Missions spatiales en astrophysique

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1 Missions spatiales en astrophysique Des rayons X au millimétrique Olivier Absil Chercheur Qualifié F.R.S.-FNRS Dept. AGO / Fac. Sciences

2 Des rayons X au rayonnement millimétrique POURQUOI OBSERVER DEPUIS L ESPACE?

3 Pourquoi l espace? Transmission atmosphérique absorption 1 0 gamma / X / UV vis / IR / submm/ mm

4 Pourquoi l espace? Turbulence atmosphérique Front d onde déformé Image = tache de taille égale à λ/r 0 r 0 = taille des plus petites cellules turbulentes, typiquement 10 cm Limite le pouvoir de résolution à celui d un télescope de 10 cm de diamètre 1 arcsec

5 Pourquoi l espace? Au sol: optique adaptative Correction du front d onde en temps réel 1. Analyseur de front d onde 2. Miroir déformable haute fréquence (> 100 Hz) La correction n est que partielle Idéal espace

6 Pourquoi l espace? Stabilité/ précision Sur Terre: scintillation, diffraction, etc Variabilité de la transmission atmosphérique Sortir de l atmosphère permet de s en affranchir Photométrie de haute précision)

7 Pourquoi l espace? Brillance du ciel / fond thermique Visible: «airglow» Infrarouge: émission thermique d un corps gris à 280K (émissivité = 1 transmission)

8 Pourquoi l espace? Exploration in situ Missions de rendez-vous Observation en orbite autour d une planète cartographie détaillée (3D) mesures du champ magnétique... Mesures in-situ à la surface (atterrisseur) Mars express Curiosity Giotto

9 Pourquoi l espace? En résumé: intérêtsde l espace Spectre complet nouveaux phénomènes Sensibilité voir plus faible, plus loin (jeune) Résolution angulaire plus de détails Stabilité (thermique, mécanique) plus de précision Autres raisons Refroidissement des optiques Pas de cycle jour/nuit longues observations

10 Pourquoi l espace? Plan de l exposé 1. RayonsX (0.1 nm 10 nm) 2. Visible / infrarougeproche(300 nm 3 µm) 3. Infrarougemoyen(3 µm 30 µm) 4. IR lointain/ sub-mm / micro-ondes(30 µm 3 mm) Plan des sections: Intérêt du domaine de longueur d onde Example(s) de mission(s) spatiale(s) Défis techniques associés Quelques résultats scientifiques Missions futures 5. Cosmic Vision: le programme scientifique de l ESA

11 De λ= 0.1 nm à λ= 10 nm LE DOMAINE DES RAYONS X

12 Intérêtsastrophysiques Origine: gaztrèschaud, particules relativistes Physique stellaire Binaires X comportant uneétoile cannibale (étoile à neutrons, trou noir) Quasars Matière sombre Phénomènes violents

13 Intérêtsastrophysiques Une autre vue sur l Univers Rayons X Visible

14 Deuxmissions majeures XMM-Newton (1999) Longueur: 10 m Poids: 3.8 tonnes Lancement: Ariane 4 AXAF-Chandra (1999) Longueur: 12 m Poids: 1.5 tonnes Lancement: navette

15 Focalisation des rayonsx Toute une histoire! Rayons X pouvoir pénétrant important Ne peuvent pas être réfléchis en incidence normale Lumière visible Rayons X

16 Focalisation des rayonsx Première solution: collimateur mécanique Ensemble de tubes creux devant le détecteurpour limiter la direction des rayons Ne fournit pas réellement d image

17 Focalisation des rayonsx Deuxièmesolution: masques codés Masquer partiellement l'ouverture du télescope Mesurer la superposition des ombres du masque projetées sur le détecteur Inconvénients Résolution angulaire faible Sensibilité limitée Toujours utilisé dans l astronomie gamma

18 Focalisation des rayonsx Troisième solution: incidence rasante Illumination sous petit angle (quelques degrés)

19 Focalisation des rayonsx Implémentation de l incidence rasante Véritable télescope, mais distance focale très élevée Solution: assemblage de type Wolter I Combinaison de 2 réflexions (paraboloïde et hyperboloïde) Augmenter la surface imbriquer les miroirs

