Herschel (télescope spatial)

Pour les articles homonymes, voir Herschel.

Herschel

Vue d’artiste de Herschel

Click on the following link to visit or download this HTML page

Caractéristiques

Organisation	ESA
Domaine	Télescope spatial dans l’infrarouge moyen et lointain
Masse	3 300 kg
Lancement	le 14 mai 2009 à 13 h 38 min 17 s UTC-GMT
Lanceur	Ariane 5
Fin de mission	le 29 avril 2013
Orbite	Orbite héliocentrique
Localisation	Point de Lagrange L2

Click on the following link to visit or download this HTML page

Télescope

Type	Cassegrain
Diamètre	3,5 m
Superficie	9,6 m2
Focale	27 m

Click on the following link to visit or download this HTML page

Informations générales

Index NSSDC	2009-026A
Site	http://herschel.esac.esa.int/

Click on the following link to visit or download this HTML page

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 était de réaliser des observations astronomiques dans les domaines de l’infrarouge lointain et du submillimétrique (longueurs d'ondes 55 à 672 µm) pour étudier la formation des étoiles, la naissance des galaxies primitives et l'évolution des galaxies 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, qui a nécessité une longue phase de maturation technique, est la dernière des missions lourdes 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 une fusée Ariane 5 avec un autre observatoire spatial européen Planck et placé en orbite autour du point de Lagrange L2. Pour observer le rayonnement infrarouge lointain et submillimétrique, Herschel doit refroidir ses instruments avec de l'hélium superfluide. Trois ans et demi après le lancement l'hélium embarqué s'est entièrement évaporé mettant fin comme prévu aux opérations du satellite qui a été placé en juin 2013 sur une orbite de rebut. Herschel a entièrement rempli 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 € en incluant les coûts de lancement ainsi que les coûts opérationnels^[2].

Historique

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 couteûse) 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 sera placée en orbite autour du point de Lagrange L2 à la place de l'orbite terrestre basse. En 2000 FIRST est rebaptisé Herchel. L'astronome William Herschel, qui a notamment découvert le rayonnement infrarouge des objets célestes^[4]. Après avoir été mise en suspens en 2000, la réalisation du télescope est lancée en 2001^[5].

Un télescope de l'infrarouge lointain

Herschel est un télescope de l’infrarouge lointain et sera 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 fera le plus grand télescope en orbite jusqu’à l’arrivée du James Webb Space Telescope en 2018 (sauf imprévu) ^[4].

Successeur de l’observatoire ISO, déjà réalisé par Thales Alenia Space et qui a révolutionné l’astronomie infrarouge de 1995 à 1998, Herschel sera capable d’observer des régions de l’univers, froides et chargées de poussières, inaccessibles aux autres télescopes. Il étudiera 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 molécules organiques complexes dans la chevelure des comètes.

Le satellite

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

Il est développé sous maitrise d'œuvre de Thales Alenia Space-France^[7], dans l'établissement de Cannes, directeur de programme Jean-Michel Reix, avec une équipe industrielle comprenant une centaine d'entreprises réparties dans 15 pays européens^[8].

La plateforme : un développement commun pour Herschel et Planck

Un module de service (SVM) a été 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 dédié 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 a été 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 plateforme sont redondants.

Puissance électrique

Sur chaque satellite, la puissance est fournie par des générateurs solaires équipés de cellules photovoltaïques à triple jonction, d'une batterie, et d'un système de contrôle gérant la charge de la batterie 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

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 et un star tracker. Sur Herschel, l'attitude est estimée à partir des mesures du star tracker et d'un gyroscope très précis. Les couples de contrôle sont fournis par des roues à réaction.

Charge utile

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 SIC 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 a été fourni par l'institut Max-Planck pour la physique extraterrestre de Garching et Kayser-Threde, grâce à un financement du DLR (Allemagne). Les bolomètres ont été conçus et réalisés par le CEA-Léti puis testés et intégrés au CEA-Irfu ; les cryogénérateurs, développés par le CEA-Inac, abaisseront 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 a été 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'ondes de 157 à 625 microns, destiné à l'étude de la composition chimique, la cinématique et l'environnement physique des sources. Il a été fourni par le Netherlands Institute for Space Research (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 a permis de maintenir cette température cryogénique pendant les 3 ans et demi de la mission.

