Rapprocher - Le Centre Spatial Guyanais

28 / LATITUDE 5 / N°84 / AVRIL 2009
Un regard vers l’aube
des temps.
Le vol V188 Ariane 5 ECA
décollera avec, à son bord,
deux missions scientifiques
de l’Agence spatiale européenne (ESA),
Herschel et Planck, qui étudieront
respectivement la formation des étoiles et
des galaxies, et les reliques de la radiation
du “Big Bang”. Il s’agira des premiers
satellites de l’ESA placés sur une orbite
autour du 2epoint de Lagrange, situé
à environ 1,5 millions de km de la Terre
et à l’opposé du Soleil. Dans cette
position, ils seront plus faciles à refroidir
et à protéger du rayonnement du Soleil,
de la Terre et de la Lune qui pourraient
perturber leurs mesures. Développés sous
un seul programme de l’ESA – par
la même équipe, le même architecte
industriel et un même concept de
développement –, ils bénéficient ainsi
des synergies et de l’optimisation de
ressources entre les deux missions.
La science d’Herschel : Comprendre
la formation des étoiles et des
galaxies
Depuis toujours, les astronomes se
demandent quand et comment les galaxies
se sont formées, si elles sont toutes nées
au même moment de l’histoire cosmique,
et si les premières galaxies étaient comme
celles que l’on observe aujourd’hui. Pour
qu’un télescope puisse aider à répondre
à ces questions, sa capacité à observer la
lumière visible enfouie dans la poussière
et convertie en lumière infrarouge est
essentielle. Environ la moitié de la lumière
émise par les étoiles tout au long de
l’histoire de l’Univers a été absorbée et
réémise comme de la lumière infrarouge,
et quelques galaxies émettent toute leur
énergie dans cette gamme du spectre
lumineux. Malgré l’intérêt scientifique
des longueurs d’onde infrarouges et
submillimétriques, du fait de ne pouvoir
être observées depuis la Terre et
nécessitant des télescopes et des
intruments refroidis à des températures
cryogéniques, elles sont restées
relativement inexplorées jusqu’à nos
jours. En effet, la température de certains
objets astronomiques approchant le zéro
absolu (-273.15°C ou 0 K), essayer de les
observer avec un instrument plus chaud
revient à essayer de voir une étoile à
la lumière du Soleil de midi, d'où le besoin
de refroidissement cryogénique pour
les observer. Avec l’étude de la gamme
des longueurs d’onde infrarouges et
submillimétriques, Herschel délivrera
une vue sans précédent de
l’Univers, découvrant des
détails des corps célestes
cachés à l’observation de
la lumière visible, soit
parce qu’ils se trouvent
dans la poussière, soit tout
simplement parce qu’ils
sont trop froids pour
émettre de la lumière
visible.
Par l’ESA
Rapprocher
Regarder vers l’Espace
© 2009 ESA
t

LATITUDE 5 / N°84 / AVRIL 2009 / 29
Herschel en salle blanche à l’EPCU S1B.
© ESA / S. Corvaja
Quand on compare Herschel avec ses prédécesseurs (le satellite
IRAS, une collaboration entre les Pays-Bas, le Royaume Uni et
les États Unis en 1983 ; ISO, l’observatoire spatial infrarouge
de l’ESA, en 1995 ; la mission japonaise Akari en 2006 ; ou Spitzer,
le télescope spatial américain toujours opérationnel), sa plus
grande innovation réside dans son très grand télescope de
3,5 mètres de diamètre, le plus grand jamais réalisé pour
une application spatiale.
Le satellite Herschel (environ 7,5 mètres de hauteur, 4 mètres de
largeur et 3,4 tonnes au décollage) se compose de trois sections.
Dans la première, on trouve le télescope et son miroir primaire
de 3,5 mètres de diamètre protégé par un parasol. Le télescope
concentre la lumière sur trois instruments scientifiques dont
leurs détecteurs sont logés dans un réservoir sous vide, appelé
cryostat. Les détecteurs des instruments et le cryostat
constituent la deuxième section du satellite, le module de charge
utile, situé en dessous du télescope. Le cryostat contient plus de
2 000 litres (au décollage) d’hélium liquide superfluide à une
température stable en dessous de -271°C, nécessaire pour que
les instruments puissent opérer à leur meilleure sensibilité.
Puisque l’hélium s’évapore à une vitesse constante, le cryostat
se videra progressivement. Quand le cryostat aura perdu tout
son hélium – environ 3,5 années après le lancement –,
la température des instruments augmentera et Herschel ne sera
plus en mesure de réaliser ses observations. En dessous
du module de charge utile, le module de service constitue
la troisième section. Il abrite l’électronique des instruments et les
équipements responsables des fonctionnalités de la plateforme
du satellite, tels que la communication et le traitement de
données. Ces équipements opèrent à température ambiante.
Les trois instruments scientifiques d’Herschel ont été
développés par près de 40 instituts, principalement européens,
avec la participation des États-Unis et du Canada.
Complémentaires, et grâce à la large gamme de spectre
couverte, HIFI, PACS et SPIRE seront capables d’observer le
processus complet de formation des étoiles, depuis les premières
étapes de condensation jusqu’au moment où une protoétoile
émerge de son cocon et naît.
Le maître d’oeuvre pour Herschel est Thales Alenia Space
(Cannes, France). Astrium (Friedrichshafen, Allemagne) est
responsable pour le module de charge utile, et Thales Alenia
Espace (Turin, Italie) pour le module de service. Astrium
(Toulouse, France) a fourni le télescope.
DÉVOILER L’UNIVERS

