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Les missions spatiales

Cassini dans les tumultes de l'atmosphère de Saturne. Document T.Lombry.

Satellites et sondes spatiales, les fleurons de la technologie (I)

L'astronautique c'est avant tout une science appliquée, c'est-à-dire des technologies et des sciences au service des hommes avec des résultats concrets et pourquoi pas des découvertes. En matière d'astronomie, les missions spatiales nous ont permis d'étudier le ciel et d'explorer le système solaire comme jamais auparavant. La moisson de découvertes est inimaginable.

Cette technologie peut s'enorgueillir de centaines de fleurons parmi lesquels nous pouvons citer les satellites Meteosat, Cobe, Soho, Hipparcos, Spot ainsi que les sondes spatiales Viking, Pioneer, Voyager, Giotto, Cassini-Huygens, Kaguya, Clementine, New Horizons et bien d'autres.

Pour bien comprendre l'intérêt des télescopes spatiaux et des sondes spatiales, nous allons décrire deux observatoires orbitaux emblématiques qui intéressent de près les astronomes, le Télescope Spatial Hubble (HST) et le futur James Webb Space Telescope (JWST). Nous décrirons ensuite quelques missions spatiales qui ont marqué leur époque en nous révélant le visage réel de mondes jusqu'ici inconnus. Enfin, nous évoquerons les principales missions à venir.

Mais avant de commencer nous devons expliquer une notion fondamentale, la navigation spatiale, sans laquelle ces instruments seraient inutiles.

Comment s'oriente une sonde spatiale ?

Tout bon navigateur en charge d'un projet de mission spatiale nous dirait que la précision d'une navigation dépend de quatre facteurs :

1. Le système de mesure qui permet de déterminer la position et la vitesse d'un vaisseau spatial

2. L'endroit où la mesure est prise

3. La précision du modèle du système solaire

4. Les modèles des mouvements de la sonde spatiale.

Toutes les sondes et télescopes spatiaux sont suivis par un réseau d'antennes (DSN pour la NASA, Estrack pour l'ESA, VTsDKS en Russie, etc.) qui assure le transfert des données, l'envoi des commandes et réalise les mesures de navigation. Pour obtenir une précision maximale, il faut tenir compte de l'effet Doppler, c'est-à-dire du décalage de fréquence provoqué par la vitesse de la sonde entre le signal émit par l'antenne terrestre et le signal renvoyé par la sonde spatiale et comparer de manière continue ces signaux à très haute fréquence avec une horloge atomique et les corriger en conséquence. De la sorte, les ingénieurs de navigation peuvent calculer la vitesse instantanée d'une sonde spatiale avec une précision dans la ligne de visée qui atteint 0.05 mm/s et une distance de 3 mètres par rapport à l'antenne terrestre.

Parfois ces corrections ne sont pas suffisantes et il faut ajouter des facteurs correctifs, notamment lorsqu'on observe un retard de Shapiro lorsque la sonde est optiquement près du Soleil où le signal électromagnétique subit une déviation suite à un effet relativiste.

Enfin, en cas de perturbations électromagnétiques intenses, le signal d'un satellite orbital (par exemple le réseau GPS) peut accuser un retard de 78 ns maximum équivalent à une imprécision sur site d’environ 20 mètres.

Pour les sondes spatiales, les navigateurs au sol peuvent augmenter la précision lors de l'approche finale d'un astre en complétant leurs mesures télémétriques grâce aux caméras embarquées. Ainsi la caméra de Cassini offre une précision de mesure de 3 microradians soit 3 km à 1 million de kilomètres de Saturne.

Voyager 1 approchant de l'étoile AC+79.3888 située à environ 17 années-lumière dans la Girafe. Document T.Lombry.

La deuxième composante nécessaire pour une navigation spatiale précise est la définition du centre inertiel et l'utilisation d'un système de référence absolu. En effet, les calculs de la trajectoire d'une sonde spatiale exigent l'utilisation d'un système de coordonnée inertiel (système dit galiléen) soit global pour les satellites en orbite circumterrestre (cf. le système GPS) soit astronomique pour les sondes spatiales calibré sur le centre de masse ou barycentre[1] du système solaire. Dans le cas des sondes spatiales, ce système de référence est considéré comme absolu et permet de repérer le système solaire et en particulier les coordonnées des antennes de réception terrestre par rapport aux étoiles considérées comme fixes à l'arrière-plan.