20 Résultatsmajeurs Phénomènes d accrétion/éjection Découvertede plasmas hyper-chauds(>10 6 K) Supernovae: explosions et conséquences Pulsars, magnetars, binaires X, trous noirs, etc Plus haute énergie: gamma-ray bursts

21 Objectif: augmenter la surface collectrice Projet Athena Double télescope de surface effective 0.6m² Résolution angulaire: 10 secondes d arc Longueur focale de 11 m Masse < 6500 kg Nouvelle technologie de miroirs très légers Pour aller plus loin: structure déployable, vol en formation Missions futures

22 De λ= 300 nm à λ= 3 µm LE DOMAINE VISIBLE / INFRAROUGE PROCHE

23 Domaine visible / IR proche Intérêtastrophysique Loide Wien: λ max (µm) = 2898 / T (K) Phénomènes thermiques à K Domaine des étoiles/ groupes d étoiles (galaxies)

24 Domaine visible / IR proche Hubble Space Telescope Idée: années 40 Projet: années 60 Design / construction: années Lancement: avril 1990 (7 ans de retard) Navette Discovery LEO (560 km) Fin de mission: >2014 Longueur: 13 m Poids: 11 tonnes

25 Domaine visible / IR proche Hubble Space Telescope Diamètre télescope: 2.4 m Longueur d onde: 115 nm à 2.4 µm Résolution angulaire: 0.05 arcsec dans le visible 20 mieux que les télescopes au sol (sans OA) Sensibilité environ 50 meilleure qu au sol 6 instruments 3 caméras + 2 spectrographes + senseur guidage Seul télescope spatial réparable «Spacerendezvous» avec la navette spatiale (retour sur Terre initialement prévu tous les 5 ans)

26 Complexité du HST Domaine visible / IR proche

27 Domaine visible / IR proche Défis techniques du HST Miroir / qualité optique Miroir réflecteur monolithique léger Épaisseur de 2 cm ( poids!!!) Structure en nid d abeille (résistant au lancement) Limité par la diffraction défauts < λ/10 Opération dans l UV 10 nm! Nouvelle méthode de polissage contrôlée par ordinateur Au final: erreur de 2 µm sur les bords Aberration catastrophique: résolution ~ 1" Attendu Mesuré

28 Domaine visible / IR proche Servicingmissions Impossible de remplacer le miroir Nouveaux instruments: correction optique intégrée Vieux instruments: package correctif Missions en 1993, 1997, 1999, 2002, 2009 Remplacement des instruments, gyroscopes, panneaux solaires, batteries, Réparations diverses + correction orbite Caméra grand champ Caméra et spectromètre IR proche Spectromètre UV Caméra UV / visible / IR proche Spectromètre UV / visible / IR proche

29 Domaine visible / IR proche Autres défis techniques Stabilité thermique / mécanique Cycle jour/nuit de 96 min Observations possibles même pendant le choc thermique jour/nuit Isolation multicouche, structure en fibre de carbone Maintenance future (sans navette) Servicing mission terminé? Retour sur terre mission robotique? Budget 400 M$ 2.5 G$ (lancement) ~9 G$ (en 2010)

30 Domaine visible / IR proche Découvertes extragalactiques Détermination de la constante de Hubble (H 0 ) Loi de Hubble: v= H 0 D HST mesure Dvia Céphéides Expansion de l univers Supernovae lointaines l expansion accélère! Nécessite énergie noire Trous noirs au centre des galaxies Hubble DeepField: les galaxies «primordiales» (10 jours de pause)

31 Domaine visible / IR proche Découvertes galactiques Formation des étoiles / planètes Planètes extrasolaires Première véritable image Premier spectre composition

32 Domaine visible / IR proche Système solaire Planètes géantes Aurores Impacts Dynamique atmosphérique Planètes naines Surface de Pluton Objets les plus petits du système solaire

33 Domaine visible / IR proche Autresexemples: CoRoT/ Kepler Photométrie ultra-précise Précision de 10-4 à 10-5 Détectiond exoplanètespar transits Première planète rocheuse Objectif: planètes habitables Sismologie stellaire