Lancement, orbite et durée

Les 5 points de Lagrange du système Terre-Soleil.

Le télescope spatial Herschel est arrivé le 12 février 2009 en Guyane, à bord d'un Antonov^[1], puis a rejoint la base spatiale de Kourou pour ses derniers préparatifs en vue d'un lancement prévu pour le 16 avril^[1].

Il a finalement été lancé (conjointement avec le satellite Planck) le 14 mai 2009 à 13 h 38 min 17 s UTC, 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 a accéléré 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 est placé suivant une trajectoire appelée orbite de Lissajous. Le satellite devrait y fonctionner pendant au moins 21 mois, la durée définitive étant essentiellement soumise aux fuites du système de refroidissement (2 300 litres d'hélium liquide superfluide)^[13].

Phase opérationnelle

Le 21 juillet 2009, 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, évènement 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

Du 4 au 7 mai 2010, environ 400 astronomes se sont réunis 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

En novembre 2010, l'équipe internationale conduite par Mattia Negrello (The Open University, GB) 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 a mis 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 nous et une autre galaxie plus lointaine et parfaitement alignée dévie la lumière de cette dernière et l'amplifie, comme le ferait une loupe. Les deux caméras, SPIRE et PACS, ont pu détecter ces lentilles gravitationnelles en scannant une infime partie de l'Univers, les résultats exploités par de puissants télescopes terrestre laissent découvrir deux galaxies parfaitement alignées dans chaque axe de visée à des distances différentes^[18].

Fin de mission

Le 29 avril 2013, 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 aura ainsi ouvert une nouvelle fenêtre sur l’Univers et fourni plus de 25 000 heures de données pour 600 programmes d’observation. Après une série de tests techniques, le satellite doit être placé sur une orbite de rebut autour du Soleil^[19].

Le 17 juin 2013, à 12h25 GMT, les contrôleurs de l'ESA ont envoyé la commande finale de désactivation d'Herschel, mettant un terme à sa mission qui a permis d'enregistrer plus de 25 000 heures de données riches d'informations sur la naissance des étoiles et la formation des galaxies^[20].

Le 3 juillet 2013, 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

Le 9 juin 2010, les programmes Herschel et Planck sont distingués par l'association aéronautique et astronautique de France, recevant le Grand Prix 2010^[23].

Galerie de photographies

• 

  André Brahic dans l'auditorium du Centre spatial de Cannes - Mandelieu, lors de la présentation des premiers résultats des missions Herschel & Planck, le 7 octobre 2009

• 

  Une partie de l'équipe Herschel Planck, de gauche à droite : Jean-Jacques Juillet, directeur des programmes scientifiques Thales Alenia Space ; Marc Sauvage, CEA, responsable de l'expérience PACS d'Herschel ; François Bouchet, IAP, responsable exploitation de Planck ; Jean-Michel Reix, directeur des programmes Herschel & Planck, Thales Alenia Space, lors des présentations des premiers résultats des missions Herschel & Planck

Notes et références

Annexes

Bibliographie

• (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, n^o 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, n^o 17, janvier 2010, [lire en ligne]

Articles connexes

• Agence spatiale européenne
• Planck (satellite)
• Centre spatial de Cannes - Mandelieu

Liens externes

• (fr) Le télescope spatial Herschel
• Herschel France (site commun du CNES, CEA et INSU)
• Herschel (site des missions CNES)
• (en) Herschel sur le site de l'ESA
• (en) Les opérations sur Herschel
• Le satellite Herschel Conférence donnée par Laurent Vigroux à l'IAP le 9 novembre 2010. 91 min, vidéo en ligne (production IAP / CERIMES)

• Portail de l’astronomie
• Portail de l’astronautique