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HUBBLE SPACE TELESCOPE
25 ANS DANS L'ESPACE
Crédits photos
Nasa, Observatories of the Carnegie Institution of Washington, ESA, STScI, BBC Sky at Night
magazine, JPL, University of California, Berkeley
2
HUBBLE SPACE TELESCOPE
25 ANS DANS L'ESPACE
3
4
SOMMAIRE
LA GENESE
- De la vision à la réalisation
6
8
LES MISSIONS
- Une longue attente
- De la déception à l'espoir
- Servicing Mission 1
- Servicing Mission 2
- Servicing Mission 3A
- Servicing Mission 3B
- Servicing Mission 4
LA FICHE TECHNIQUE
- Coupe du télescope
- L'instrumentation
22
28
DE HUBBLE A HUBBLE
- L'Univers lointain
- L'Univers plus proche
- Qui est Edwin P. Hubble
L'APRES HUBBLE
- Le James Webb Space Telescope
5
34
LA GENESE
De la vision à la réalisation
L
e Hubble Space Telescope est le fruit d’une collaboration entre la Nasa (EtatsUnis) et l’ESA (Europe). Il s’agit d’un télescope conçu pour observer l’Univers
dans les longueurs d’ondes allant de l’ultraviolet à l’infrarouge depuis une orbite
autour de la Terre.
Utiliser un télescope dans l’espace ne remonte pas à l’ère de l’astronautique moderne. C’est en 1923 que l’idée est émise pour la première fois. Le scientifique allemand Hermann Oberth publie un article dans lequel il propose l’utilisation d’un
télescope depuis une orbite terrestre. Vingt-trois ans plus tard, l’astrophysicien
américain Lyman Spitzer explique dans l’article "Astronomical advantages of an
extraterrestrial observatory" les avantages que les astronomes pourraient tirer d’un
tel instrument. Débarrassé des inconvénients liés à la présence de l’atmosphère et
de la pollution lumineuse, il peut observer le cosmos dans toutes les longueurs
d’ondes possibles, offrant une perspective nouvelle de notre Univers.
Dans les années 70, en parallèle avec le développement de la navette, la Nasa entame les premières études pour la construction d’un télescope spatial de grande
taille baptisé alors le « Large Space Telescope ». Deux comités sont mis en place
afin de déterminer les caractéristiques d’un tel engin ainsi que les objectifs scienti-
Polissage du miroir primaire
6
fiques. En 1974 les fonds alloués à l'étude du télescope spatial sont entièrement
annulés. Mais trois ans plus tard, le Congrès américain adopte le projet et lui alloue
un budget pour réaliser les premières études détaillées des instruments susceptibles d'être embarqués et développer les premiers composants de la partie optique. Les fonds alloués étant inférieurs à ceux demandés, la Nasa invite l’agence
spatiale européenne à se joindre à elle. En contrepartie, les scientifiques européens
pourront disposer de 15% du temps d'observation. Dès 1978, les premiers astronautes débutent leur entraînement en vue du déploiement du télescope ainsi que
pour les missions liées à son entretien.
En 1979, l’entreprise Perkin-Elmer, spécialisée notamment dans l’optique,
commence le long et fastidieux travail de polissage du miroir primaire de 2,4 m de
diamètre. De son côté, Lockheed Martin se charge de la fabrication de la structure
du télescope ainsi que l’intégration de l’optique. Les deux industriels n’en sont pas
à leur première collaboration. Ensemble, ils ont conçus les satellites espions KH-9
et KH-11 qui ont largement inspiré l’architecture du Large Space Telescope. Ils sont
placés sous l’autorité du Marshall Spaceflight Center situé à Huntsville en Alabama.
En 1981, le Space Telescope Science Institute (STScI) est implanté au campus de
l’Université de John Hopkins à Baltimore dans le Maryland. L’institut est placé sous
l’autorité de l’Association of Universities for Research in Astronomy qui est en
charge de la gestion du programme pour le compte de la Nasa. Il a pour tâche
d’accompagner les projets d’observation depuis la demande d’utilisation jusqu’à la
distribution et l’archivage des données collectées. La gestion du télescope et de
ses instruments se fait en étroite collaboration avec le Space Telescope Operations
Control Center (STOCC) qui pilote le télescope depuis le Goddard Spaceflight Center
à Greenbelt dans le Maryland. Les données collectées par le télescope sont vérifiées au STOCC avant d'être retransmises au STScI.
