Grands observatoires (NASA)

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Les quatre Grands Observatoires

Le programme des Grands Observatoires de la NASA comprend quatre grands et puissants télescopes spatiaux. La même taille et le même budget ont initialement été alloués aux quatre projets, et chacun d'entre eux a apporté des contributions substantielles à l'astronomie. La conception de chacun des observatoires a été adaptée à l'observation d'une région spécifique du spectre électromagnétique[1].

Grands Observatoires[modifier | modifier le code]

De ces quatre satellites, seul Compton n'est plus opérationnel aujourd'hui. L'un de ses gyroscopes est tombé en panne, et la NASA lui a transmis l'ordre de quitter son orbite le 4 juin 2000. Les parties qui ont résisté à la rentrée dans l'atmosphère terrestre ont disparu dans l'océan Pacifique. Hubble devait à l'origine être récupéré et ramené sur terre par la navette spatiale, mais ce projet a ensuite été abandonné. Le 31 octobre 2006, Michael Griffin, l'Administrateur de la NASA, donna le feu vert pour une ultime mission de rénovation. La mission STS-125 de 11 jours de la navette Atlantis, lancée le 11 mai 2009[2], installa des batteries neuves, remplaça tous les gyroscopes, et installa la caméra à large champ numéro 3 (WFC3) et le spectrographe des origines cosmiques (COS)[3].

Spitzer fut l'unique Grand Observatoire à ne pas être lancé par la navette spatiale. C'était bien le mode de lancement initialement prévu, mais l'accident de la navette spatiale Challenger amena l'interdiction des étages supérieurs de fusées de type Centaur LH2/LOX, nécessaires pour atteindre l'orbite héliocentrique. Les fusées Titan et Atlas étaient interdites pour des raisons de coût. Après une refonte de sa conception et son allègement, il fut finalement lancé par une fusée Delta II.

Projets[modifier | modifier le code]

Dans le prolongement de ce programme, la NASA a planifié les télescopes suivants :

Historique[modifier | modifier le code]

Le télescope optique Hubble[modifier | modifier le code]

L'histoire du Télescope spatial Hubble remonte à 1946, lorsque l'astronome Lyman Spitzer écrivit l'article Astronomical advantages of an extraterrestrial observatory[4]. Spitzer consacra une partie importante de sa carrière à la promotion d'un télescope spatial.

Les missions Orbiting Astronomical Observatory (OAO), de 1966 à 1972, démontrèrent l'importance du rôle que pouvaient jouer des observatoires basés dans l'espace. En 1968, la NASA développa la planification ferme pour d'un télescope réflecteur doté d'un miroir de 3  m de diamètre. Provisoirement dénommé Large Orbiting Telescope (Grand Télescope en Orbite) ou Large Space Telescope (LST, Grand Télescope Spatial), son lancement était escompté pour 1979[5]. En 1978, le Congrès américain approuva un budget définitif de 36 millions de dollars. La conception du LST put alors commencer sérieusement, avec l'objectif d'un lancement en 1983. Au début des années 1980, le télescope fut rebaptisé en l'honneur de l'astronome Edwin Hubble.

Le télescope gamma Compton[modifier | modifier le code]

Le rayonnement gamma avait été observé au-dessus de l'atmosphère par plusieurs missions spatiales. Pendant son High Energy Astronomy Observatory Program (en), en 1977, la NASA annonça des projets de construction d'un "grand observatoire" pour l'astronomie du rayonnement gamma. Le Gamma Ray Observatory (GRO), renommé Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO), fut conçu en sorte de mettre à profit des avancées majeures en matière de technologies des détecteurs des années 1980. près 14 années d'efforts, le CGRO fut lancé le 5 avril 1991[6].

Le télescope X Chandra[modifier | modifier le code]

En 1976, deux astrophysiciens américains, Riccardo Giacconi et Harvey Tananbaum (en), proposèrent à la NASA l'idée du télescope spatial Chandra (alors appelé AXAF), observant dans le domaine du rayonnement X. Les travaux préliminaires commencèrent l'année suivante au Centre de vol spatial Marshall (MSFC, pour Marshall Space Flight Center) et au Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO). Dans l'intervalle, la NASA mit en orbite le premier télescope X, l'Observatoire Einstein (HEAO-2). Les travaux sur le projet Chandra se poursuivirent dans les années 1980 et 1990. En 1992, pour réduire les coûts, la conception du vaisseau spatial fut revue. On supprima quatre panneaux de miroirs sur les douze prévus, ainsi que deux des six instruments scientifiques. L'orbite prévue pour Chandra fut modifiée au profit d'une orbite elliptique, atteignant un tiers de la distance Terre-Lune au point le plus éloigné. Cette décision éliminait toute possibilité d'amélioration ou de de réparation par la navette spatiale mais permettait de positionner l'observatoire au-delà de la ceinture de Van Allen sur la majeure partie de son orbite, la mettant ainsi à l'abri de ses radiations.

