Herschel (télescope spatial)

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Ne doit pas être confondu avec Télescope de Herschel ou Télescope William-Herschel.
Description de cette image, également commentée ci-après
Vue d’artiste du télescope Herschel.
Données générales
Organisation Drapeau de l’Union européenne ESA
Constructeur Alcatel Space (Cannes)
Programme Horizon 2000
Domaine Observation de l'Univers « froid » dans l'Infrarouge lointain
Type de mission Télescope spatial
Statut Mission terminée
Autres noms FIRST
Lancement à 13 h 12 TU
Lanceur Ariane 5
Fin de mission
Durée 42 mois (mission primaire)
Identifiant COSPAR 2009-026A
Site http://herschel.esac.esa.int/
Caractéristiques techniques
Masse au lancement 3 402 kg
Contrôle d'attitude Stabilisé sur 3 axes
Puissance électrique 1 450 watts
Orbite
Orbite Orbite héliocentrique
Localisation Point de Lagrange L2
Télescope
Type Cassegrain
Diamètre 3,5 m
Superficie 9,6 m2
Focale 27 m
Principaux instruments
HIFI Instrument hétérodyne pour l’infrarouge lointain
PACS Spectromètre et caméra à réseau de photodétecteurs
SPIRE Imageur photométrique et spectral

Herschel est un télescope spatial infrarouge développé par l'Agence spatiale européenne (ESA) opérationnel entre 2009 et 2013. Son objectif scientifique est de réaliser des observations astronomiques dans les domaines de l'infrarouge lointain et submillimétrique (longueurs d'onde 55 à 672 µm) pour étudier la naissance des étoiles, la formation et l'évolution des galaxies primitives ainsi que la chimie du milieu spatial.

Avec son miroir primaire de 3,5 mètres de diamètre, Herschel est à son lancement le plus grand des télescopes spatiaux à entrer en service[1]. Il est équipé de trois détecteurs spécialisés PACS, SPIRE et HIFI fonctionnant à des températures très basses. Herschel, nécessite une longue phase de maturation technique, est la dernière des missions larges du programme scientifique à long terme Horizon 2000, élaboré par l'agence spatiale dans les années 1980, à être lancée. Herschel succède, pour l'observation dans l'infrarouge au télescope européen ISO (1995-1998), à l'américain Spitzer (2003-) et au japonais ASTRO-F (2006-2011).

Herschel est lancé en 2009 par un lanceur Ariane 5, avec un autre observatoire spatial européen Planck, et placé en orbite héliocentrique autour du point de Lagrange L2 du système Soleil-Terre. Pour observer le rayonnement infrarouge lointain et submillimétrique, Herschel doit refroidir ses instruments avec de l'hélium liquide. Trois ans et demi après le lancement, l'hélium embarqué s'est entièrement évaporé, mettant fin comme prévu aux opérations du satellite, qui est en juin 2013 sur une orbite de rebut. Herschel remplit entièrement ses objectifs, en amassant 22 000 heures d'observation dont l'exploitation débute tout juste, alors que la mission s'achève.

Le coût de la mission est évalué en 2010 à 1,1 milliard d'euros en incluant les coûts de lancement ainsi que les coûts opérationnels[2].

Historique[modifier | modifier le code]

En 1982, Herschel est proposé sous l’appellation FIRST (Far InfraRed and Sub-millimeter Telescope) à l'Agence spatiale européenne. Celle-ci élabore en 1984, pour la première fois, un programme scientifique à long terme baptisé Horizon 2000. L'agence, s'appuyant sur l'expertise de la communauté scientifique, identifie le développement d'une mission de spectroscopie hétérodyne comme l'une des quatre « pierres angulaires » (classe de mission la plus coûteuse) du programme. En 1986, FIRST est sélectionné pour ce rôle[3]. Le projet rentre alors dans une longue période de maturation technique, qui s'achève avec une étude industrielle en 1992-1993. Prenant en compte l'expérience gagnée avec son télescope infrarouge ISO, opérationnel entre 1995 et 1998, la conception de la mission est partiellement modifiée : l'agence spatiale décide que Herschel est placé en orbite autour du point de Lagrange L2, plutôt que l'orbite terrestre basse. En 2000, FIRST est baptisé Herschel, d'après l'astronome William Herschel, qui a notamment découvert le rayonnement infrarouge des objets célestes[4]. Après la mise en suspens en 2000, la réalisation du télescope est lancée en 2001[5].

Un télescope de l'infrarouge lointain[modifier | modifier le code]

Herschel est un télescope de l’infrarouge lointain et est le premier à observer l'Univers jusque dans les rayonnements submillimétriques[6]. Il est doté d'un miroir primaire de 3,5 m de diamètre (contre seulement 2,4 m pour le télescope spatial Hubble), ce qui en fait le plus grand télescope en orbite, jusqu’à l’arrivée du télescope spatial James-Webb en 2021 (sauf imprévu) [4].