La même année, les industriels impliqués dans le programme font face à des retards dans la réalisation de certains composants entraînant des surcoûts. La Nasa
annule la réalisation du miroir primaire réalisé par les sociétés Kodak et Itek pour limiter les dépenses. En 1983, l’agence spatiale demande au Congrès une rallonge
de 700 millions $ qui s’ajoutent aux 475 millions $ attribués au départ. Celui-ci
accepte mais des audits poussés sont réalisés pour déterminer les raisons de cette
envolée. Il s’avère que la difficulté de concevoir un tel projet a été sous-estimée
dès le départ. Conçu pour être entretenu par la navette, le télescope spatial voit le
nombre de ses pièces destinées à être remplacées lors des missions d’entretien
passer de 120 à 49. En octobre 1983, le Large Space Telescope est rebaptisé
Hubble Space Telescope, en hommage à Edwin P. Hubble. L’astronome américain
est connu pour avoir prouvé l’existence d’autres galaxies et découvert la preuve de
l’expansion de l’Univers.
7
LES MISSIONS
Une longue attente
L
a Nasa publie le 05 avril 1985 le manifeste de ses prochains lancements. On y
apprend que la navette Atlantis embarquera Hubble lors d’un vol programmé
en août 1986 avant d’être repoussé à octobre de la même année. L’explosion de
Challenger le 28 janvier 1986 cloue au sol la flotte des navettes et chamboule le calendrier initial. Lors de la reprise des lancements en septembre 1988, priorité est
donnée aux missions militaires, à la mise sur orbite des sondes Galileo et Magellan
ainsi qu’à la poursuite de la construction du réseau de satellites TDRS. Le télescope
spatial doit être stocké dans un bâtiment en atmosphère contrôlée avec surveillance des systèmes jusqu’en 1990 pour un coût de 6 millions $ par mois.
Hubble au Kennedy Space Center
8
Le 06 octobre 1989, le télescope spatial Hubble arrive au
Kennedy Space Center à bord
d'un C5A et est conduit dans
le bâtiment Vertical Processing Facility. Quelques jours
plus tard, il est « réveillé »
pour une série de tests et les
ultimes vérifications qui s’étaleront sur 40 jours.
En
décembre, la Nasa commence
les préparatifs de la mission
STS-31, confiée à la navette
Discovery. Elle est transportée sur le pas de tir moins
d’un mois avant le décollage
fixé pour le 10 avril 1990. A
quatre minutes du lancement,
un problème technique sur
une valve défectueuse oblige
les responsables à repousser
le vol de deux semaines. Finalement, le 24 avril à 12
heures 33 minutes et 51 secondes
TU,
Discovery
s’élance dans un grondement
assourdissant pour rejoindre
son orbite. Deux jours plus
tard, les cinq astronautes à
bord déploient Hubble sur une
orbite culminant à 611 km sur
une inclinaison de 28,5°.
Equipage de Discovery / Lancement de la navette Discovery / Déploiement de Hubble
9
LES MISSIONS
De la déception à l'espoir
D
ans les semaines qui suivent, le télescope est contrôlé et ses instruments
testés. Tout se passe conformément à ce qui est prévu jusqu’au 25 juin 1990.
Les visages des équipes au sol se défont à la réception des premières images.
Hubble voit flou ! Dans les jours qui suivent, une commission d’enquête (Hubble
Space Telescope Optical Systems Board of Investigation) est mise en place afin de
déterminer l’origine du problème. Il s’avère que le miroir primaire est trop plat à sa
périphérie de 2 microns. La tuile lorsqu’on sait que c’est pour ainsi dire l’une des
seules pièces du dispositif optique qu’il est impossible de changer. A la lumière des
auditions, on apprend que le défaut de courbure était connu par les responsables
de Perkin-Elmer depuis les tests finaux réalisés avec des instruments de contrôle
mais qu’il avait délibérément ignoré considérant que les résultats obtenus s’expliquaient par les instruments eux-mêmes.
Bien que l’enthousiasme soit largement retombé, les équipes en charge du télescope ne se laissent pas démonter. Maintenant que l’on a identifié la source du
problème, il faut voir ce qui peut être fait pour la corriger. Dans la théorie, ça parait
simple puisqu’il suffit de modifier la focale des instruments pour retrouver la netteté sur les images. Dans la pratique, il en va autrement puisque les instruments ont
été conçus pour une courbure de miroir bien définie. Il faut donc mettre en place
un dispositif correcteur baptisé COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial
Replacement). Il comprend plusieurs miroirs qui interceptent et corrigent le flux lumineux dirigé vers les instruments FOC, FOS et GHRS. Pour l’installer sur Hubble , il
faut sacrifier un instrument. Le HSP (High Speed Photometer) est le moins utilisé et
sera débarqué à la mission d’entretien.