Le télescope infrarouge Spitzer[modifier | modifier le code]

Au début des années 1970, les astronomes commencèrent à considérer la possibilité de placer un télescope infrarouge au-dessus des effets assombrissant de l'atmosphère terrestre. La plupart des projets initiaux tablaient sur des vols répétés à bord de la navette spatiale de la NASA. Cette approche remonte à une époque où l'on présumait que la navette capable de permettre des vols hebdomadaires sur des périodes allant jusqu'à 30 jours. En 1979, un rapport du National Research Council (Conseil national de la Recherche) de l'Académie des sciences américaine intitulé A Strategy for Space Astronomy and Astrophysics for the 1980s (Stratégie pour l'astronomie et l'astrophysique des années 1980), identifiait un Shuttle Infrared Telescope Facility (SIRTF) comme "une des deux installations majeures [à développer] pour Spacelab," une plateforme embarquée sur la navette.

Le lancement d'Infrared Astronomical Satellite (IRAS), un satellite de la classe Explorer conçu pour mener le premier relevé infrarouge du ciel amena à anticiper d'un instrument utilisant la technologie nouvelle en matière de détecteurs infrarouges. Vers septembre 1983, la NASA examina la "possibilité d'un vol [autonome]] de longue durée de la mission SIRTF". Le vol Spacelab-2 à bord de STS-51-F en 1985 confirma que l'environnement de la navette ne convenait pas bien à un télescope infrarouge embarqué et qu'un vol autonome serait préférable. On modifia le premier mot dans le nom, et au lieu de Shuttle (navette) on l'appela le Space Infrared Telescope Facility, ce qui ne changeait pas l'acronyme[7],[8].

Origine des Grands Observatoires[modifier | modifier le code]

Le concept de Grand Observatoire remonte au rapport "A Strategy for Space Astronomy and Astrophysics for the 1980's" (Stratégie pour l'astronomie et l'astrophysique spatiales des années 1980). Ce rapport inventoriait le travail préparatoire essentiel pour les Grands Observatoires, sous la direction de Peter Meyer (jusqu'à juin 1977) puis Harlan J. Smith (jusqu'à publication). Au milieu des années 1980, il fut approfondi par les directeurs successifs de la Division Astrophysique au siège de la NASA, y compris Frank Martin et Charlie Pellerin. Le programme des "Grands Observatoires" de la NASA utilisait quatre satellites distincts, chacun conçu spécifiquement pour couvrir une partie différente du spectre de façon inaccessibles aux système fixés sur Terre. Cette perspective permettait à la proposition d'observatoires X et infrarouge d'être à juste titre considérée comme la continuation d'un programme astronomique commencé avec Hubble et CGRO plutôt que comme des concurrents ou des remplaçants[1],[9].

Objectifs[modifier | modifier le code]

Image composite de la Nébuleuse du Crabe par Chandra, Hubble, et Spitzer.

Chaque Observatoire était conçu en sorte de faire progresser l'état de l'Art (la technologie) dans le domaine de longueurs d'onde qui lui était dévolu. Comme l'atmosphère terrestre empêche les rayonnements X, gamma et infrarouge lointain d'atteindre la Terre, les missions spatiales étaient essentielles pour les Observatoires Compton, Chandra and Spitzer.

Hubble bénéficiait également du survol de l'atmosphère : elle fait scintiller les objets très faiblement lumineux, diminuant la résolution spatiale (les objets brillants, au contraire, bénéficient d'une résolution bien meilleure depuis la Terre grâce aux techniques d'interférométrie).

Les plus grands télescopes terrestres n'ont atteint que récemment la résolution de Hubble pour les longueurs d'ondes du proche-infrarouge des objets faiblement lumineux. Le fait d'être situé au-dessus de l'atmosphère permet de s'affranchir du problème de la Lumière du ciel nocturne, ce qui permet à Hubble de faire des observations d'objets ultra-faibles. Les observatoires terrestres ne disposent d'aucun moyen de compenser ce rougeoiement sur les objets ultra-faibles, alors que les objets aussi faibles exigent des temps de pose interminables et inefficaces. Hubble peut également observer dans les longueurs d'ondes ultraviolettes qui ne peuvent pas pénétrer l'atmosphère.