Successeur de l'observatoire ISO, déjà réalisé par Aérospatiale et qui révolutionne l'astronomie infrarouge de 1995 à 1998, Herschel peut observer des régions de l'Univers, froides et chargées de poussières, inaccessibles aux autres télescopes. Il doit étudier en priorité la genèse des galaxies et l'évolution des étoiles en formation, ainsi que les nuages de gaz et de poussières où naissent les étoiles, les disques protoplanétaires et les composés organiques complexes dans la chevelure des comètes.

Le satellite[modifier | modifier le code]

Maquette de Herschel, au musée de l'Air et de l'Espace.

Il est développé sous la maîtrise d'œuvre de Alcatel Space[7], dans son usine de Cannes, le directeur de programme Jean-Michel Reix, avec une équipe industrielle comprenant une centaine d'entreprises réparties dans 15 pays européens[8].

La plate-forme : un développement commun pour Herschel et Planck[modifier | modifier le code]

Un module de service (SVM) est conçu et fabriqué par Thales Alenia Space dans son usine de Turin, pour les deux satellites Herschel et Planck combinés dans un programme unique[9].

Les structures des deux modules de service sont très semblables, de forme octogonale. Chaque panneau est destiné à des équipements thermiques, des réchauffeurs, prenant en compte les dissipations thermiques des expériences et des équipements du satellite voisin.

De plus, une conception commune est retenue pour l'avionique des deux satellites, le système de mesure et de contrôle d'attitude, le système de contrôle et de gestion des données, le sous-système de télémesure et télécommande.

Tous les équipements de la plate-forme sont redondants.

Puissance électrique[modifier | modifier le code]

Sur chaque satellite, la puissance est fournie par des générateurs solaires équipés de cellules photovoltaïques à triple jonction, d'un accumulateur, et d'un système de contrôle gérant la charge de l'accumulateur et distribuant une tension régulée de 28 volts aux divers équipements.

Sur Herschel, le panneau de cellules solaires est fixé en bas du pare-soleil dont la fonction principale est de mettre le cryostat à l'ombre du soleil. Sa partie supérieure est couverte de miroirs en silice pure (OSR, Optical Solar Relector) réfléchissant 98 % de l'énergie solaire, évitant donc une entrée d'énergie dans cette zone contenant le cryostat.

Ce générateur solaire est constamment dirigé vers le Soleil, grâce au système de contrôle d'attitude à trois axes.

Système de mesure et de contrôle d'attitude[modifier | modifier le code]

Le contrôle d'attitude est effectué par un calculateur prenant en compte les mesures des senseurs d'attitude et commandant les couples de contrôle pour répondre aux spécifications de pointage et de basculement des charges utiles du Herschel et du Planck.

Le satellite Herschel est stabilisé selon trois axes, respectant une spécification de pointage de 3,7 secondes d'arc. Le senseur d'attitude principal pour les deux satellites est un capteur stellaire. Sur Herschel, l'attitude est estimée à partir des mesures du capteur stellaire et d'un gyroscope très précis. Les couples de contrôle sont fournis par des roues de réaction.

Charge utile[modifier | modifier le code]

La charge utile réalisée par EADS Astrium Satellites (Allemagne) repose sur un télescope Ritchey-Chrétien avec un miroir primaire de 3,5 m de diamètre réalisé en carbure de silicium par Boostec à Bazet, France, près de Tarbes. C'est le plus grand miroir construit pour l'astronomie spatiale[1].

Elle comprend trois instruments scientifiques :

PACS (Photodetector Array Camera & Spectrometer)

C'est une caméra à bolomètre et un spectromètre de moyenne résolution à photoconducteurs fonctionnant sur les longueurs d'onde de 55 à 210 microns. Le spectromètre permet l'analyse de la signature spectrale du carbone et de l'oxygène. Il est fourni par l'Institut Max-Planck de physique extraterrestre de Garching bei München et Kayser-Threde, grâce à un financement de l'Agence spatiale allemande (DLR). Les bolomètres sont conçus et réalisés par le Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (CEA-Leti) puis testés et intégrés à l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (CEA-Irfu) ; les cryogénérateurs, développés par le CEA-Inac, abaissent leur température de 2 K à 0,3 K[1].

SPIRE (Spectral & Photometric Imaging Receiver)

C'est une caméra et un spectromètre de moyenne résolution fonctionnant sur les longueurs d'onde de 200 à 670 microns. Il possède cinq bolomètres pour mesurer trois couleurs et la plus grande longueur d'onde d'une source. Il est fourni par l'université de Cardiff au Pays de Galles, avec la France en co-investisseur. Spire est refroidi par les cryogénérateurs.

