COM DOC19991019 F SIBILLE Astronomie infrarouge

Mme melle mrs,
il me serait bien dif de commencer cette conférence de la façon classique
"depuis la + hte antiquité …
vous connaissez la suite …;
En effet, l'Aie IR est une branche récente de cette vieille discipline
La perception sensorielle de l'IR, bien que méconnue, fait pourtant partie
de l'expérience courante : l'homme des caverne l'utilisait déjà pour se
réchauffer au près de la braise de son feu
Mais comme l'œil humain ne perçoit pas ce rayonnement, et en fait très peux
d'yeux d'animaux, il est resté longtemps ignoré.
La première mise en évidence " expérimentale " de ce rayonnement a tout
juste 200 ans, et remonte à William Herschel, plus connu pour sa découverte
de la planète Uranus en 1781, et ses formidables télescopes géants .
IMAGE1 télescope
IMAGE 2 prisme
Faisant passer la lumière du soleil à travers un prisme, il obtenait un
spectrographe rudimentaire en plaçant un thermomètre dans les différents
rayons de la lumière solaire dispersée, il s'aperçut que, quand il avait
dépassé le rouge , son thermomètre marquait encore une élévation de
température qu'il interpréta en postulant l'existence d'un "rayonnement
calorique"
Après Herschel, et jusqu'à une époque récente, il ne s'est pas passé grand
chose dans ce domaine, pour une raison très simple : le manque complet de
moyens de détection, il fallait bien toute la brillance du Soleil pour
obtenir un signal avec le capteur rudimentaire qu'était le thermomètre d
'Herschel, et ce n'est que vers 1950 que les premiers détecteurs IR
sensibles sont apparus :les cellules, comme on disait à l'époque, au Pbs,
puis les bolomètres au Ge de Frank Low. C'est alors que quelques pionniers
ont essayé de les utiliser pour des observations astronomiques, je citerai
seulement Harold Johnson, à Tucson, et Madame Madeleine Lunel à
l'Observatoire de Lyon, sous l'impulsion de Jean Dufay, qui ne manquait
jamais d'explorer tous les domaines nouveaux qui se présentaient .
C'est vers dans les années 1960 qu'ont été découvertes les premières
sources infrarouges "non visibles ", et c'est là que nous voyons apparaître
une première particularité de l'Aie IR : Aie des objets froids, disons,
dont la température de surface est inférieure a 2000K, et qui rayonnent
l'essentiel de leur énergie dans l'infrarouge, et presque rien dans le
visible
Cette première particularité, nous en verrons d'autres, peut être résumée
par la loi d'émission du corps noir de Planck
IMAGE CORPS NOIR
Prise au sens strict, cette loi donne, en fonction de la longueur d'onde
(en abscisse), l'intensité du champs de rayonnement elmg dans une enceinte
à fermée à la température uniforme T.
Nous voyons déjà que plus la T est élevée plus ce spectre est "bleu", plus
elle est basse, plus il est rouge, voire infrarouge, voire même
complètement IR.
En effet, nous voyons que, si la température est inférieure à , disons 1000
K, il ne reste pratiquement rien dans le domaine du visible, toute
l'énergie du spectre se trouve dans le domaine IR.

