HERSCHEL SPACE OBSERVATORY. Explorer la formation des galaxies et des étoiles

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1 HERSCHEL SPACE OBSERVATORY Explorer la formation des galaxies et des étoiles

2 SOMMAIRE La présentation de la mission... 3 Observer l Univers dans l infrarouge... 5 Observer l Univers dans le submillimétrique... 6 La fiche technique... 7 L instrumentation... 9 Les sources

3 LA PRESENTATION D HERSCHEL D - ans un premier temps baptisé FIRST (Far InfraRed and Submillimeter Telescope), l observatoire spatial Herschel est la quatrième pierre angulaire du programme Horizon 2000 de l agence spatiale européenne. Confirmée en 1997, cette mission aura quatre objectifs : Etudier la formation des galaxies dans les premiers âges de l Univers et l évolution qu elles ont subie depuis Etudier la formation des étoiles et les interactions qu il peut y avoir avec l environnement interstellaire Observer la composition chimique de l atmosphère et la surface des comètes, planètes et leurs satellites naturels Examiner les molécules chimiques de l Univers Pour remplir ces objectifs ambitieux qui ont une importance dans la compréhension du fonctionnement de l Univers, l agence spatiale européenne mise sur un télescope d un diamètre de 3,5 mètres qui observera dans le domaine infrarouge lointain et submillimétrique. Cet observatoire est très différent des télescopes spatiaux traditionnels. En effet, pour observer l Univers dans les domaines spectraux qui sont les siens, Herschel devra avoir une optique adaptée au grand froid et largement expérimentée avec succès sur ISO (Infrared Space Observatory) dans les années 90. Les instruments sont protégés de toute source de chaleur à l intérieur d une sorte de bouteille thermos remplie d hélium liquide refroidi à 273 C. L observatoire Herschel sera lancé par Ariane 5ECA depuis le Centre Spatial Guyanais de Kourou en compagnie d une autre mission astronomique, Planck. Après 26 minutes de vol, l étage supérieur larguera l un après l autre les satellites Herschel et Planck sur une orbite de 270 x km sur une inclinaison de 6 par rapport au plan équatorial. De là, Herschel et Planck rejoindront séparément leur orbite de travail Lagrange L2 à 1,5 millions de kilomètres de la Terre. Le transfert vers l orbite de travail demandera au moins 4 mois durant lesquelles 3 manœuvres de navigation seront réalisées. Les deux premières auront lieu en orbite terrestre au Jour + 2 et Jour Cette dernière donnera le coup d envoi vers le voyage vers l orbite de travail. La dernière aura lieu à Jour 10 avant l arrivée à Lagrange L2. La mission scientifique d Herschel ne débutera réellement que 6 mois après son lancement, une fois qu il aura passé tous les tests qui valideront ses performances et son bon état. Ces tests débuteront avant même d arriver à Lagrange L2. 3