 Concrètement, la sonde spatiale dispose d'accéléromètres (qu'on utilisait déjà sur les V1 et V2) stabilisés par des gyroscopes. Il y en a un sur chaque axe de coordonnée. La précision de ces calculs qu'on appelle des éphémérides est d'environ 0.5 km et la sonde spatiale peut connaître l'emplacement de l'antenne de réception avec une précision inférieure à 5 cm.

Pour le réseau de poursuite, les informations de position (télémétrie) de la sonde permettent aux ingénieurs de convertir ces mesures en éléments orbitaux afin de connaître la position de la sonde spatiale par rapport à cet environnement, c'est-à-dire dans le système de coordonnée inertiel centré sur le centre de masse.

La troisième composante pour la navigation interplanétaire est la précision du modèle planétaire. La gravité est la force la plus impportante agissant sur un vaisseau spatial. Les éphémérides doivent tenir compte des interactions gravitationnellles de la plupart des astres du système solaire (le Soleil et  de toutes les planètes) au cours du temps, et résoudre ce qu'on appelle le "problème à n corps". Grâce à des calculs très complexes, on peut par exemple connaître à l'avance la position de Saturne à une date précise avec une précision de quelques centaines de kilomètres. Lors de l'approche finale, la planète attirant fortement la sonde spatiale, leur positionnement doit être connu à quelques kilomètres près.

Enfin, la dernière composante prend tous ces éléments dynamiques qui sont entrés dans des modèles qui  tiennent compte des forces agissantes sur la sonde spatiale et de la dynamique orbitale pour estimer sa position exacte. En relevant régulièrement des mesures sur une période de temps, on peut calculer la vitesse et la position d'une sonde avec une précision spatiale inférieure à 1 kilomètre à la distance de Saturne. On peut ensuite évaluer si la sonde spatiale atteindra ou non son objectif sur base des prédictions des éphémérides.

A l'époque de Voyager 2, la précision "sur site" atteignit 30 km, la ponctualité de 10 minutes et l'orientation de son antenne fut précise à 0.05° près ! Pour une sonde spatiale qui se déplaçait à 50000 km/h (14 km/s) voire trois plus vite avec l'assistance gravitationnelle, c'est prodigieux.

Décrivons à présent les télescopes spatiaux.

Le Télescope Spatial Hubble (HST)

Sommet de l'art technologique, Hubble fut construit conjointement par la NASA et l’ESA. Nous devons ce télescope orbital à une idée géniale de l’astrophysicien américain Lyman Spitzer de l’Université de Princeton qui imagina à la fin des années 1950 de construire un télescope spatial capable de détrôner le télescope de 5 m du mont Palomar qui venait juste d’être mis en service en Californie. Son nom rend hommage au célèbre astronome qui sonda l’univers profond et démontra le mouvement d’expansion de l’univers, histoire que nous détaillerons dans un autre dossier.

A consulter : Astrophysical Missions (ESA)

A gauche, lancement du Télescope Spatial Hubble (HST) de 2.40 m à partir de la navette spatiale Discovery (mission STS-31) le 25 avril 1990. Il fut placé sur une orbite circulaire à 610 km d'altitude. A droite, aspect du HST en orbite durant la deuxième mission de maintenance en 1997. Documents NASA/HST/STSCI et NASA.

Prêt au début des années 1980, Hubble ne fut mis sur orbite que dix ans plus tard. C’est en fait le manque de responsabilité du Congrès américain, les erreurs de gestion de la NASA, le retard des négociations concernant les retombées européennes, le remplacement des lanceurs puis la catastrophe de Challenger en 1986 qui postposèrent le lancement de ce fameux observatoire.

Hubble est directement dérivé des satellites espions Keyhole dont le miroir primaire mesurait 2.3 m de diamètre et dont la résolution à 300 km d'altitude est voisine de 10 cm au sol.