Galaxie M1 00 avant et après l'entretien de Hubble en 1 993
10
LE MIROIR PRIMAIRE
Le miroir primaire, pièce maîtresse du télescope, mesure 2,4 m de diamètre
pour une masse de 830 kg. Il a fallu deux années de travail pour polir ce bloc
de verre avec une précision telle que s’il avait la taille de la Terre, les plus
grandes de ses bosses n’excèderaient pas 15 cm. Le miroir a ensuite été enfermé dans une chambre à vide et sa surface recouverte d’une couche de revêtement épaisse de 70 millionièmes de millimètre. L’opération contrôlée par 9
ordinateurs n’a duré que 4 minutes. Une couche protectrice transparente de
fluorure de magnésium a été rajoutée pour protéger la surface.
Vérification du miroir primaire
11
LES MISSIONS
Servicing Mission 1
L
e 02 décembre 1993, la navette Endeavour s’envole de Cap Canaveral avec à
son bord un équipage de 7 astronautes qui portent les espoirs de nombreux astronomes à travers le monde. Objectif, effectuer le premier entretien du télescope
spatial Hubble mais surtout lui rendre la vue. Depuis sa mise sur orbite en 1990, le
nombre de tâches à accomplir pour les astronautes ne cessent d’augmenter. Non
seulement, il faut installer le dispositif COSTAR qui va corriger l’aberration sphérique du miroir primaire mais il faut également remplacer deux puis trois des gyroscopes chargés de contrôler son orientation, les panneaux solaires à l’origine
d’oscillations lors du passage de l'ombre de la Terre au Soleil et qui réduisent la
précision du pointage du télescope, corriger les problèmes électriques qui affectent
les instruments GHRS et FOC et remplacer deux des mémoires de masse de l'ordinateur embarqué qui sont tombées en panne. Aux dires de la Nasa, il s’agit de la
mission la plus complexe réalisée par une navette spatiale. Pour minimiser les
risques, l’agence spatiale a testé certains aspects de la mission lors de vols précédents. Après une course poursuite de 3 jours, Hubble est agrippé par le bras robotisé de la navette et acheminé vers la plate-forme de travail installée dans la
soute.
Hubble avant sa capture par la navette Endeavour en 1 993
12
Le programme de la mission STS-61 prévoit 5 sorties qui vont s’enchaîner à un
rythme d’une par jour qui sont chacune effectuées par un duo d’astronautes
Date
Duos
Durée
Objectifs
Remplacer les gyroscopes, un bloc de commande
ainsi que huit fusibles
05/12/1993
Musgrave/Hoffman
07:54
06/12/1993
Thornton/Akers
06:36
07/12/1993
Musgrave/Hoffman
06:47
Remplacer la caméra WFPC, deux magnétomètres
08/12/1993
Thornton/Akers
06:50
Remplacer le GHSP, installer le COSTAR
09/12/1993
Musgrave/Hoffman
07:21
Entretien de Hubble en 1 993
Remplacer les panneaux solaires
Remplacer un tableau électronique commandant le
déploiement des panneaux solaires
Entretien de Hubble en 1 993
13
LES MISSIONS
Servicing Mission 2
L
a seconde mission d’entretien du télescope spatial est réalisée en février 1997.
Elle s’inscrit dans le cadre des missions de remise à niveau de Hubble. Elle est
réalisée par un équipage de 7 astronautes à bord de la navette Discovery.
Elle consiste avant tout à effectuer toute une série de travaux de remise à niveau,
notamment concernant le système de guidage et de pointage du télescope, d'une
partie des systèmes de communications et de transmission de données. Une partie
de l'isolant thermique est remplacée sur les compartiments d'équipements électroniques et télémétriques.
Lors de la seconde sortie, les astronautes découvrent qu'une partie de l'isolant
thermique du télescope est endommagée en raison des écarts rapides de température lors du passage face au Soleil et à une exposition permanente à l'oxygène moléculaire que l'on trouve dans la partie supérieure de l'atmosphère. Une cinquième
sortie extravéhiculaire est décidée pour réparer les zones endommagées.
Hubble avant sa capture par la navette Discovery en 1 997
14
Le programme de la mission STS-82 prévoit 5 sorties qui vont s’enchaîner à un
rythme d’une par jour qui sont chacune effectuées par un duo d’astronautes
Date
Duos
Durée
14/02/1997
Lee/Smith
06:42
15/02/1997
Harbaugh/Tanner
07:27
16/02/1997
Lee/Smith
07:11
17/02/1997
Harbaugh/Tanner
06:34
18/02/1997
Lee/Smith
05:17
Entretien de Hubble en 1 997
Objectifs
Remplacer deux spectrographes par le STIS et
NICMOS
Remplacer le FGS et l'ESTR par des versions plus
performantes, optimisation du système de guidage
Remplacer un DIU, d'un RWA et d'un autre ESTR
Remplacer un SADE et réparer différentes
protections thermiques
Installation de plusieurs matelas d'isolation
thermique
Entretien de Hubble en 1 997
15
LES MISSIONS
Servicing Mission 3A
P
rogrammée pour juin 2000, la troisième mission d’entretien de Hubble est
avancée de 6 mois après que trois des six gyroscopes servant au pointage du
télescope aient rendu l’âme. Pour être pleinement opérationnel, il en a besoin de
trois. Hors un quatrième tombe en panne durant l’année 1999 provoquant l’interruption des observations. Devant l’ampleur de la tâche, la Nasa décide de scinder
la mission en deux. La première partie (3A) servira à remplacer les gyroscopes et à
effectuer une partie de la remise à niveau du télescope tandis que la seconde (3B)
servira à achever les travaux.