30 / LATITUDE 5 / N°84 / AVRIL 2009
La science de Planck : Un regard vers l’aube des temps
Selon le modèle du “Big Bang”, l’Univers actuel a émergé d’un
état extrêmement dense et chaud il y a environ 13,7 milliards
d’années. Dans son enfance, cet Univers était très lumineux.
Cette lumière a été considérablement diluée par l’expansion de
l’Univers. Dans le ciel, on observe encore son éclat, la radiation
appelée rayonnement fossile cosmologique, dans le domaine des
microondes. Planck observera les reliques de cette première
lumière, et dévoilera l’Univers tel qu’il était “seulement” 380 000
années après le “Big Bang”, bien avant la formation des premières
étoiles, galaxies et amas de galaxies, emmenant les scientifiques
au plus près qu’ils n’ont jamais été des origines de l’Univers.
Le télescope de Planck concentrera la lumière du rayonnement
fossile cosmologique sur des réseaux de détecteurs, qui
produiront une mesure de température. Pour une précision
sans précédent, ces détecteurs doivent être très froids, à des
températures aussi basses que 0.1 K, car par le refroidissement
de l’Univers la température que Planck va mesurer n’est
actuellement que d’environ -270°C (2.7 K). Les variations
de température du rayonnement fossile cosmologique que ces
détecteurs doivent mesurer sont d’environ un millionième de
degré – c’est comme si l'on mesurait depuis la Terre la chaleur
dégagée par un lapin qui se trouverait sur la Lune !
Le satellite Planck (environ 4,2 mètres de hauteur, 4,2 mètres
de diamètre maximum et 1,96 tonnes au décollage) consiste en
deux éléments principaux : un module froid de charge utile,
qui comprend les deux instruments scientifiques et le télescope,
et une plateforme satellite, ou module de service. Les
instruments et le télescope sont refroidis à une température
stable d’environ -223°C (50 K) par le système passif de
refroidissement. La température des détecteurs est refroidie
jusqu’à des valeurs aussi basses que 0,1 K, par le système actif
de refroidissement. Trois boucliers thermiques réfléchissants
empêchent la diffusion de la chaleur du module de service vers
le module de charge utile. Le module de service, de forme
octogonale, loge les systèmes de traitement de données et de
communication ainsi que l’électronique des instruments. Sous
la base du module de service se trouve un panneau solaire
circulaire plat, illuminé en permanence, qui a la double fonction
de générer l’énergie nécessaire pour le satellite et de le protéger
de l’incidence directe de la radiation solaire.
Les deux instruments scientifiques de Planck, un instrument
à haute fréquence (HFI) et un instrument à basse fréquence (LFI),
se compléteront parfaitement. L’Institut d’Astrophysique Spatiale
d’Orsay (France) a dirigé un consortium de plus de 20 instituts
pour HFI ; pour LFI, c’est l’Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica
Cosmica de Bologna (Italie) qui a dirigé une collaboration similaire.
Le maître d’œuvre pour Planck est Thales Alenia Space (Cannes,
France), qui dirige un consortium de partenaires industriels, et
est responsable pour le module de charge utile. Thales Alenia
Space (Turin, Italie) est responsable pour le module de service.
L’ESA et le Centre national spatial danois (Copenhagen,
Danemark) ont fourni les miroirs du télescope. 4 4
Planck en salle blanche à l’EPCU S1B.
© ESA / S. Corvaja
Les miroirs primaires : à la pointe de la technologie
Le miroir primaire est le capteur de lumière du télescope. Il capture
la lumière des objets astronomiques et la dirige vers un deuxième
miroir plus petit. Cette lumière concentrée est alors envoyée
aux instruments, où elle est détectée et analysée.
Les dimensions du miroir primaire ont une importance majeure
pour la sensibilité du télescope : plus il est grand, plus il capture
de lumière. La surface est également importante. Elle doit être
précise dans sa forme et parfaitement régulière car même les
rugosités les plus faibles peuvent altérer l’image finale. Finalement,
pour un télescope spatial, il doit être très léger (comme tous les
équipements d’un satellite) et doit résister aux conditions extrêmes
du lancement et aux basses températures de l’espace extérieur.
Celui d’Herschel fait 4 fois la taille du plus grand miroir utilisé pour
un télescope spatial infrarouge, et capturera presque 20 fois plus de
radiation. Il est aussi presque une fois et demie plus grand que celui
du télescope spatial Hubble. Sa surface est quasi parfaite, avec
des irrégularités qui ne dépassent pas le millième de millimètre.
Celui de Planck, de 1,9 x 1,5 mètres, est également très grand pour
une mission spatiale, avec une masse de seulement 28 kg.