Hubble fut placé sur orbite le 24 avril 1990 à 610 km d'altitude. Il consiste en un télescope Ritchey-Chrétien de 2.40 m de diamètre et d'un rapport focal de f/24. Rappelons que parmi les nombreuses conceptions optiques (télescope de Newton, Schmidt, etc), un télescope Ritchey-Chrétien présente l'une des meilleures corrections des aberrations optiques. Il se paye également au prix fort.

Son miroir primaire fut fabriqué à partir de titanosilicate ULE 7971 par Corning puis taillé et poli par Perkin-Elmer. Ce verre spécial à faible dilatation thermique présente des propriétés très proches du verre de silice ou de quartz et est 50 fois plus stable que le Pyrex.

Inspection du miroir en titanosilicate ULE 7971 de Corning destiné au Télescope Spatial Hubble par des ingénieurs de Perkin-Elmer en 1981. Document NASA/MSFC.

Hubble fut construit pour sonder les confins de l'univers jusqu'à 15 milliards d'années-lumière et observer les étoiles individuelles dans les autres galaxies. Bourré d'électronique et de senseurs, il permet d'observer l'univers dans une gamme de longueurs d'ondes inaccessibles du sol qui s'étendent de 110 à 1100 nm. Le gain en résolution est 5 fois supérieur aux meilleurs télescopes terrestress actuels et ses détecteurs permettent de sonder l'univers jusqu'à la magnitude +30 (entre 200 et 400 nm) lors des plus longues poses. Le champ photographique théorique est de 28', l'équivalent de la pleine Lune.

Cette masse de plus de 11.7 tonnes et de 13.2 m de longueur est capable malgré son inertie, de pointer une étoile de 14.5e magnitude avec une précision de 0.07". Sa puissance est de 5 kW et il débite ses informations à la vitesse de 1 MB/sec, aussi vite qu'une connexion ADSL. A l'époque, ces caractéristiques n'avaient jamais été égalées. Son prix non plus : en 20 ans d'utilisation Hubble a coûté 4 milliards de dollars ! C'est le prix à payer pour faire des découvertes scientifiques majeures...

Mais dès sa mise en orbite, le Hubble s'est révélé très déficient. Le jour de sa "première lumière", ce joyau brillait d'un éclat terne, les images étaient floues ou déformées. Les concepteurs n'en crurent par leurs yeux... Mais l'instrument étant à présent mis sur orbite, il n'était pas question de le ramener sur Tere; il fallait l'utiliser tel quel ou plutôt essayer de le réparer sur orbite. Dans le pire des cas, la NASA disposait d'un miroir backup.

On découvrit que le miroir primaire présentait un défaut de courbure; il était trop plat de 2 microns. Mais c'était suffisant pour rendre le télescope inutilisable. Ironiquement, Perkin-Elmer qui assura son polissage avait spécialement fait construire un outil d'analyse pour vérifier la courbure du miroir avec la plus haute précision. Mais il s'avéra que l'analyseur avait été mal réglé et donnait systématiquement des mesures fausses.

Les scientifiques décidèrent alors de remplacer plusieurs instruments. Fin 1993, un module optique fut mis en place pour corriger la "myopie" dont souffrait son miroir primaire mais sacrifia le photomètre. L’une des caméras fut également remplacée ainsi qu'un panneau solaire. Deux nouveaux spectrographes l'équipèrent en 1996, corrigés pour l'aberration de sphéricité et une nouvelle caméra planétaire à grand champ fut installée en 1999. Une quatrième visite de maintenance eut lieu en 2002.

Conçu au départ pour servir les astronomes durant une quinzaine d'années, suite à l'accident de la navette Columbia, la NASA décida que les maintenances d'Hubble ne seraient assurées qu'en cas d'extrême nécessité.

In extremis, fin 2006 la NASA décida de lui offrir une nouvelle caméra lors de la 5e mission de maintenance qui restait à planifier.

A voir : Hubble@NASA - Hubble site - The Hubble Heritage Project - STScI

Comparaison des images du champ stellaire de 30 Doradus dans le Grand Nuage de Magellan, à gauche photographié depuis le sol (résolution de 0.6"), au centre avant la maintenance du Télescope Spatial Hubble et à droite après remplacement de la caméra à grand champ WFC1 par la caméra WFC2. Document NASA/STScI.