La Servicing Mission 3A est réalisée par un équipage de 7 astronautes à bord de la
navette Discovery du 20 au 28 décembre 1999.
Lancement de la navette Discovery en 1 999
16
Le programme de la mission STS-103 prévoit 3 sorties qui vont s’enchaîner à un
rythme d’une par jour qui sont chacune effectuées par un duo d’astronautes
Date
Duos
Durée
Objectifs
22/12/1999
Smith/Grunsfeld
08:15
Remplacer tous les gyroscopes et installation du VIK
23/12/1999
Foale/Nicollier
08:10
Remplacer le FGS et installation du NAC
24/12/1999
Smith/Grunsfeld
08:08
Installation du SSAT et du SSR
Entretien du télescope Hubble en 1 999
17
LES MISSIONS
Servicing Mission 3B
L
a troisième mission d’entretien de Hubble s’est échelonnée sur deux missions
après la perte des gyroscopes indispensables au pointage du télescope. En
1999, lors de la mission STS-103, les astronautes de Discovery se sont attelés à leur
remplacement et ont entrepris la première phase d’entretien. La seconde phase se
déroule en mars 2002 avec la navette Columbia. En plus des travaux de maintenance, deux tâches importantes et délicates sont au programme. Les astronautes
doivent remplacer les anciens panneaux solaires par de nouveaux. Les panneaux
solaires installés en 1993 sont de larges voiles qui génèrent des vibrations en raison
des écarts de températures lors du passage face au Soleil, réduisant la précision du
pointage du télescope. Les nouveaux panneaux solaires sont rigides et doivent résoudre le problème. La seconde tâche et sans doute la plus délicate est sans
conteste le remplacement de l’unité qui gère la puissance électrique. Pour réaliser
cette opération, il est nécessaire de débrancher électriquement le télescope, une
première à haut risque. Une fois l’unité changée, les premiers tests se sont avérés
concluants, ce qui a rassuré les responsables de la Nasa.
Entretien de Hubble en 2002
18
Le programme de la mission STS-109 prévoit 5 sorties qui vont s’enchaîner à un
rythme d’une par jour qui sont chacune effectuées par un duo d’astronautes
Date
Duos
Durée
04/03/2002
Grunsfeld/Linnehan
07:01
05/03/2002
Newman/Massimino
07:16
06/03/2002
Grunsfeld/Linnehan
06:48
07/03/2002
Newman/Massimino
07:18
08/03/2002
Grunsfeld/Linnehan
07:32
Entretien de Hubble en 2002
Objectifs
Remplacer le premier des deux panneaux solaires et
de couvertures thermiques sur des instruments
Remplacer le second panneau solaire et de l'un des
quatre PCS
Remplacer le PCU après le débranchement
électrique complet temporaire de Hubble
Remplacer le FOC par l'ACS et préparer l’installation
d’une unité de refroidissement
Installation de l'ESM
Entretien de Hubble en 2002
19
LES MISSIONS
Servicing Mission 4
A
près l’accident de Columbia en 2003, la Nasa doit revoir un certain nombre de
critères autorisant un lancement d’une navette dans l’espace. A l’époque, la
construction et le ravitaillement de la station spatiale sont l’objectif majeur de la
flotte des navettes. Si un équipage se trouvait dans l’impossibilité de revenir sur
Terre avec son vaisseau, il pouvait rester à bord de l’ISS en attendant qu’une autre
navette vienne le rechercher. Hors dans le cas de Hubble, il est impossible de
rallier l’ISS qui circule sur une orbite différente. La Nasa n’avait pas d’autres choix
que d’annuler toutes les missions liées à l’entretien du télescope. Devant le tollé
général, tant de la communauté scientifique que du grand public, l’agence spatiale
s’est ravisée et a mis en place un processus exceptionnel qui permettait de secourir
les astronautes le cas échéant en préparant en parallèle une seconde navette qui
pouvait partir dans les jours suivants.