Or il se trouve que cette loi représente avec une très bonne approximation
le spectre de nombreux objets tels que les étoiles, Avec une température de
5600K, le spectre du Soleil est assez voisin de la courbe en noir.
En fait, pendant des millénaires, confinée au domaine du visible,
l'Astronomie ne s'est occupée que des corps chauds dans l'Univers, ceux qui
rayonnent dans le visible, ou à la rigueur des planètes, qui sont froides,
mais très proches, et bien éclairées par le Soleil.
Voilà donc qu'avec le démarrage de l'Astronomie IR on va s'intéresser à
toute sortes d'objets froids, jusque là ignorés.
Pour illustrer cet état de chose voyons ici
IMAGE D ORION VISIBLE/IR
On savait bien déjà que le milieu interstellaire était loin d'être vide,
dans notre galaxie, et plus particulièrement dans son plan, on savait qu'il
existait de vastes nuages de gaz, mélangés à de la poussière, qui se
manifestent par l'extinction qu'ils produisent sur les étoiles situées
derrière ces nuages.
Mais voici qu'avec l'IR, on découvre que la poussière de ces nuages,
chauffée par les étoiles bleues voisines, rerayonne dans l'IR l'énergie des
photons bleus et UV qu'elle a absorbé
Il nous faut maintenant aborder une deuxième particularité de l'Aie IR,
elle peut se résumer par la métaphore suivante : "observer dans l'IR avec
un télescope à la température ambiante, c'est comme observer dans le
visible avec un télescope dont le miroir serait chauffé à blanc".
Le miroir du télescope est en principe très réfléchissant, disons qu'il
réfléchit 95% de la lumière qu'il reçoit, mais ces 5% qui manquent vont se
manifester par une émission de rayonnement IR, en pratique, 5% de
l'émission d'un corps noir à la température du miroir, c'est à dire l'
ambiante, soit environ 300 K.
Dans un télescope , on a toujours au moins 2 miroirs, leurs émissions vont
s'additionner, et on va se retrouver avec un ce flux de 10% du CN à 300K
qui tombe sur le détecteur, en plus du flux de la source que l'on cherche à
observer. Ce flux est énorme par rapport à celui que l'on cherche à
mesurer, mais ce n'est pas encore très grave, il y a un moyen très simple
d'extraire le signal de la source : c'est la modulation : si on pointe
alternativement le télescope sur la source puis sur un fond de ciel où il
n'y a rien, la différence de deux mesures donnera le flux de la source ,
puisque dans les deux pointés le rayonnement de fond du miroir est le même.
L'Astronome IR, ou plutôt, son détecteur, est donc en permanence ébloui par
un rayonnement de fond très important au milieu duquel il essaye de
discerner la cible de son observation.
Ce qui est beaucoup plus gênant, et qui va limiter la sensibilité des
mesures ce sont les fluctuations de ce fond. En effet, imaginons un
détecteur de photon idéal, qui compterait +1, chaque fois qu'il reçoit un
photon, ce serait un détecteur parfait, sans bruit propre. Imaginons
maintenant qu'il reçoive ces photons d'une source idéale qui délivrerait un
flux de photons parfaitement régulier. On enregistrerait avec ce compteur
un nombre qui augmenterait régulièrement dans le temps , comme indiqué sur
cette première figure. Eh bien une telle source n'existe pas, et ce débit
de photon comporte toujours une certaine fluctuation dans le temps, autour
d'une valeur moyenne. L'amplitude de cette fluctuation, que l'on appelle
communément le bruit de photon, est précisément égale à la racine carrée du
compte N.

C'est finalement le bruit de photon de l'émission thermique du miroir du
télescope à la température ambiante qui va être la limitation fondamentale
de la sensibilité de l'observation dans l'infrarouge au sol.
L'Astronomie IR rencontre une autre limitation, celle ci, très gênante :
l'atmosphère de la Terre n'est transparente à l'IR que dans quelques
domaines spectraux assez étroits : les fenêtres de transparence
Graph 0-40 micro
Graph 0 1mm
La seule parade que l'on ait trouvé contre ce fond de rayonnement et cette
opacité partielle de l'atmosphère : c'est d'aller placer nos télescope dans
l'espace,
Là, d'abord, plus d'atmosphère, tout le domaine caché entre 40 microns et
1mm va s'ouvrir. c'est un élargissement considérable de notre champs
d'investigation pour pouvoir observer des objets encore plus froids, dont
le pic d'émission est encore plus loin dans le spectre IR.
Mais aussi, et presque surtout, on va bénéficier d'un gain de sensibilité
tout aussi considérable, en effet, on va pouvoir refroidir les miroirs des
télescopes à quelques degrés au dessus du zéro absolu (avec de l'hélium
liquide) sans que la condensation de l'humidité de l'air les transforme
immédiatement en quelque chose qui ressemblerait à un réfrigérateur mal
entretenu. Ce refroidissement va réduire à presque rien l'émission des
miroirs, et par là son bruit de photon , qui était la limitation majeure de
la sensibilité au sol.
Alors il y a eu 2 missions spatiales majeures dans ce domaine, la première
IRAS (Infrared Astronomical Satellite) un projet conjoint américain,
hollandais et anglais, a entrepris de faire une carte du ciel complète avec
un petit télescope de 60 cm d e diamètre, bien refroidi a l'hélium liquide,
qui a balayé le ciel méthodiquement pendant un an , pour produire des
cartes à 4 longueurs d'ondes 12, 25, 60 et 100 microns.
IMAGE CARTE IRAS ciel entier
IMAGE Voie lactée