Compton observe dans le domaine gamma, qui ne peut pénétrer la basse atmosphère. Il était beaucoup plus grand que tous les instruments gamma embarqués dur les précédentes missions du programme HEAO, abordant des domaines d'exploration complètement nouveaux. Il disposait de quatre instruments couvrant le domaine d'énergie de 20 keV à 30 GeV, complémentaires les uns des autres du point de vue sensibilité, résolution et champ visuel. Les rayons gamma sont émis par différents sources de hautes énergies et à hautes températures telles que les trous noirs, les pulsars et les supernovae.

Chandra non plus n'avait pas eu de prédécesseur terrestre. Il prit la suite des trois satellites du programme HEAO, notamment l'Observatoire Einstein à la grande réussite, qui fut le premier à démontrer la puissance de l'incidence rasante, donnat une résolution spatiale d'un ordre de grandeur supérieur à celle des instruments collimatés (comparables aux optiques des télescopes), avec une amélioration considérable de la sensibilité. La grande taille de Chandra, son orbite élevée et la sensibilité de ses capteurs CCD ont permis l'observation de très faibles sources X.

Spitzer aussi observe à des longueurs d'onde largement inaccessible aux télescopes terrestres. Il avait été précédé dans l'espace par IRAS, une mission de petite taille de la NASA, et par celle beaucoup plus importante, le télescope ISO de l'ESA. L'instrumentation de Spitzer profita des avancées rapides en technologie des détecteurs infrarouges depuis IRAS, combinée avec la grande ouverture, les champs de visée favorables et une durée de vie longue. Les résultats scientifique ont été en conséquence remarquables. Les observations dans l'infrarouge sont nécessaires pour les objets astronomiques situés à très grandes distances, dont la lumière visible se décale vers le rouge jusqu'aux longueurs d'onde infrarouge, de même que pour les objets froids qui émettent peu de lumière visible, et pour les régions optiquement obscurcies par la poussière.

Impact[modifier | modifier le code]

Chacun des quatre télescopes a eu un impact substantiel en astronomie. L'ouverture à la haute résolution de nouvelles bandes de longueurs d'onde, les observations à haute sensibilité par Compton, Chandra et Spitzer ont révolutionné notre compréhension d'une grande variété d'objets astronomiques. Elles ont mené à la détection de milliers d'objets nouveaux et intéressants. Hubble a bénéficié d'un impact beaucoup plus important auprès du public et des médias que les autres télescopes. Pourtant, comparé trois aux autres appareils, les améliorations apportées en sensibilité et en résolution dans les longueurs d'onde optique par rapport aux installations préexistantes se classent à un niveau plus modeste. La capacité d'Hubble à produire des images uniformément de haute qualité de tout objet astronomique à tout moment a autorisé des relevés précis et des comparaisons de grand nombre d'objets astronomiques. Les observations du champ profond de Hubble furent très importantes pour l'étude des galaxies lointaines. Elles ont en effet produit des images à longue pose en ultraviolet avec la même précision en nombre de pixel pour les galaxies lointaines que les installations préexistantes pour les galaxies plus proches. Des comparaisons directes ont donc pu être effectuées. Le télescope spatial James Webb permettra un bond en avant encore supérieur, avec des images à long temps de pose dans le visible de galaxies encore plus lointaines.

Synergies[modifier | modifier le code]

En plus des capacités inhérentes aux missions (particulièrement les sensibilités, qui ne peuvent pas être répliquées par des observatoires terrestres), le programme des Grands Observatoires permet l'obtention de résultats scientifiques encore améliorés par interaction des missions. Des objets différents brillent à différentes longueurs d'onde, mais affecter deux observatoires ou plus à un même objet permet une compréhension approfondie.

Les études en rayonnements à hautes énergie (X et gamma) ne bénéficiaient jusqu'alors que d'une imagerie avec une résolution modérée. L'étude des rayons X et gamma par Hubble, de même que Chandra et Compton donne des dimensions et des données positionnelles précises. En particulier, la résolution d'Hubble peut souvent discerner si la cible est un objet isolé ou appartient à une galaxie, et si un objet brillant est un noyau, un bras ou le halo d'une galaxie spirale. De façon similaire, l'ouverture plus petite de Spitzer signifie que Hubble peut ajouter des informations spatiales à une image de Spitzer.