La mission STS-125 est la cinquième et dernière mission d'entretien du télescope
spatial Hubble. En plus des travaux de maintenance et de mise à niveaux des équipements scientifiques, les astronautes ont pour tâche de fixer à l’arrière du télescope le dispositif de capture SCM (Soft Capture Mechanism) qui permettra à un
vaisseau automatique de s’amarrer en vue de le désorbiter en fin de vie. Programmée pour octobre 2008 la mission d’entretien est repoussée à mai 2009 suite à un
dysfonctionnement grave. Le SDF (Science Data Formatter), chargé de recueillir les
données des instruments, de les formater et de les envoyer au sol, est tombé en
panne après 18 ans de service. Hubble doit basculer sur celui de secours avec le
risque que celui-ci tombe également en panne. D’urgence, la Nasa doit modifier le
plan de vol et concevoir un nouveau SDF destiné à remplacer celui qui est tombé en
panne.
Equipage de la navette Atlantis
20
Lancement de la navette Atlantis
Le programme de la mission STS-125 prévoit 5 sorties qui vont s’enchaîner à un
rythme d’une par jour qui sont chacune effectuées par un duo d’astronautes
Date
Duos
Durée
14/05/2009
Grunsfeld/Feustel
07:20
15/05/2009
Massimino/Good
07:56
16/05/2009
Grunsfeld/Feustel
06:36
17/05/2009
Massimino/Good
08:02
18/05/2009
Grunsfeld/Feustel
07:32
Entretien de Hubble en 2009
Objectifs
Remplacer la caméra WFPC-2 par la WFPC-3, le
SIC/DH, installation du dispositif de capture SCM
Remplacer trois unités gyroscopiques RSU,
installation du premier module de batteries
Remplacer le COSTAR par le COS, réparer la caméra
ACS
Réparer le STIS
Installer le second module de batteries et du FGS-2,
remplacer quelques couvertures thermiques
21
LA FICHE TECHNIQUE
Coupe du Télescope
3
4
2
5
7
6
9
8
10
22
1
HUBBLE EN CHIFFRES
Dimensions
Longueur : 15,9 m
Diamètre : 4,2 m
Masse
Totale : 11 100 kg
Type
Télescope Ritchey-Chrétien d’une focale de 57,6 m
Diamètre miroir primaire : 2,4 m
Diamètre miroir secondaire : 0,3 m
Puissance
Puissance fournie par deux panneaux solaires de 7 m de longueur
Début de mission : 5 680 W
Communications
Deux antennes de communications qui envoient les données au Space
Telescope Operations Control Center (Greenbelt – Maryland) et Space Telescope
Science Institute (Baltimore – Maryland) via le réseau de satellites TDRS
1 Porte de protection
2 Magnétomètres (2x)
3 Antennes haut gain (2x)
4 Panneaux solaires (2x)
5 Miroir secondaire
6 Miroir primaire
7 Equipement optique
8 Equipement électronique, capteurs de guidage
9 Equipement scientifique
10 Antenne faible gain
23
LA FICHE TECHNIQUE
L'instrumentation
CONFIGURATION AU LANCEMENT
FOC (Faint Object Camera)
Maître d’œuvre: Dornier GmbH (Allemagne) / Matra Espace (France)
Objectifs: Caméra conçue pour l'observation des objets faiblement lumineux fonctionnant dans des logueurs d'onde allant de l'ultraviolet au visible.
WFPC 1 (Wide Field/Planetary Camera 1)
Maître d’œuvre: Calthec Institute (USA)
Objectifs: Caméra fonctionnant suivant deux modes, le mode à grand champ (Wide
Field) et le mode petit champ ou planétaire (Planetary Camera). Elle enregistre des
images via une sélection de 48 filtres couleurs. La qualité du WFPC en ont fait
l'instrument le plus utilisé sur le télescope.
GHRS (Goddard High Resolution Spectrograph)
Maître d’œuvre: Nasa Goddard Spaceflight Center (USA)
Objectifs: Spectromètre à haute résolution dédié à l'étude du spectre ultraviolet.
HSP (High Speed Photometer)
Maître d’œuvre: University of Wisconsin (USA)
Objectifs: Photomètre rapide utilisé pour mesurer très précisément l'intensité lumineuse des étoiles.
FOS (Faint Object Camera)
Maître d’œuvre: Martin Marietta Corporation (USA)
Objectifs: Caméra dédiée à l'étude des objets faiblement lumineux, sa bande spectrale d'analyse est plus large que celle du GHRS.
CONFIGURATION APRES SERVICING MISSION 1
WFPC 2 (Wide Field/Planetary Camera 2)
Maître d’œuvre: Calthec Institute (USA)
Objectifs: Remplace WFPC 1
COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement)
Maître d’œuvre: Ball Aerospace Corp. (USA)
Objectifs: Prend la place du HSP pour corriger l'abérration sphérique du miroir primaire par un système de 10 petits miroirs, 12 moteurs de réglage et 4 bras mobiles.
