Télescope spatial

Le télescope spatial Hubble en orbite autour de la Terre.

Un télescope spatial est un télescope placé au-delà de l'atmosphère. Le télescope spatial présente l'avantage par rapport à son homologue terrestre de ne pas être perturbé par l'atmosphère terrestre. Celle-ci déforme le rayonnement lumineux dans le visible.

Les progrès de l'astronautique ont permis à compter des années 1960 d'envoyer dans l'espace des télescopes spatiaux de différents types dont le plus connu est le télescope spatial Hubble. Ces instruments jouent désormais un rôle important dans la collecte d'information sur les étoiles, les galaxies, les planètes éloignées et les autres objets célestes.

Caractéristiques d'un télescope spatial

Spitzer, Hubble et XMM et leurs principaux composants

Un télescope spatial est un télescope installé dans l'espace pour observer les planètes éloignées, les galaxies et d'autres objets célestes.

On peut ranger les télescopes spatiaux en deux grandes catégories :

– les télescopes qui observent l'ensemble de la voute céleste ;

– les télescopes qui font des observations sur des fractions choisies du ciel.

Orbite

Dans l'idéal le satellite d'observation astronomique est placé sur une orbite la plus éloignée possible des perturbations lumineuses ou électromagnétiques. La Terre et la Lune peuvent être une grande source de perturbation. Pour y échapper certains satellites astronomiques sont placés sur des orbites qui les maintiennent éloignés en permanence loin de ces deux astres : point de Lagrange L2 de l'ensemble Terre-Soleil (par exemple Planck, Herschel), orbite héliocentrique dans le sillage de la Terre avec quelques semaines de décalage (par exemple Kepler). Par le passé les satellites en orbite basse ont toutefois été largement majoritaires. Certains satellites astronomiques sont sur des orbites terrestres à forte excentricité (Integral, Granat, XMM-Newton) pour permettre des observations à l'extérieur des ceintures de Van Allen (les particules à l'intérieur des ceintures perturbent les mesures) et disposer de longues durées d'observation ininterrompues (une périodicité longue limite le nombre d'interruptions liés au passage derrière la Terre).

Instrumentation

Résolution

La résolution des télescopes dans le visible est aujourd'hui meilleure que celle des télescopes terrestres : elle est seulement limitée par la charge utile des lanceurs existants et le coût de construction d'un gros télescope spatial. La réalisation du lanceur lourd Ares V pourrait permettre le lancement d'un télescope spatial doté d'un miroir de 8 à 17 mètres (projet Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope).

Durée de vie

Le satellite d'observation astronomique comme les autres satellites doit se maintenir sur une orbite et être pointé vers l'objet observé pour accomplir sa mission ce qui nécessite de disposer d'ergols. La durée de vie est donc conditionnée par la quantité d'ergols emportée, car les opérations de maintenance d'un satellite, comme celles réalisées pour le télescope Hubble, sont trop coûteuses pour être envisagées dans un cas normal. Certains satellites d'observation astronomique, comme les télescopes infrarouge, utilisent des capteurs qui nécessitent un liquide de refroidissement (hélium liquide). Celui-ci s'épuise progressivement ce qui limite la durée durant laquelle le satellite peut réaliser ses meilleures mesures.

Avantages du télescope spatial

Les longueurs d'onde absorbées par l'atmosphère en % filtré (de 0 à 100 %)

Plusieurs phénomènes constituent des freins à l'observation astronomique depuis le sol : la turbulence naturelle de l'air, qui perturbe le cheminement des photons et réduit la qualité de l'image, limite la résolution aux environs d'une seconde d'arc même si certains télescopes terrestres (tel que le Very Large Telescope) peuvent contrebalancer les turbulences grâce à leur optique adaptative. Dans le domaine du rayonnement visible, un télescope spatial peut observer un objet cent fois moins lumineux que ce qui peut être techniquement observable depuis le sol. En outre, une grande partie du spectre électromagnétique est complètement (Gamma, X, etc.) ou partiellement (infrarouge et ultraviolet) absorbée par l'atmosphère et ne peut donc être observée que depuis l'espace. L'observation lumineuse depuis le sol est également de plus en plus handicapée par la pollution lumineuse due aux nombreuses sources de lumière artificielles^[1].