4 PHASES DE LA MISSION DEBUT Lancement Jour 0 Phase Orbite Terrestre Jour 0 Phase de mise en route Jour 0 Phase de vérification des performances Jour 0 + 1,5 mois Phase de démonstration scientifique Jour 0 + 3,5 mois Phase opérationnelle Jour mois (1) Phase de réduction (2) B Phase de mission de consolidation B + 3 mois Phase d archives actives B + 9 mois Phase de consolidation archive B + 57 mois Phase d archives historiques B + 63 mois (1) Début de la mission à proprement parlé (2) Début de la seconde phase d activité, notée Phase B (B) (3) Fin de la mission d Herschel FIN Jour jours Jour mois Jours 0 + 3,5 mois Jour mois Jour mois (B) B + 3 mois B + 9 mois B + 57 mois B + 63 mois (3) - DICO Pour comprendre comment fonctionne les orbites de Lagrange, il est important de comprendre comment fonctionne une orbite en général. Toutes les orbites font appel à 2 choses : l'attraction terrestre et la vitesse de satellisation. Lancez n'importe quel objet, il retombera sur Terre. Plus vous le lancerez fort et plus loin il ira. C'est la force d'attraction de la Terre (d'un astre en général) qui est responsable de ce phénomène. Si on lance un satellite avec une vitesse très élevée, km/h dans le cas des satellites en orbite autour de la Terre, il aura une assez grande vitesse pour annuler cette force ou presque. Il en va de même pour tout objet dans l'espace. Il orbitera toujours autour de quelque chose. Ainsi, lorsqu'une sonde est lancée en direction d'une planète, elle décrit une orbite autour du Soleil qui croisera l'orbite de la planète visée. Le fonctionnement des orbites, ou plutôt des Points Lagrange, est différent. Le satellite n'est plus soumis par l'attraction d'un astre mais de 2. L'attraction de l'un est compensée par celle de l'autre. Comme le schéma ci-dessus le montre, il existe 5 Points Lagrange. Si L1, L2 et L3 sont instables (la durée de la stabilité est limitée et la gravité de l'un ou l'autre astre reprend le dessus), L4 et L5, situés à un angle de 60 par rapport à l'axe entre les 2 astres, sont qualifiés de stables (la durée de stabilité est infinie). On retrouve cette même configuration pour les astéroïdes troyens près de Jupiter. Ils sont calés sur la même orbite que la planète sur les Points L4 et L5 situés 60 en avance ou 60 en arrière. Orbite de travail de l observatoire spatial Herschel Photo ESA 4

5 OBSERVER L UNIVERS DANS L INFRAROUGE H erschel étudiera l Univers dans la gamme de l infrarouge lointain et le submillimétrique. Le rayonnement infrarouge est situé au-delà de la zone visible du spectre électromagnétique, dans des longueurs d onde allant de 0,8 Km à 100 Km. Il est émis par des objets relativement froids dont la température est comprise entre 30 et 3000 Kelvin. Pour la mission Herschel, l agence spatiale européenne mise sur l infrarouge lointain (au-delà de 20 Km), la gamme d onde la plus longue dans l infrarouge. L astronomie dans l infrarouge est utilisée pour l observation des objets cosmiques dont la température est relativement froide comme l atmosphère planétaire, les naines brunes, les nuages de poussières interstellaires où naissent les étoiles ainsi que les noyaux galactiques. 5

6 La galaxie M51 vue en infrarouge lointain (gauche) par le télescope IRAS de la Nasa et à droite vue dans la lumière visible Photo Nasa 6

7 OBSERVER L UNIVERS DANS LE SUBMILLIMETRIQUE H erschel étudiera l Univers dans la gamme de l infrarouge lointain et le submillimétrique (micro-ondes). Le rayonnement submillimétrique est situé au-delà de l infrarouge dans des longueurs d onde comprise entre 60 et 670 µm. La galaxie M51 vue en submillimétrique (gauche) et à droite vue dans la lumière visible Photo Nasa L astronomie dans le domaine spectral submillimétrique est encore peu utilisée de nos jours malgré l intérêt qu elle représente pour l étude des gaz et poussières constituant les nuages interstellaires où naissent les étoiles. En observant ce gaz, les scientifiques pourront sans doute mieux comprendre les évènements qui conduisent à la formation des étoiles et par déduction à la formation de notre système solaire. 7

8 LA FICHE TECHNIQUE L e maître d œuvre principal du projet est Thales Alenia Space (France), meneur d un consortium associé avec Astrium (Friedrichshafen Allemagne) qui est responsable de l Extended Payload Module et Thales Alenia (Torino Italie) responsable du Service Module. Les sous-traitants de ces sociétés étaient répartis à travers les pays membres de l agence spatiale européenne. DIMENSIONS Hauteur : 7,5 mètres Largeur : 4 mètres MASSE Au lancement : kg DUREE DE VIE Optimale : 3,5 ans STABILISATION Trois axes PUISSANCE W produits par un panneau solaire CONTROLE Modèle de vol du télescope Herschel monté sur son chariot Le contrôle de la mission est polyvalent dans une position horizontale pour les mesures de réparti entre 3 centres. Le distance M1/M2 du télescope. premier, le Herschel Science Centre (Madrid) supporté par le NASA Herschel Science Center, est chargé des communications des résultats aux scientifiques et au public. Le second est l Instrument Control Centres chargé uniquement du contrôle des trois instruments embarqués. Le dernier est le Mission Operations Centre, basé à l ESOC à Darmstadt en Allemagne. Il assure la gestion de la mission. COMMUNICATIONS Taux de données moyenne vers les instruments : 130 kbps COUT 1000 millions d euros depuis le développement jusqu à l exploitation 8