34 Domaine visible / IR proche Missions futures (vis/ir proche) GAIA (ESA, 2013) Carte 3D de notre galaxie Position et mouvement de d étoiles 106 CCDs1 milliard de pixels au total Structure hyper stable en carbure de silicium (SiC) ESA Cosmic Vision PLATO / EChO: planètes extrasolaires EUCLID: énergie noire (NASA/WFIRST) Solar Orbiter Futur grand télescope visible (> 2025) Projets TPF-C, ATLAST, (8m+) GAIA TPF-C PLATO

35 De λ= 3 µm à λ= 30 µm LE DOMAINE INFRAROUGE MOYEN

36 Domaine IR moyen Intérêtsastrophysiques Univers primitif Haut redshift IR moyen Premières étoiles et assemblage des galaxies Émission thermique K Formation stellaire / planétaire Exoplanètes A travers la poussière!

37 Domaine IR moyen James Webb Space Telescope Actuellement en construction Lancement en 2018? Le plus grand télescope spatial pour longtemps Diamètre: 6.5 m Domaine: µm Diffraction-limited: λ > 2 µm Projet NASA avec contribution ESA 3 G$ dépensé, ~8 G$ final

38 Domaine IR moyen Le coût «exponentiel» du JWST Année Lancement prévu Budget planifié G$ G$ / G$ G$ G$ G$ G$ G$ G$ / G$ G$

39 Domaine IR moyen Taille du JWST = terrain de tennis!

40 Design du JWST Domaine IR moyen

41 Télescopedéployable Domaine IR moyen

42 Domaine IR moyen Miroir léger segmenté Poids 10 plus petit que HST par unité de surface utilisation de béryllium Métal très léger Résistant et «indéformable» Allégé par structure nid d abeille Revêtement en or Contrôle de l alignement des segments Plusieurs niveaux de senseurs et contrôleurs Au final, défauts d alignement < 100 nm Alignement tous les 14 jours

43 Domaine IR moyen Refroidissement Point de Lagrange L2 Miroir refroidi à 50 K (passif) Bouclier solaire innovant 5 couches (polymères) Réfléchit sans chauffer Épaisseur ~ 30 µm Résistant aux micrométéorites Instruments: cryogénie

44 Domaine IR moyen Instruments NIRCam: imagerie de 0.6 à 5 µm NIRSpec: spectroscopie de 0.6 à 5 µm Multi-objet réseau de microvolets (MEMS) NIRISS: imagerie grand champ, spectroscopie, µm MIRI: imagerie et spectroscopie de 5 à 29 µm Cryogénie active non-locale à 6 K (cycle Joule-Thompson à l hélium) Nouveaux détecteurs Si:As

45 Domaine IR moyen Autres missions Spitzer SpaceTelescope (2003, NASA) Diamètre: 85 cm Domaine: de 3.6 à 70 µm (160 µm) Orbite «Earth-trailing» Refroidissement: 400 l d hélium liquide (épuisé) Relevés complets du ciel AKARI (2006, JAXA) WISE (2009, NASA), refroidi à 17 K via cryostat d hydrogène solide

46 Domaine IR moyen Science: galaxies Les premières galaxies Structure des galaxies proches Zones de formation stellaire Poussières et gaz froids

47 Domaine IR moyen Science: étoiles et planètes Découverte des étoiles les plus jeunes (en cours de formation) Naines brunes froides Disques circumstellaires (IRAS, 1984) Première mesure de la température d une exoplanète(spitzer, 2006)

48 Domaine IR moyen Futur: Darwin/TPF-I Vol en formation Pas de restriction de taille Résolution angulaire: λ/ B Objectifs Imagerie directe d exo-terres Découvrir la vie!

49 De λ= 30 µm à λ= 3 mm LE DOMAINE IR LOINTAIN / SUBMM / MM

50 Domaine IR lointain / submm/ mm Intérêts astrophysiques Phénomènes thermiques froids (< 100 K) Nuages moléculaires Système solaire Fond cosmologique à 3 K Vestige du BigBang

51 Domaine IR lointain / submm/ mm 2 exemples: Herschel & Planck Lancés ensemble par Ariane V en mai 2009

52 Domaine IR lointain / submm/ mm Herschel Diamètre: 3.5 m (SiC) Domaine: 55 à 672 µm Taille: m Poids: 3.4 tonnes Orbite: Lagrange L2 Durée: 3.5 ans