Seuls le rayonnement visible et les fréquences radios ne sont pas atténués par l’atmosphère terrestre. L'astronomie spatiale joue un rôle essentiel pour les autres longueurs d'onde. Elle a pris aujourd'hui une grande importance grâce à des télescopes comme Chandra ou XMM-Nexton.

Historique

Les principaux télescopes spatiaux et la partie du spectre électromagnétique qu'ils observent. Inspiré du schéma figurant ici : http://www.spitzer.caltech.edu/Media/mediaimages/background.shtml

Aux États-Unis, la création d’un télescope spatial est évoquée pour la première fois en 1946 par Lyman Spitzer, un professeur et chercheur de l’université Yale, qui démontre dans son article intitulé « Les avantages d’un observatoire extra-terrestre dans le domaine de l’astronomie » qu’un télescope placé dans l’espace offre un grand nombre d’avantages car explique-t-il l’atmosphère terrestre filtre et déforme la lumière venue des étoiles. Même le télescope le plus perfectionné ne peut pas échapper à ce phénomène alors qu’un télescope situé en orbite le peut. Par ailleurs l’atmosphère bloque une grande partie du spectre électromagnétique comme le rayonnement X émis par des phénomènes de haute température dans les étoiles et dans d’autres objets si bien que celui-ci ne peut pas être détecté. Un télescope spatial pourrait permettre aux scientifiques de mesurer également ce type d’émission^[2].

Les premiers observatoires astronomiques n'étaient que des projectiles lancés par une fusée-sonde pour sortir brièvement de l'atmosphère ; aujourd'hui, les télescopes sont mis en orbite pour des périodes qui peuvent aller de quelques semaines (missions embarquées sur la navette spatiale américaine) à quelques années. Un grand nombre d’observatoires spatiaux ont été mis en orbite et la plupart d’entre eux ont amélioré de manière importante nos connaissances cosmologiques. Certains de ces observatoires ont achevé leurs missions, tandis que d'autres sont toujours en opération. Les télescopes spatiaux sont lancés et maintenus par les agences spatiales : la NASA, l'Agence Spatiale Européenne, l'agence spatiale japonaise et Roskosmos pour la Russie.

Satellites astronomiques

On peut classer les satellites astronomiques spatiaux en fonction des longueurs d'ondes qu'ils observent : rayonnement gamma, rayonnement X, ultraviolet, lumière visible, infra rouge, radio millimétrique et radio. Le terme de télescope est généralement réservé aux instruments qui utilisent une optique ce qui n'est pas le cas des satellites astronomiques observant le rayonnement Gamma, X et radio. Certains satellites peuvent observer plusieurs plages (ils apparaissent plusieurs fois dans le tableau ci-dessous). On intègre dans la catégorie des satellites astronomiques les instruments qui étudient les noyaux et/ou les électrons du rayonnement cosmique ainsi que ceux qui détectent les ondes gravitationnelles.

Observatoire de rayonnement gamma

Les télescopes gamma collectent et mesurent le rayonnement gamma à haute énergie émis par les sources célestes. Ce rayonnement est absorbé par l'atmosphère et doit être observé depuis des ballons à haute altitude ou depuis l'espace. Le rayonnement gamma peut être généré par les supernovae, les étoiles à neutrons, les pulsars et les trous noirs. Les éruptions gamma, qui dégagent des énergies élevées, ont été également détectées sans qu'on en identifie la provenance^[3].

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  Le Compton Gamma Ray Observatory

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  Schéma du Fermi Gamma-ray Space Telescope

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  Le télescope Granat

Observatoire spatial de rayonnement X

Les télescopes à rayons X mesurent le rayonnement X émis par les photons à haute énergie. Ceux-ci ne peuvent pas traverser l'atmosphère et doivent donc être observés soit depuis la haute atmosphère soit depuis l'espace. Plusieurs types d'objets célestes émettent des rayons X depuis les amas de galaxie en passant par les trous noirs ou les noyaux galactiques actifs jusqu'aux objets galactiques tels que les restes de supernovas ou les étoiles et les étoiles doubles comportant une naine blanche,... Certains corps du système solaire émettent des rayons X, le plus notable étant la Lune, bien que la majorité du rayonnement X de la Lune provienne de la réflexion de rayons X du Soleil. On considère que la combinaison de nombreuses sources de rayonnement X non identifiées est à l'origine du rayonnement X de fond