HIFI (Heterodyne Instrument for the Far-Infrared)

C'est un spectromètre hétérodyne à très haute résolution, fonctionnant sur les longueurs d'onde de 157 à 625 microns, destiné à l'étude de la composition chimique, la cinématique et l'environnement physique des sources. Il est fourni par le Institut néerlandais de recherche spatiale (SRON), avec des participations de la France, de l'Allemagne et des États-Unis.

Le très grand froid

Le satellite réutilise la technique embarque un imposant cryostat à hélium liquide (2 400 litres) qui enserre le plan focal du télescope et les parties sensibles des trois instruments à l'intérieur d'un espace froid à 4 kelvins. La lente ébullition contrôlée de l’hélium liquide embarqué permet de maintenir cette température cryogénique pendant les 3 ans et demi de la mission.

Lancement, orbite et durée[modifier | modifier le code]

Les 5 points de Lagrange du système Terre-Soleil.

Le télescope spatial Herschel arrive le 12 février 2009 en Guyane, à bord d'un Antonov[1], puis rejoint le centre spatial guyanais de Kourou pour ses derniers préparatifs en vue d'un lancement prévu pour le 16 avril[1].

Il est finalement lancé (conjointement avec le satellite Planck) le à 13 h 12 min TU, depuis Kourou, par un lanceur Ariane 5-ECA, le vol 188, sur une orbite très elliptique de 270 km de périgée et 1 193 622 km d'apogée le menant aux alentours du second point de Lagrange du système Terre-Soleil (dénommé L2)[10],[11],[12],[13]. Le 15 mai, une première correction importante de trajectoire accélère Herschel de 8,7 m/s par allumage de ses propulseurs à hydrazine pendant 22 min[8].

Le 14 juin, le couvercle du cryostat est ouvert. Le télescope prend sa première image de la galaxie M51 apparaissant avec une netteté inégalée ce qui laisse présager des futures images que Herschel doit prendre[14]. Vers le 15 juillet, au voisinage du point L2, il se place suivant une trajectoire appelée orbite de Lissajous. Le satellite doit y fonctionner pendant au moins 42 mois, la durée définitive étant essentiellement soumise aux fuites du système de refroidissement, (2 300 litres d'hélium liquide superfluide)[13].

Phase opérationnelle[modifier | modifier le code]

Le , la phase de test en orbite se termine avec succès. Le satellite entre en phase opérationnelle. La responsabilité est transférée de Thomas Passvogel, responsable du programme, à Johannes Riedinger, responsable de mission[13].

Le 3 août 2009, quelque chose fonctionne mal, et les ingénieurs de l'ESA prennent la décision d'arrêter l'instrument HIFI pour trouver une solution ; au bout de 160 jours de travail, la panne est identifiée (un composant d'alimentation de la voie principale peut-être frappé par un rayon cosmique, événement appelé Single event upset (en)) et, utilisant la voie de secours, l'instrument est à nouveau opérationnel le 19 janvier 2010, juste à temps pour observer l'un de ses objectifs principaux, la nébuleuse d'Orion, fin janvier 2010[15].

Résultats[modifier | modifier le code]

Du 4 au 7 mai 2010, environ 400 astronomes se réunissent à l'Agence spatiale européenne, à l'ESTEC aux Pays-Bas, pour lever l'embargo et dévoiler les résultats de la mission Herschel après un an d'opérations à 1,5 million de kilomètres[16],[17].

Découverte de nouvelles galaxies[modifier | modifier le code]

En novembre 2010, l'équipe internationale conduite par Mattia Negrello (The Open University, Royaume-Uni) et impliquant 89 autres astronomes, parmi lesquels 7 travaillant dans trois laboratoires français soutenus par le CNES, permet de révéler l'existence de cinq galaxies dont la lumière met environ 10 milliards d'années pour parvenir à la Terre.

Pour cela, les chercheurs utilisent un phénomène déjà décrit par Albert Einstein : « la lentille gravitationnelle ». Une galaxie se trouvant entre la Terre et une autre galaxie plus lointaine et parfaitement alignée dévie la lumière de cette dernière et l'amplifie, comme le fait une loupe. Les deux caméras, SPIRE et PACS, peuvent détecter ces lentilles gravitationnelles en scannant une infime partie de l'Univers, les résultats exploités par de puissants télescopes terrestres laissent découvrir deux galaxies parfaitement alignées dans chaque axe de visée à des distances différentes[18].

Fin de mission[modifier | modifier le code]

Le , le télescope spatial Herschel termine sa mission, la réserve d'hélium servant au refroidissement des instruments arrivant à épuisement après près de quatre années de bon fonctionnement. Initialement prévu pour fonctionner trois ans et demi, Herschel a ainsi ouvert une nouvelle fenêtre sur l’Univers et fournit plus de 25 000 heures de données pour 600 programmes d’observation. Après une série de tests techniques, le satellite est placé sur une orbite de rebut autour du Soleil[19].