24
CONFIGURATION APRES SERVICING MISSION 2
STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph)
Maître d’œuvre: Goddard Space Flight Center (USA)
Objectifs: Spectromètre imageur fournissant des données avec une qualité
supérieure à celles du GHRS et du FOS. Il fonctionne dans une longueur d'onde
allant de l'ultraviolet à l'infrarouge pour obtenir les spectres des galaxies. Il prend
la place du GHRS.
NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-object Spectrometer)
Maître d’œuvre: Steward Observatory/University of Arizona (USA)
Objectifs: Spectromètre imageur fonctionnant dans le proche infrarouge pour
observer les objets très lointains et en déterminer le spectre électromagnétique. Il
prend la place du FOS. Il n'est plus fonctionnel depuis 2013.
CONFIGURATION APRES SERVICING MISSION 3A
Aucune modification n'a été opérée sur le package scientifique du télescope. Lors
de cette mission, les astronautes se sont principalement concentrés sur la partie
technique et électronique de Hubble.
CONFIGURATION APRES SERVICING MISSION 3B
ASC (Advanced Camera for Surveys)
Maître d’œuvre: Ball Aerospace & Technologies Corp (USA) / Goddard Space Flight
Center (USA)
Objectifs: Instrument constitué de trois caméras (une à grand champ, une à haute
résolution et une fonctionnant dans l'ultraviolet). Elle est utilisée pour déterminer
la distribution des galaxies et des amas ainsi que pour réaliser des images à très
haute résolution des régions où se forment les étoiles et leurs planètes. Il prend la
place du FOC.
CONFIGURATION APRES SERVICING MISSION 4
COS (Cosmic Origins Spectrograph)
Maître d’œuvre: Ball Aerospace & Technologies Corp (USA) / University of Colorado
(USA)
Objectifs: Spectromètre ultraviolet destiné à l'étude des grandes structures de
l'Univers et la composition des nuages de gaz et des atmosphères planétaires. Il
prend la place de COSTAR devenu inutile. Les instruments montés sur Hubble
depuis 1999 sont équipés de leur propre système de correction optique, rendant le
COSTAR inutile.
25
LA FICHE TECHNIQUE
L'instrumentation
WFC 3 (Wide Field Camera 3)
Maître d’œuvre: Ball Aerospace & Technologies Corp (USA) / Goddard Spaceflight
Center (USA)
Objectifs: Caméra de nouvelle génération fonctionnant dans les longueurs d'ondes
de l'ultraviolet et du proche infrarouge. Elle remplace la WFPC 2.
LA PARTIE OPTIQUE DE HUBBLE
La partie optique du télescope Hubble, OTA (Optical Telescope Assembly), utilise
une architecture de type Cassegrain dans la variante Ritchey-Chrétien qui se caractérise par des miroirs primaire et secondaire hyperboliques. Avec un tube de 6,4 m
de long, il est possible d'obtenir une grande longueur focale (57,6 mètres dans le
cas présent).
Le principe de fonctionnement du télescope Hubble est simple. La lumière émise
par les astres dans le cosmos est réfléchie par le miroir primaire de 2,4 m de diamètre vers le miroir secondaire de 30 cm de diamètre avant de passer par un orifice au centre du miroir primaire pour atteindre le plan focal. Le faisceau lumineux
est alors dirigé par un système de miroirs vers les différents instruments scientifiques.
26
27
DE HUBBLE A HUBBLE
L'Univers lointain
D
epuis sa mise sur orbite en avril 1990, le télescope spatial Hubble a engrangé
un nombre considérable de découvertes qui ont permis une avancée majeure
en astronomie, astrophysique et cosmologie. S’il est impossible de les citer toutes,
certaines ont une importance capitale dans la compréhension de notre Univers.
Jusqu’à l’avènement du télescope spatial, l’avis était unanime dans la communauté
scientifique pour dire que l’âge approximatif de l’Univers était de 15 milliards d’années. Aujourd’hui, grâce aux observations réalisées par Hubble, les astronomes ont
réussi à préciser l’âge de l’Univers. Il serait de 13,7 milliards d’années. Non seulement Hubble a pu déterminer l’âge de l’Univers mais il a pu confirmer la théorie de
l’astronome Edwin Hubble selon laquelle il serait en expansion (Constante Hubble).