Hubble est aujourd'hui équipé d'une caméra proche infrarouge maintenue à -180°C, d'un spectromètre (NICMOS), d'une caméra de qualité "supérieure" (ACS) qui remplaça la célèbre FOC, d'une deuxième caméra grand champ et d'observation planétaire (WFC3 remplaçant la WFPC2) ainsi qu'un système d'imagerie spectrographique (STIS). Plusieurs de ces instruments peuvent également servir de spectromètre. L'ensemble est complété par des détecteurs d'orientation à haute résolution (FGS) pouvant également être utilisés à des fins scientifiques.

Le télescope puise son alimentation électrique grâce à deux panneaux solaires dont les plaques photovoltaïques sont dérivées du système Comsat d'Iridium.

Hubble représente un défi pour les chercheurs. Les programmes de traitement d'images n'ont jamais été aussi performants et les ingénieurs, opticiens ou électroniciens ont imaginé des solutions dignes des prouesses de Jules Verne.

Malgré ses défauts, Hubble laisse déjà loin derrière lui les observatoires au sol. Sa résolution actuelle est voisine de 0.1" d'arc, soit trois à dix fois supérieure à celle des meilleurs télescopes terrestres. Ses images planétaires sont comparables à celles prises par les sondes spatiales. Il a déjà permis de distinguer des détails sur la surface de Pluton et de séparer son satellite Charon, résolu l'amas globulaire M15 en étoiles et séparé en étoiles distinctes des amas qui au sol ressemblaient à des nébulosités. Il a déjà obligé les astrophysiciens à réviser certains de leurs modèles.

Ainsi, observé en ultraviolet l'amas globulaire 47 Tucana a révélé des centaines d'étoiles bleues supergéantes que l'on ne pensait pas trouver dans de tels amas; le coeur de la radiosource NGC 1068 a été séparé en 4 ou 5 noyaux; la nébulosité diffuse entourant l’étoile Eta Carina a été résolue et confirme qu’il y a bien eu libération de matière, la nébuleuse M16 de l’Aigle a révélé de jeunes étoiles et des nuages protostellaires, autant de structures qui n'avaient jamais été observées jusqu'alors; selon toute vraisemblance un trou noir aurait été découvert dans le noyau de la galaxie active NGC 4261; enfin la caméra dédiée à l'observation des objets faiblement lumineux (FOC) a pu confirmer la présence d'hélium dans le jeune univers en analysant la lumière émise par des quasars très éloignés. Et les découvertes se succèdent.

A voir : L'histoire du HST en 10 chapitres

L'héritage de HUBBLE

A 1500 années-lumière du Soleil, au centre de la nébuleuse M16 du Serpent dans la constellation de l'Aigle, cachée derrière les "Piliers de la Création", une nurserie d'étoiles est en gestation.

Aux confins de l'espace et du temps, dans la constellation du Fourneau, à plus de 10 milliards d'années-lumière se trouvent près de 10000 galaxies de 30e magnitude...

Documents NASA/ESA/STScI/NOAO et NASA/ESA/STScI.

Equipé de détecteurs ultrasensibles et de plusieurs caméras, les nouvelles observations de Hubble effectuées à des longueurs d'ondes inaccessibles à ce jour tant aux stations basées au sol qu'en orbite, en particulier dans le rayonnement UV, permettront aux astronomes de préciser la composition des planètes et des objets du ciel profond. Les résultats déjà spectaculaires ouvriront certainement de nouveaux champs d'investigations qui aboutiront peut-être à quelques découvertes essentielles, ainsi que l'affirme l'ESA : "A la suite des observations de Hubble, il est évident que nous allons devoir revoir notre conception de l'univers".

Toutefois, en 2004, le président Bush jr jugea que le Télescope Spatial Hubble n'était plus rentable. La 5e mission de maintenance prévue pour l'année suivante fut annulée. Certains invoquèrent des raisons de sécurité suite aux accidents survenus à deux navettes spatiales, des raisons économiques mais également politiques. En fait les priorités du président Bush Jr et donc de la NASA étaient ailleurs dans le système solaire (la Lune, Mars, etc) et toute économie était la bienvenue.

