Missions spatiales en astrophysique (II)

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1 Missions spatiales en astrophysique (II) Du visible au millimétrique Olivier Absil Chargé de Recherches FNRS Dept. AEOS / Fac. Sciences

2 Domaines visible / infrarouge / submillimétrique / millimétrique POURQUOI OBSERVER DEPUIS L ESPACE?

3 Pourquoi l espace? Transmission atmosphérique absorption 1 0 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

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

7 Pourquoi l espace? En résumé Spectre complet nouveaux phénomènes Sensibilité plus faible, plus loin (=jeune) Résolution angulaire plus de détails Autres raisons Environnement stable (thermique, mécanique,...) Refroidissement des optiques Pas de cycle jour/nuit longues observations

8 Pourquoi l espace? Plan de l exposé 1. Visible / infrarouge proche (300 nm 3 µm) 2. Infrarouge moyen (3 µm 30 µm) 3. 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 4. Cosmic Vision: le programme scientifique de l ESA

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

10 Domaine visible / IR proche Intérêt astrophysique Loi de Wien: λ max (µm) = 2898 / T (K) Phénomènes thermiques à K Domaine des étoiles / groupes d étoiles (galaxies)

11 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

12 Domaine visible / IR proche Hubble Space Telescope Diamètre télescope: 2.4 m Longueur d onde: 115 nm à 2.4 µm Résolution angulaire: 0.1 arcsec dans le visible 10 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 «Space rendezvous» avec la navette spatiale (retour sur Terre initialement prévu tous les 5 ans)

13 Complexité du HST Domaine visible / IR proche

14 Domaine visible / IR proche Défis techniques du HST Miroir / qualité optique Miroir réflecteur monolithique léger Épaisseur de 2 cm 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

15 Domaine visible / IR proche Servicing missions 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

16 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 400M$ 2.5 G$ (lancement) 6G$ (en 2010)

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

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

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

20 Domaine visible / IR proche Autres exemples: CoRoT / Kepler Photométrie ultra précise Précision de 10 4 à 10 5 Détection d exoplanètes par transits Première planète rocheuse Objectif: planètes habitables Sismologie stellaire

21 Domaine visible / IR proche Missions futures (vis/ir proche) GAIA (ESA, 2012) Carte 3D de notre galaxie Position et mouvement de d étoiles 106 CCDs 1 milliard de pixels au total Structure hyper stable en carbure de silicium (SiC) ESA Cosmic Vision PLATO: planètes extrasolaires EUCLID: énergie noire (NASA/JDEM) Solar Orbiter Futur grand télescope visible (> 2025) Projets TPF C, ATLAST, (8m+) GAIA TPF C PLATO

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

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

24 Domaine IR moyen James Webb Space Telescope Actuellement en contruction Lancement en 2014 Le plus grand télescope spatial pour longtemps Diamètre: 6.5 m Domaine: µm Diffraction limited: λ > 2 µm Projet NASA avec contribution ESA Budget: > 5 G$

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

26 Design du JWST Domaine IR moyen

27 Télescope déployable Domaine IR moyen

28 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

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

30 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) TFI: imagerie de 1.6 à 4.9 µm (bandes étroites) MIRI: imagerie et spectro de 5 à 29 µm Cryogénie active non locale à 6 K (cycle Joule Thompson à l hélium) Nouveaux détecteurs Si:As

31 Domaine IR moyen Autres missions Spitzer Space Telescope (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

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

33 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)

34 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!

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

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

37 Domaine IR lointain / submm / mm 2 exemples: Herschel & Planck Lancés ensemble par Ariane 5 en mai 2009

38 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

39 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)

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

41 Domaine IR lointain / submm / mm Résultats Herschel Formation des étoiles massives: comment dépasser les 8 M Sun? Embryons stellaires dans des filaments Température des nuages interstellaires Formation et ionisation de l eau (photons UV) Galaxies «starburst» nombreuses dans le passé

42 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

43 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

44 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

45 Le programme scientifique de l ESA COSMIC VISION

46 Le programme de l ESA Programme Horizon Cosmic Vision

47 Le programme de l ESA Cosmic Vision 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) 3. Dernier appel à missions à définir

48 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+)

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

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