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10 L INSTRUMENTATION L observatoire spatial Herschel transporte en plus de son télescope, trois instruments. Ceux-ci ont été montés sur la bouteille remplie de litres d hélium destinée à les maintenir à une température proche du zéro absolu. TELESCOPE Maître d œuvre : EADS Astrium (France) Télescope à réflexion de type Cassegrain d une focale de 28,5 mètres. Le miroir primaire (M1) a été construit à partir de 12 segments de céramique de carbure de silicium par brasage pour ne former qu un bloc monolithique de 3,5 mètres de diamètre qui a été usiné et poli avec l épaisseur (environ 3 millimètres) et l exactitude exigée. Il a ensuite été recouvert d une couche d'aluminium de 350 nm lui donnant son pouvoir réfléchissant. Le miroir secondaire (M2), constitué d un seul bloc, est un hexapode de 30,8 centimètres de diamètre construit de la même façon que le miroir primaire. HIFI (Heterodyne Instrument for the Far Infrared) Maître d œuvre : SRON, Groningen (PaysBas) Objectifs : Se concentrera autour de la question concernant l interaction entre les étoiles et le milieu interstellaire. C est un spectromètre hétérodyne très haute résolution. Le principe de détection hétérodyne implique la traduction de la gamme de fréquence du signal astronomique observé en une fréquence inférieure où il est plus facile d exécuter les mesures exigées. Cela se fait en mixant le signal entrant avec un signal 1 : Mixer assemblies monochromatique très stable, produit par 2 : Telescope beam un oscillateur local et extrayant la 3 : Cal source assembly différence de fréquence pour le nouveau 4 : IF 2 box traitement. La différence de signal 5 : L.O. beams provenant du processus hétérodyne est passée vers les spectromètres WBS (Wide Band Spectrometer) et HRS (High Resolution Spectrometer). Chacun est capable de traiter les signaux des deux polarisations simultanément. 10

11 PACS (Photoconductor Array Camera and Spectrometer) Maître d œuvre : MPE, Garching (Allemagne) Objectifs : Il doit aider les scientifiques à répondre aux questions concernant l origine des étoiles, les systèmes planétaires, les galaxies et l évolution de l Univers. Il est composé d un photomètre imageur utilisant deux matrices de bolomètres pour refléter la photométrie et d un spectromètre comportant deux tableaux de photoconducteur de germanium/gallium. Le PACS travaille dans des longueurs d ondes comprises entre 60 et 210 Km. 1 : Photometer optics 2 : Chopper 3 : Slicer optics 4 : Collimator Grating compartment 5 : Telescope beam 6 : Entrance aperture 7 : sge:ga Detector Red spectrometer 8 : Bolometer unit SPIRE (Spectral and Photometric Imaging REceiver) Maître d œuvre : Cardiff University (Royaume-Uni) Objectifs : Il permettra de répondre aux questions suivantes : - Comment et quand se sont formées les galaxies - Comment se forment les étoiles. Il comprend un photomètre imageur à trois bandes avec des matrices composées de bolomètres en toile d'araignée et d un spectromètre transformé Fournier avec des matrices composées de bolomètres en toile d'araignée. 1 : Telescope beam 2 : Photometer compartment 3 : Spectrometer compartment 4 : Detector array compartment 5 : Mirrors compartment 11

12 Les cibles prévues pour les différents instruments embarqués à bord de l observatoire spatial Herschel Photo ESA 12

13 LES SOURCES

14 FT-01/ FT-04/