Finalement, les scientifiques et la NASA eurent gain de cause et la 5e mission de maintenance eut lieu en mai 2009 (STS-125). Au cours d'une mission qui dura 11 jours, les astronautes remplacèrent trois gyroscopes (RSU), six batteries, un détecteur d'orientation à haute résolution (FGS) et l'alimentation du spectrographe, installèrent une nouvelle caméra CCD grand champ WFC3 (remplaçant la WFC2), un spectrographe (COS), une nouvelle protection externe, une nouvelle plate-forme de capture (SCM) et effectuèrent de menues réparations sur d'autres instruments.

A voir : Servicing Missions to Hubble (NASA)

A gauche, les astronautes Smith et Lee installant l'imageur spectrographique STIS dans le HST fixé dans la baie de la navette Discovery en février 1997 au cours de 2e mission de maintenance (mission STS-82). Au centre, la salle de contrôle de vol de la navette spatiale (WFCR) située dans les bâtiments du centre de contrôle de mission de Houston (MCC) au JSC de la NASA photographiée le 19 mai 2009, le jour où le HST fut remis sur orbite après sa 5e maintenance (mission STS-125). A droite, le HST fixé dans la baie de la navette d'Atlantis au cours de sa 5e maintenance le 13 mai 2009 (mission STS-125). Documents NASA/JSC et Hubble Site.

Au total, 16 astronautes se sont relayés dans l'espace pour assurer la maintenance d'Hubble au cours de 23 EVA distribuées sur 5 missions représentant 166 heures de travail, l'équivalent de plus d'un mois de travail à temp plein.

En 2014, Hubble s'est vu épaulé par le programme "Frontier Field" dans le but d'étudier le ciel profond en haute résolution du rayonnement infrarouge (grâce au télescope spatial Spitzer) au rayonnement X (grâce au satellite Chandra) en passant par la lumière blanche (grâce à Hubble).

"Field Frontier" a pour but de permettre aux astronomes d'étudier les amas de galaxies lointains grâce à l'effet d'amplification des lentilles gravitationnelles. Ce programme a déjà permis de découvrir quelques galaxies situées à plus de 13.4 milliards d'années-lumière (z > 11). On y reviendra.

Hubble sera finalement déclassé en 2019. S'il n'est pas récupéré, il devrait rentrer dans l'atmosphère avant 2028, tout dépendant de l'activité solaire et de son impact sur la haute atmosphère.

D'ici là, la NASA a lancé un projet plus ambitieux encore, le télescope JWST, en hommage à James E. Webb, deuxième administrateur de la NASA. Rappelons que ce projet fut initialement baptisé NGST, le "Next Generation Space Telescope".

Le James Webb Space Telescope (JWST)

Le JWST est un télescope optique équipé d'un miroir primaire segmenté de 6.5 m constitué de 18 segments hexagonaux en beryllium pour un poids total de 3.6 tonnes. Il est 2.5 fois plus grand et capte 6 fois plus de lumière que le HST pour un coût actualisé 30% supérieur (8.7 milliards de dollars pour le JWST contre 6 milliards de dollars pour le HST). Il sera capable d'enregistrer des galaxies situées à plus de 13.5 milliards d'années-lumière, présentant un décalage Doppler z entre 20 et 30, soit jusqu'à 200 millions d'années après le Big Bang.

A lire : NGST response (PDF de 768 KB, 1999)

Illustrations du futur James Webb Space Telescope (JWST) qui sera lancé en 2018. Documents JWST adaptés par l'auteur.

Le JWST a été construit par Northrop Grumman, une société bien connue pour ses "ailes volantes". La NASA est son principal partenaire avec une participation significative de l'ESA et de l'agence spatiale canadienne, le CSA.

Après avoir pris 7 ans de retard sur son planning initial, le JWST devrait être lancé en 2018 par l'ESA et placé sur le point L2 de l'orbite de Halo (derrière la Terre sur l'axe Soleil-Terre) pour une mission d'au moins 10 ans.