Le , à 12 h 25 TU, les contrôleurs de l'ESA envoient la commande finale de désactivation de Herschel, mettant un terme à sa mission qui permet d'enregistrer plus de 25 000 heures de données riches d'informations sur la naissance des étoiles et la formation des galaxies[20].

Le , le télescope Faulkes Nord de 2 m de diamètre, de l'Observatoire Remanzacco à Hawaï arrive à prendre une dernière image du satellite avant qu'il ne disparaisse derrière le soleil[21],[22].

Distinctions[modifier | modifier le code]

Le , les programmes Herschel et Planck sont distingués par l'association aéronautique et astronautique de France, recevant le Grand Prix 2010[23].

Galerie de photographies[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a b c d et e Revue Les Défis du CEA no 139
  2. « Herschel: Fact Sheet », ESA.int, ESA Media Relations Office,
  3. The First Mission: Baseline, Science Objectives and Operations, Authors: Pilbratt, G. Journal: The Far Infrared and Submillimetre Universe. 1997., p. 7
  4. a et b David Fossé, « Planck et Herschel : deux satellites en quête des origines », dans Ciel & Espace, no 467, avril 2009
  5. Herschel Space Observatory? An ESA facility for far-infrared and submillimetre astronomy, G.L. Pilbratt, J.R. Riedinger, T. Passvoge, G. Crone, D. Doyle, U. Gageur, A.M. Heras, C. Jewell, L. Metcalfe, S. Ott, and M. Schmidt
  6. Jean-Pierre Largillet, « Thales Alenia Space : prêt pour la prodigieuse aventure spatiale de Planck et Herschel ! », dans WebTimeMedia, 19 février 2009, en ligne sur www.webtimemedias.com
  7. Christian Lardier, Anne Musquère, « Herschel et Planck à la conquête de l'Univers froid », dans Air & Cosmos, no 2171, 8 mai 2009
  8. a et b Jean-Pierre Casamayou, « Les satellites Herschel et Planck foncent vers L2 », dans Air & Cosmos, no 2173, 22 mai 2009
  9. Jean-Jacques Dechezelles (AAAF), « Les missions scientifiques Herschel et Planck - conférence de Bernard Collaudin et Thierry Banos (Thales Alenia Space) », dans La Lettre AAAF, no 9, octobre 2006, (ISSN 1767-0675), [lire en ligne]
  10. Bruno Rougier, « Mission réussie pour Ariane-5 et ses précieux passagers », sur France Info, 14 mai 2009, en ligne sur www.france-info.com
  11. Jean Etienne, « En bref et en vidéo : lancement réussi de Herschel et Planck - Le lanceur européen Ariane 5 ECA a parfaitement décollé ce jeudi 14 mai 2009 à 13 h 12 TU depuis la base européenne de Kourou, emmenant sous sa coiffe les deux télescopes spatiaux Herschel et Planck », dans Futura-Sciences, 14 mai 2009, en ligne sur www.futura-sciences.com
  12. [vidéo] Lancement sur videocorner.tv
  13. a b et c (en)« Dernières nouvelles d'Herschel », en ligne sur Herschel Latest News
  14. « Première image de Herschel ! », communiqué de presse Thales Alenia Space, 22 juin 2009, en ligne dans www.thalesgroup.com
  15. ESA, « Herschel readies itself for the Orion Nebula » (consulté le 19 janvier 2010)
  16. Spécial premiers résultats d'Herschel
  17. Présentation des résultats sur Dailymotion
  18. Charlotte Portalis, « Herschel détecte cinq nouvelles galaxies lointaines », dans L'internaute Sciences, no 153, 9 novembre 2010, Herschel détecte cinq nouvelles galaxies lointaines
  19. « Herschel n'observera plus l'Univers », ESA,
  20. « Herschel: Le plus grand télescope jamais envoyé dans l'espace désactivé », dans 20minutes.fr, 17 juin 2013, Herschel: Le plus grand télescope jamais envoyé dans l'espace désactivé
  21. Dernière image d'Herschel
  22. Herschel est sorti du champ de vision terrestre
  23. Herschel and Planck win the French Grand Prix

Annexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (fr) Jean-Jacques Dechezelles (Sénior AAAF), « Les missions scientifiques Herschel et Planck - conférence de Bernard Collaudin et Thierry Banos (Thales Alenia Space) », dans La Lettre AAAF, no 9, octobre 2006, (ISSN 1767-0675), [lire en ligne].
  • (fr) Vincent Minier (astrophysicien CEA), « Herschel, lumières sur les mondes enfouis de l'Univers », dans Reflets de la physique de la Société Française de Physique, no 17, janvier 2010, [lire en ligne].

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

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