53 Domaine IR lointain / submm/ mm Planck Diamètre: 1.5 m Taille: cube de 4.2 m Poids: 1.9 tonnes Domaine: 0.3 à 10 mm Durée: 2 ans (2 relevés complets du ciel)

54 Domaine IR lointain / submm/ mm Refroidissement Télescope: K Plan focal: 5-6 K Bolomètres: K Différents types de refroidisseurs Boucliers solaires / baffle Absorption/désorption (sans mécanisme) Hydrogène condense sur un métal Pompe à hélium Dilution / évaporation d hélium (mélange He 3 /He 4 ) Stabilité (0.015 K pour Herschel/HIFI) Tests cryogéniques effectués au CSL

55 Domaine IR lointain / submm/ mm Résultats Herschel Formation des premières galaxies Formation stellaire Comment dépasser les 8 M Sun? Embryons stellaires dans des filaments Perte de masse des étoiles en fin de vie Chimie moléculaire Dans les nuages froids (H 2 O, O 2, etc) Surfaces et atmosphères planétaires

56 Domaine IR lointain / submm/ mm Résultats Planck Fond cosmologique diffus à 2.7 K Mesures des anisotropies à ΔT/T 10-6 Résolution angulaire sans précédent (5 arcmin) Propriétés à large échelle de l Univers Nature et quantité de matière noire Recherche de «défauts» et de l origine des structures Test des modèles d inflation

57 Domaine IR lointain / submm/ mm Autre exemple: SOFIA (NASA) Télescope de 2.5 m Altitude > 13 km Domaine: 0.3 µm 1.6 mm Surtout entre 5 et 300 µm Boeing 747-SP modifié Structure renforcée pour télescope de 20 tonnes Gros trou dans le fuselage, en évitant la turbulence

58 Domaine IR lointain / submm/ mm Futur: interférométrie (SPIRIT) Base: 7 35 m Déploiement Télescopes: 1 m Domaine: µm Refroidissiment Optiques à 4 K Bolomètres à 50 mk Synthèse d ouverture Coulissage Rotation

59 Le programme scientifique de l ESA COSMIC VISION

60 Le programme de l ESA Programme Horizon Cosmic Vision

61 Le programme de l ESA CosmicVision Quatre thèmes 1. Quelles sont les conditions pour la formation des planètes et l apparition de la vie? 2. Comment fonctionne le système solaire? 3. Quelles sont les lois fondamentales de l Univers? 4. Comment a commencé l Univers et de quoi est-il constitué? Trois opportunités pour la communauté scientifique : une mission Large (650M, 2020) et deux missions Medium (450M, ) : une mission M (450M, 2022) (?): deux missions L (?)

62 Le programme de l ESA Appel à mission #1 Plus de 50 propositions reçues 6 missions M retenues Euclid (énergie noire) Plato(planètes extrasolaires) Spica (observatoire infrarouge, collaboration JAXA) Marco-Polo (retour échantillon astéroïde) Cross-Scale(magnétosphère, ondes de choc) Solar Orbiter (soleil à haute résolution Horizon 2000+) 4 missions L retenues (collaboration NASA?) Laplace (système Jupiter-Europe) TandEM (système Saturne-Titan-Encélade) IXO (observatoire rayons X) LISA (ondes gravitationnelles Horizon 2000+)

63 Le programme de l ESA Phases d un projet spatial A B C D E Faisabilité Design préliminaire Design détaillé Production & qualification Utilisation

64 Le programme de l ESA Processus de sélection Laplace JUICE NGO Athena JUICE Euclid Plato Spica Solar Orbiter Solar Orbiter Euclid Évaluation (phase A) Définition (phase B1) Implémentation (phases B2/C/D)

65 Le programme de l ESA Appel à mission #2 47 propositions soumises 4 missions M retenues pour «assessment phase» + 1 mission repêchée de M1/M2 EChO: Exoplanet Characterisation Observatory PLATO: PLAnetary Transits and Oscillations of stars LOFT: Large Observatory For X-ray Timing MarcoPolo: retour d échantillon d un astéroïde STE-QUEST: effets de la gravité sur le temps et l espace Sélection: 1 mission sélectionnée début 2014 Lancement prévu en 2024