Pour cela, les astronomes ont observé les Céphéides, type d’étoiles variables ayant
des variations très stables et un éclat prévisible. La période de variation dépend directement des propriétés physiques de l’étoile (magnitude absolue). En observant
leur fréquence, il est possible de déduire leur brillance et par conséquent leur
masse et leur distance. Après huit années d’observations, les astronomes sont parvenus à la conclusion que l’expansion augmente de 70 km/seconde tous les 3,26
millions d’années lumière.
Il existait une théorie selon laquelle le centre des galaxies hébergerait un trou noir.
En observant la galaxie M87, Hubble a pu fournir des preuves concluantes de
l'existence de trous noirs supermassifs au centre des galaxies.
Hubble a confirmé la présence de matière sombre dans l’Univers. La première présomption de son existence remonte aux années 30. L’astronome Fritz Zwicky voulait étudier un petit groupe de sept galaxies composant l’amas de Coma avec
comme objectif de déterminer la masse totale de l’amas en étudiant la dispersion
des vitesses des sept galaxies. En se basant sur les lois de Newton, il pouvait déduire la masse dynamique et la comparer avec la masse lumineuse. Le résultat a
été que la masse dynamique était plus importante que la masse lumineuse.
D’autres astronomes ont fait ce même genre de constat pour d’autres observations
d’amas. L’explication la plus logique serait la présence d’une matière invisible
constituant 90% de la masse totale de la galaxie.
Plus on regarde loin et plus on remonte le temps. Avec l’œil perçant de Hubble, les
astronomes ont pu observer des proto-galaxies, nuages de gaz à l’origine de la formation des galaxies, qui se sont formées 1 milliard d’années après la naissance de
l’Univers.
Hubble est à l’origine de plusieurs images devenues les plus emblématiques et les
plus poignantes dans l’histoire du télescope spatial. Parmi elles, les Piliers de la
Créations, structure située dans la nébuleuse de l'Aigle qui prend la forme de larges
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colonnes de trois années-lumière de long où naissent les étoiles. Il y a également le
Hubble Deep Field. Elle couvre une région dans la constellation de la Grande Ourse,
couvrant à peu près un 30 millionièmes de la surface du ciel. Aussi petite puisse
t’elle paraître, la région photographiée compte pas moins de 3 000 galaxies
Les Pilliers de la Création - Version haute définition de 201 4-201 5.
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DE HUBBLE A HUBBLE
L'Univers plus proche
L
e télescope Hubble a été mis à contribution pour des évènements plus proches
de nous. En juillet 1994, il était aux premières loges pour observer l’impact des
fragments de la comète Shoemaker-Levy 9 sur Jupiter. Pour la première fois, des
astronomes avaient l’occasion de suivre en direct un cataclysme de grande ampleur. Pendant des mois, Hubble a pris des clichés montrant l’évolution des impacts
dans la couverture nuageuse.
On doit à Hubble la découverte de nouvelles lunes orbitant autour de la planète
naine Pluton. Jusqu’en 2005, on ne lui connaissait que Charon découverte en 1978,
mais depuis la petite famille s’est agrandie avec Styx, Nix, Hydra et Kerbéros.
Evolution des impacts G (droite) et L du jour 1 (en bas) au jour 5 (en haut)
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Le spectromètre WFC-3 de Hubble a permis de mettre en évidence la présence de
certains composants dans l’atmosphère de planètes orbitant autour d’une autre
étoile autre que le Soleil. En 2001, il détecte la présence d’hydrogène, d’oxygène
et de carbone dans l'atmosphère de HD 209458b puis du dioxyde de carbone dans
celle de HD 189733b en 2008. La même année, il réalise la première photographie
d’une exoplanète située à 25 années lumière de la Terre. Fomalhaut b gravite à 17
milliards de km de l’étoile Fomalhaut. Sa masse est estimée à 3 fois celle de
Jupiter. En 2013, Hubble réussit à déterminer pour la première fois la couleur d’une
exoplanète. HD 189733b serait d’un bleu profond qui aurait pour origine la forte
présence de silicate dans son atmosphère qui disperse la lumière bleue.
L'environnement de l'étoile Fomalhaut et de sa planète Fomalhaut b
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DE HUBBLE A HUBBLE
Qui est Edwin P. Hubble
E
dwin P. Hubble est un astronome américain à l’origine de la théorie selon laquelle l’Univers est en expansion qui lui vaudra une renommée mondiale.
Hubble naît à Marshfield dans le Missouri le 20 novembre 1889. Alors qu’on s’attendait à ce qu’il se dirige vers une carrière sportive, Hubble est un grand amateur
de boxe, il s’inscrit à l’Université de Chicago d’où il sort diplômé en 1910 en mathématique et en astronomie. Il décroche une bourse au Queen's College d'Oxford où
il obtient un Master of Arts en droit avant d’obtenir un doctorat à l'observatoire
Yerkes en 1917. L’entrée de l’Amérique dans le premier conflit mondial retarde le
démarrage de sa carrière professionnelle. Il se bat en France et ne revient du front
qu’en 1919.