Le point L2 est situé à 1.5 millions de km de la Terre et sera rejoint par le télescope au terme d'un voyage de 3 mois. Etant hors de portée des ravitailleurs spatiaux, une fois sur son orbite il sera abandonné à lui-même, uniquement radiocommandé à partir des antennes du réseau STScI de Baltimore.

Le JWST travaillera essentiellement en infrarouge entre 0.6-32 µm ou microns de longueur d'onde, un domaine que les astrophysiciens ont beaucoup moins exploré que le spectre de la lumière blanche. Or nous savons aujourd'hui qu'il recèle beaucoup d'objets célestes excessivement massifs ou lumineux, notamment situés à plus de 12 milliards d'années-lumière.

Simulation du champ HUDF d'Hubble photographié avec la caméra WFC3/IR dans les trois couleurs de base (en haut) comparée à l'image qu'enregistrera le JWST (en bas). Document STScI.

Le JWST aura pour mission d'observer les protogalaxies, les amas de galaxies, l'environnement des trous noirs, les nuages dans lesquels naissent les étoiles et les supernovae notamment dans le but de préciser leur évolution ainsi que celle de l'Univers. Il sera capable de détecter directement des exoplanètes de la taille de Jupiter et de mesurer avec plus de précision les effets de la matière noire intra-amas sur les lentilles gravitationnelles.

Indirectement, grâce au pouvoir amplificateur des lentilles gravitationnelles, il devrait également pouvoir détecter des exoplanètes de la taille de la Terre à plus de 30000 années-lumière, mais ce ne sera pas sa tâche principale.

Avec un aussi vaste éventail d'activités, on comprend que le JWST représente le vaisseau amiral de l'astronomie infrarouge et sera utilisé par des milliers d'astronomes.

Pour parvenir à photographier et surtout résoudre ces objets célestes parfois excessivement pâles et petits (magnitude 30 et diamètre d'environ 1" d'arc), le JWST disposera d'une caméra au HdCdTe fonctionnant dans le proche infrarouge entre 0.6-5 microns, baptisée NIRCam, d'un spectrographe proche infrarouge baptisé NIRSpec, d'une deuxième caméra au silicium et d'un second spectrographe sensible entre 5-28.3 microns, MIRI. La technologie CCD sera celle de fin 2003.

Les détecteurs CCD visible et proche infrarouge présentent une résolution de 2048 x 2048 pixels et de 1024 x 1024 pixels dans l'infrarouge moyen. Plusieurs capteurs peuvent être combinés pour augmenter le champ photographique.

La résolution angulaire est d'environ 0.1" à 2 microns. Le télescope est protégé du rayonnement direct du Soleil ce qui permet de le refroidir jusque 45 K(-228°C). Les instruments proche-infrarouge sont refroidis jusque 30 K (-243°C) et les infrarouges moyens jusqu'à 7 K (-267°C).

Avec les télescopes Spitzer, SIM et le JWST, les astronomes disposent de trois fleurons technologiques avec lesquels ils espèrent observer les contrées les plus reculées de l'Univers à la recherche de nos origines y compris détecter les signatures d'une éventuelle vie extraterrestre (cf. le dossier consacré à la bioastronomie).

Prochain chapitre

L'exploration du système solaire

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[1] Si sur Terre la position d'un satellite ou d'un télescope spatial ne dépend que de sa localisation géographique (cf. le système GPS), une sonde spatiale doit également tenir compte de la position de la Terre dans l'espace, par rapport au centre de masse du système solaire, ce qu'on appelle le barycentre. Si dans le cas du système Terre-Soleil, le barycentre est presque au centre du Soleil, dans le cas du couple Jupiter-Soleil, étant donné que Jupiter est 318 fois plus massif que la Terre, le barycentre se trouve... au-delà de la surface du Soleil ! Ceci explique pourquoi vu à la verticale, la position du Soleil n'est pas fixe mais gravite autour de son centre de masse (cf. cette animation vue de haut et vue de face). C'est le même effet qui permet de savoir si une étoile est escortée ou non par une exoplanète car elle déplace le centre de masse.


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