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  Le Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics

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  Beppo-SAX (vue d'artiste)

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  The Einstein Observatory (HEAO 2)

Télescope ultraviolet

Les télescopes ultraviolet effectuent leurs observations dans la gamme des ondes ultraviolet c'est-à-dire entre 100 et 3 200 Ã…. La lumière dans ces longueurs d'onde est absorbée par l'atmosphère terrestre aussi les observations doivent être réalisées dans la haute atmosphère ou depuis l'espace^[95]. Les objets célestes émettant un rayonnement ultraviolet comprennent le Soleil, les autres étoiles et les galaxies^[96].

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  Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer

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  GALEX (vue d'artiste)

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  Le Copernicus Observatory dans une salle blanche

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  Le Public Telescope (PST) Lancer 2019

Télescope en lumière visible

L'astronomie en lumière visible est la forme la plus ancienne de l'observation des astres. Elle porte sur le rayonnement visible (entre 4 000 et 8 000 Ã…)^[119]. Un télescope optique placé dans l'espace ne subit pas les déformations liées à la présence de l'atmosphère terrestre ce qui lui permet de fournir des images avec une résolution plus importante. Les télescopes optiques sont utilisés pour étudier, entre autres, les étoiles, les galaxies, les nébuleuses et les disques protoplanétaires ^[120].

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  Le télescope Hubble

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  Diagramme de Kepler

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  Diagramme de Kepler

Télescope infrarouge

Le rayonnement infrarouge a une énergie plus faible que la lumière visible et est donc émis par des objets plus froids. Ce rayonnement permet d'observer les objets suivants : les étoiles froides dont les naines brunes, les nébuleuses et les galaxies avec un important décalage vers le rouge^[135].

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  Herschel (vue d'artiste)

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  IRAS (vue d'artiste)

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  James Webb Space Telescope (vue d'artiste)

Ondes millimétriques et submillimétriques

Aux fréquences millimétriques, les photons sont très nombreux mais ont très peu d'énergie. Il faut donc en collecter beaucoup. Ce rayonnement permet de mesurer le fond diffus cosmologique, la distribution des radio-sources, ainsi que l'effet Sunyaev-Zel'dovich, ainsi que le rayonnement synchrotron et le rayonnement continu de freinage de notre galaxie.

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  COBE

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  WMAP (vue d'artiste)

Radio-télescopes spatiaux

L'atmosphère est transparente pour les ondes radio aussi les radio-télescopes placés dans l'espace sont utilisés généralement pour réaliser de l'interférométrie à très longue base. Un télescope est basé sur Terre tandis qu'un observatoire est placé dans l'espace : en synchronisant les signaux collectés par ces deux sources on simule un radio-télescope dont la taille serait la distance existant entre les deux instruments. Les observations effectuées avec ce type d'instrument portent sur les restes de supernovae, les lentilles gravitationnelles, les masers, les galaxies à sursaut de formation d'étoiles ainsi que beaucoup d'autres objets célestes.

Détection de particules

Certains observatoires spatiaux sont spécialisés dans la détection du rayonnement cosmique et des électrons. Ceux-ci peuvent être émis par le Soleil, notre galaxie (rayonnement cosmique) et des sources extra-galactiques (rayonnement cosmique extra-galactique). Il existe également un rayonnement cosmique à haute énergie émis par les noyaux des galaxies actives.

Ondes gravitationnelles

L’observation des ondes gravitationnelles, prédites par la relativité générale, est un nouveau domaine. Il existe un projet d'observatoire spatial, eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna), de l’Agence spatiale européenne dont le lancement n'interviendrait pas avant 2034 si le projet est retenu. Les ondes gravitationnelles n'ont jamais pu être observées directement par les observatoires dédiés créés au sol du fait de sa très faible intensité. Le télescope utilise la technique de l'interférométrie.

Voir aussi

Articles connexes

• Liste d'observatoires astronomiques
• Observatoire astronomique au sol
• Observatoire d'ondes gravitationnelles
• Radiotélescope
• Observatoire de neutrinos
• Observatoire de rayons cosmiques

Notes et références

Références

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « List of space telescopes » (voir la liste des auteurs).

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