Hubble accepte une offre d’emploi de George Ellery Hale, le fondateur et directeur
de l'observatoire du Mont Wilson en Californie, en tant que chercheur. Il est l’un
des premiers à pouvoir utiliser le télescope Hooker de 250 cm, le plus puissant
télescope à l'époque. En combinant avec des observations réalisées à l’aide
d’instruments plus petits, il comprend que les « nébuleuses » qu’il peut voir ne font
pas partie de notre galaxie mais sont des galaxies très éloignées. A partir de là,
Hubble décide de classifier les galaxies selon leur morphologie. La classification,
toujours utilisée de nos jours, comprend quatre catégories de galaxies (lenticulaires,
elliptiques, spirales et irrégulières).
Edwin P. Hubble
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Le télescope Hooker
En collaboration avec Milton Humason, autre astronome américain, il réalise des
études spectroscopiques sur les galaxies. Des résultats obtenus, il établira ce que
l’on appelle aujourd’hui « la constante de Hubble » qui décrit l’expansion et qui corrobore la théorie du « Big-Bang » dictée par le chanoine catholique belge Georges
Lemaître. « La constante de Hubble » explique que plus la lumière spectrale d’un
objet tire vers le rouge et plus il s’éloigne à une vitesse approximativement proportionnelle à leur distance. Autrement dit, plus une galaxie est loin de nous, plus elle
semble s'éloigner rapidement.
Hubble poursuit sa carrière au Mont Wilson jusqu’à sa mort en septembre 1953. Au
cours de sa carrière, il reçoit la Médaille Franklin pour ses travaux sur les nébuleuses et la médaille d'or de la Royal Astronomical Society. C’est en hommage à cet
astronome, à l’origine du bouleversement de nos connaissances sur l’Univers, que
le Space Telescope sera baptisé de son nom.
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L'APRES HUBBLE
Le James Web Space Telescope
L
a durée de vie initiale du télescope spatial Hubble était de 15 ans, moyennant
des entretiens réguliers avec la navette spatiale. Il fût même un temps
question de le ramener sur Terre pour le remettre entièrement à neuf avant de le
relancer dans l’espace. Il fût également envisagé de le ramener sur Terre pour l’exposer dans un musée, probablement le National Air and Space Museum près de
Washington. L’accident de Columbia en 2003 change la donne et la Nasa doit revoir la fin de carrière du plus célèbre télescope spatial. Ne disposant plus de sa
flotte de navettes, il est impossible de le ramener sur Terre ou même d'effectuer les
entretiens nécessaires pour le maintenir en fonction. Hubble sera utilisé le plus
longtemps possible jusqu’à ce que ses équipements rendent l’âme les uns après les
autres. L’agence spatiale espère pouvoir exploiter le télescope jusqu’en 2020 au
moins. Après quoi, il se désintégrera en rentrant dans les hautes couches de l’atmosphère. Pour l’heure, aucun plan n’est encore fixé sur la manière dont l’opération se déroulera. Soit, elle se fera naturellement comme pour la majorité des
satellites sur orbite, soit un engin motorisé s’accouplera au télescope pour le pousser vers son plongeon mortel dans une zone déterminée.
Si Hubble est en fin de vie, son successeur est proche de sa rampe de lancement.
Le James Webb Space Telescope devrait prendre la route pour l’espace en 2018 à
bord d’une fusée Ariane 5. Il sera équipé d’un miroir de 6,5 m de diamètre composé de 18 éléments hexagonaux et sera spécialisé dans l’observation du spectre infrarouge. Le faisceau lumineux capturé par les miroirs se dirigera vers le miroir
secondaire qui le répartira vers les quatre instruments embarqués :
NIRCam: Caméra proche infrarouge
NIRSpec: Spectromètre grand angle proche infrarouge
MIRI: Spectrographe imageur moyen infrarouge
FGS/NIRISS: Spectrographe imageur proche infrarouge
Contrairement à son aîné, il ne sera pas placé sur orbite terrestre mais au point
Lagrange L2 à 1,5 million de km de notre planète. L’orbite particulière du JWST ne
permettra aucune mission d’entretien. Il est prévu de l’utiliser pendant au moins
cinq ans.
En 2005, le coût total du projet était estimé à 4,5 milliards de dollars avant de passer à 8,8 milliards en 2011. La complexité du concept est la raison principale de
l’explosion du coût. Le JWST échappe de peu à l’annulation par le Congrès qui demande à la Nasa de lui fournir une évaluation mensuelle de l'évolution de l'avancement du projet et de son coût.
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Le James Webb Space Telescope
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