et comprenant également l'Institut néerlandais de recherche spatiale (SRON), l'Université de Cardiff (Royaume-Uni), le Jet Propulsion Laboratory et le Centre de vol spatial Goddard. Les principales caractéristiques de l'instrument sont résumées dans le tableau ci-dessous.

Caractéristiques d l'instrument PRIMAger

	Imageur hyperspectral (PHI)		Imageur polarimètre (PPI)
Caractéristique	PHI1	PHI2	PPI1	PPI2	PPI3	PPI4
Bande spectrale (micromètres)	24-45	45-84	92	126	183	235
Résolution spectrale	~8	~8	4	4	4	4
Mesure de la polarisation	Non	Non	Oui	Oui	Oui	Oui
Bande centrale FWHM (seconde d'arc)	4,7"	8,7"	10,9"	14,9"	21,7"	27,9"
Taille du détecteur	61 x 24	34 x 14	34 x 29	25 x 21	18 x 15	14 x 12
Taille du pixel (seconde d'arc)	3,8"	6,8"	8,6"	11,6"	16,1"	20,2"
Champ de vue	3.9'×1.3'	3.9'×1.4'	4.2'×4.2'	4.2'×4.2	4.2'×4.2'	4.2'×4.1'

Déroulement de la mission

PRIMA doit être lancé dans l'espace en 2033 et être placé en orbite autour du point de Lagrange L₂ du système Terre-Soleil. La mission a une durée initiale (primaire) de cinq ans. Le temps d'observation est réservé à hauteur de 25 % à l'équipe scientifique du projet. Le temps restant sera attribué à des propositions de la communauté scientifique internationale sélectionnées par un comité dédié.

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• (en) Jason Glenn, Margaret Meixner, Charles M. Bradford, Klaus Pontoppidan, Alexandra Pope, Tiffany Kataria, Jennifer Rocca, Elizabeth Luthman, Lee Armus, Jochem Baselmans et al., « PRIMA mission concept », Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems, vol. 11, n^o 3,‎ 29 juillet 2025, p. 25 (DOI 10.1117/1.JATIS.11.3.031628, lire en ligne). 
  Présentation de la mission.
• (en) Laure Ciesla, Charles Darren Dowell, Marc Sauvage, Denis Burgarella, Jochem Baselmans, Matthieu Béthermin, Jeffrey T. Booth, Charles M. Bradford, Florent Canourgues, Ivan Charles et al., « PRIMA: PRIMAger, a far-infrared hyperspectral and polarimetric instrument », Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems, vol. 11, n^o 3,‎ 31 juillet 2025 (DOI 10.1117/1.JATIS.11.3.031625, lire en ligne)
  Caractéristiques de l'instrument PRIMAger.
• (en) Charles M. Bradford, Alan J. Kogut, Dale J. Fixsen, Klaus M. Pontoppidan, Charles Darren Dowell, Jason Glenn, Thomas S. Pagano, Joseph J. Green, Marc C. Foote, James McGuire et al., « The far-infrared enhanced survey spectrometer for PRIMA: approach and estimated performance », Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems, vol. 11, n^o 3,‎ 2 octobre 2025, p. 19 (DOI 10.1117/1.JATIS.11.3.031627, lire en ligne)
  Caractéristiques de l'instrument FIRESS.
• (en) Committee for a Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics 2020, Space Studies Board, Board on Physics and Astronomy et Division on Engineering and Physical Sciences, Pathways to Discovery in Astronomy and Astrophysics for the 2020s, National Academies Press, 2023, 629 p. (ISBN 978-0-309-46734-6, lire en ligne), p. 204-205.  — Rapport synthétisant les objectifs de la communauté astronomique des États-Unis et les moyens à mettre en œuvre pour la décennie à venir (2020).

Articles connexes

• Astronomie infrarouge
• Spitzer, Herschell : télescopes spatiaux observant dans l'infrarouge lointain de la génération précédente.
• SPICA : projet de télescope infrarouge nippo-européen de la classe de PRIMA annulé.

Liens externes

• (en) « Site officiel de la mission », IPAC (Caltech) (consulté le 24 septembre 2026)