Les études dans l'ultraviolet révèlent également l'état temporel des objets à haute énergie. Les rayons X et gamma sont plus difficiles à détecter avec les technologies actuelles que le visible et l'ultraviolet. De ce fait, Compton et Chandra avaient besoin de temps d'intégration supérieurs pour collecter suffisamment de photons. Cependant, les objets qui brillent dans les rayons X et gamma peuvent être de petites dimensions et varier sur des échelles de temps de l'ordre de la minute ou de la seconde. De tels objets nécessitent alors un suivi avec Hubble ou bien le Rossi X-ray Timing Explorer, qui peut mesurer des détail en secondes ou en fractions de secondes d'angle, du fait de conceptions différentes. La dernière année pleine d'opération de Rossi fut 2011.

La capacité de Spitzer de voir à au travers de la poussière et des gaz épais favorise l'observation des noyaux des galaxies. Les objets massifs au cœur des galaxies brillent dans les gammes de rayonnement X, gamma et radio., mais les études infrarouges de ces régions nuageuses peuvent révéler le nombre et la position des objets.

Hubble, cependant, ne dispose ni du champ visuel, ni du temps disponible nécessaire à l'étude de tous les objets intéressants. Des objectifs de valeur sont souvent mis en évidence à l'aide de télescopes terrestres, moins chers, ou à l'aide d'observatoires spatiaux plus petits, parfois conçus spécialement pour la couverture de grandes portions du ciel. Également, les trois autres Grands Obesrvatoires ont trouvé de nouveaux objets ayant justifié d'y affecter Hubble.

Les études du système solaire et des astéroïdes constitue un exemple de synergie observationnelle. De petits corps, tels que petites lunes et les astéroïdes, sont trop petits et trop éloignés pour être résolus, même par Hubble ; leur image apparaît comme un motif de diffraction déterminée par leur brillance et non par leur taille. Cependant, Hubble peut déduire leur taille minimum en connaissant leur albedo. Spitzer peut detérminer leur taille maximum grâce à leur température, fonction en grande partie de leur orbite. Ainsi, la taille véritable d'un corps peut être encadrée. La spectroscopie par Spizer, de plus, peut déterminer la composition chimique à la surface de l'objet, limitant ses possibilités d'albedo, et renforce ainsi l'estimation de sa faible dimension.

A l'autre extrémité de l'échelle des distances cosmiques, des observations d'Hubble ont été combinées celles de Compton, Spitzer et Chandra dans le Great Observatories Origins Deep Survey. Elles ont permis la production d'une image multi-longueurs d'onde de la formation et évolution des galaxies dans l'univers primordial. les opérations ont été réalisées selon le calendrier suivant :

  • Fin 1991: opération combinées d'Hubble avec Compton ;
  • Fin 1999: opération combinées d'Hubble avec Compton, et Chandra ;
  • Mi-2000: opération combinées d'Hubble avec Chandra ;
  • Fin 2003-2008: opération combinées d'Hubble avec Chandra et Spitzer ;
  • après 2008: révision finale d'Hubble en 2009, suivie d'opérations au-delà de la durée de vie prévue des deux autres télescopes (Spitzer et Chandra).

Succession[modifier | modifier le code]

  • James Webb Space Telescope (JWST) : le télescope spatial James Webb, s'appelait initialement Next Generation Space Telescope (NGST, en français Télescope spatial de la Génération Suivante) est prévu en remplacement de Hubble (HST) vers 2018[10]. Son miroir déployable segmenté sera plus de deux fois plus grand. Cela procurera une augmentation notable de son pouvoir de résolution angulaire, et une augmentation spectaculaire de sa sensibilité. Contrairement à Hubble, JWST observera dans l'infrarouge de façon à pouvoir pénétrer à l'intérieur des nuages de poussière situés à des distances cosmiques. Ceci signifie qu'il prolongera certaines des capacité de Spitzer alors que certaines de celles d'Hubble seront perdues. De nouvelles avancées des télescopes terrestres permettront de les relayer dans le visible, mais beaucoup moins dans l'ultraviolet.
  • Le télescope gamma Fermi, initialement baptisé "Gamma Ray Large Area Space Telescope" (GLAST), découle de Compton et a été lancé le 11 jun 2008[11]. La définition de GLAST est plus étroite et réduite. Il porte essentiellement un seul instrument principal et une expérience secondaire. D'autres missions telles que HETE-2, lancé en 2000, et Swift, lancé en 2004 assure le complément de GLAST. RHESSI, le Ramaty High-Energy Solar Spectroscopic Imager (Imageur spectroscopique solaire à hautes énergies), lancé en 2002, observe dans certaines des longueurs d'onde de Chandra et de Compton, mais est pointé sur le Soleil en permanence. Il observe à l'occasion des objets très énergétiques qui se présentent dans le champ visuel aux alentours du Soleil.
  • INTEGRAL est un autre grand observatoire à haute énergie. Son nom complet est INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory (en français : observatoire d'astrophysique internationalde du rayonnement gamma). Il a été lancé en 2002. Il observe dans la même gamme que Compton. Mais il utilise un télescope fondamentalement différent du point de vue technologique : des masques à ouverture codée. Ainsi, ses capacités sont complémentaires de celles de Compton et de GLAST, et non un remplacement direct.
  • Spitzer n'a pas de successeur direct prévu. Cependant, le JWST dépassera ses performances dans l'infrarouge proche, et le télescope spatial Herschel de l'Agence spatiale européenne (ESA), opérationnel de 2009 à 2013, l'a dépassé dans l'infrarouge lointain. Le télescope aéroporté Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA) observe dans le proche infrarouge et dans l'infrarouge moyen. SOFIA bénéficie d'une ouverture plus grande que Spitzer, mais de sensibilités relatives inférieures et pendant des cycles de travaux restreints. Enfin, ces missions de plus petites tailles conduisent des missions spécialisées en observation infrarouges.
  • Constellation-X était conçue comme une mission d'observation extrêmement sensible aux rayons X. Elle devait débuter en 2016. Ce n'était pas un remplacement direct de Chandra qui est optimisée pour une résolution angulaire élevée. Constellation-X était plutôt une continuation de la mission XMM-Newton qui abandonna une partie de sa résolution au profit de la sensibilité accrue. Constellation-X était plusieurs douzaines de fois plus sensible que Chandra. Il devait également s'étendre plus loin dans le domaine des rayons X durs, l'une des capacité de Compton. Le programme Constellation X a été abandonnée, et regroupé avec les programmes concurrents de l'ESA et de la JAXA pour former le projet IXO, rebaptisé ATHENA.

Aucune de ces missions n'est prévue avec lancement par la navette spatiale ni avec un équipage humain. La plupart rejoindront des orbites hors de portée de la navette, ce qui autorise des modes d'observation nouveaux.

Programmes ultérieurs[modifier | modifier le code]

Galerie photo[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. a et b David P. Stern, « (S-6) Seeing the Sun in a New Light », From Stargazers to Starships (Approx : Des observatoires stellaires aux vaisseaux interstellaires), NASA Goddard Space Flight Center,‎ 12 décembre 2004 (consulté le 7 décembre 2007)
  2. « NASA Updates Space Shuttle Target Launch Dates (la NASA revoie les dates objectifs de lancement des navettes spatiales) », NASA (consulté le 22 mai 2008)
  3. Alan Boyle, « NASA gives green light to Hubble rescue (Feu vert de la NASA pour sauver Hubble) », MSNBC,‎ 31 octobre 2006 (consulté le 1er janvier 2007)
  4. Spitzer, L., REPORT TO PROJECT RAND: Astronomical Advantages of an Extra-Terrestrial Observatory (Avantages astronomiques d'un observatoire extraterrestre), reprinted in Astr. Quarterly, volume 7, p. 131, 1990.
  5. Spitzer, Lyman S (1979), "History of the Space Telescope", Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society (Histoire du Télescope spatial), v. 20, p. 29
  6. « Gamma-Ray Astronomy in the Compton Era: The Instruments », NASA/ GSFC (consulté le 7 décembre 2007)
  7. Susan Watanabe, « Studying the Universe in Infrared (L'étude de l'univers dans l'infrarouge) », NASA,‎ 22 novembre 2007 (consulté le 8 décembre 2007)
  8. Johnny Kwok, « Finding a Way: The Spitzer Space Telescope Story (A la recherche d'une voie : histoire du télescope spatiale Spitzer) », NASA,‎ automne 2006 (consulté le 9 décembbre 2007)
  9. (en) Nancy Grace Roman, « Exploring the Universe: Space-Based Astronomy and Astrophysics (Exploration de l'univers : l'astronomie et l'astrophysique depuis l'espace) » [PDF], NASA,‎ 2001 (consulté le 8 décembre 2007)
  10. « The James Webb Space Telescope », NASA,‎ 23 janvier 2013
  11. « NASA's Shuttle and Rocket Missions — Launch Schedule (Programme de lancement-Missions des fusées et navettes de la NASA.) », NASA,‎ 5 juin 2008
  12. « Great Observatories », NASA
  13. Mario H. Acuña, Keith W. Ogilvie, Robert A. Hoffman, Donald H. Fairfield, Steven A. Curtis, James L. Green, William H. Mish et l'équipe scientifique GGS, « The GGS Program », Goddard Space Flight Center,‎ 1er mai 1997 (consulté le 3 décembre 2007)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]