6.5 : Observations en dehors de l'atmosphère terrestre

Objectifs d'apprentissage

À la fin de la section, vous serez en mesure de :

• Énumérer les avantages des observations astronomiques depuis l'espace
• Expliquer l'importance du télescope spatial Hubble
• Décrire certains des principaux observatoires spatiaux utilisés par les astronomes

L'atmosphère de la Terre bloque la plupart des radiations à des longueurs d'onde plus courtes que la lumière visible. Nous ne pouvons donc effectuer des observations directes de rayons ultraviolets, de rayons X et de rayons gamma que depuis l'espace (bien que des observations indirectes puissent être effectuées depuis la Terre). Surmonter les effets de distorsion de l'atmosphère est également un avantage pour les longueurs d'onde visibles et infrarouges. Les étoiles ne « scintillent » pas dans l'espace, de sorte que la quantité de détails que vous pouvez observer est limitée uniquement par la taille de votre instrument. D'un autre côté, placer des télescopes dans l'espace coûte cher et les réparations peuvent représenter un défi majeur. C'est pourquoi les astronomes continuent de construire des télescopes destinés à être utilisés au sol ainsi que pour être lancés dans l'espace.

Télescopes infrarouges aéroportés et spatiaux

La vapeur d'eau, principale source d'interférence atmosphérique pour les observations infrarouges, est concentrée dans la partie inférieure de l'atmosphère terrestre. Pour cette raison, un gain d'altitude ne serait-ce que de quelques centaines de mètres peut faire une différence importante dans la qualité d'un site d'observatoire infrarouge. Compte tenu des limites des hautes montagnes, qui attirent pour la plupart des nuages et de violentes tempêtes, et du fait que la capacité des humains à effectuer des tâches complexes se dégrade à haute altitude, il était naturel que les astronomes étudient la possibilité d'observer les ondes infrarouges provenant des avions et, en fin de compte, de l'espace.

Des observations infrarouges à partir d'avions sont effectuées depuis les années 1960, à commencer par un télescope de 15 centimètres embarqué à bord d'un Learjet. De 1974 à 1995, la NASA a exploité un télescope aéroporté de 0,9 mètre volant régulièrement depuis le centre de recherche Ames, au sud de San Francisco. Observant à une altitude de 12 kilomètres, le télescope se trouvait au-dessus de 99 % de la vapeur d'eau atmosphérique. Plus récemment, la NASA (en partenariat avec le Centre aérospatial allemand) a construit un télescope beaucoup plus grand de 2,5 mètres, appelé Observatoire stratosphérique d'astronomie infrarouge (SOFIA), qui vole à bord d'un Boeing 747SP modifié (Figure\(\PageIndex{1}\)).

Figure Observatoire\(\PageIndex{1}\) stratosphérique pour l'astronomie infrarouge (SOFIA). SOFIA permet d'effectuer des observations au-dessus de la majeure partie de la vapeur d'eau atmosphérique de la Terre.

Pour en savoir plus sur SOFIA, regardez cette vidéo fournie par le centre de recherche en vol Armstrong de la NASA.

Le fait de monter encore plus haut et de faire des observations depuis l'espace lui-même présente des avantages importants pour l'astronomie infrarouge. Le premier est l'élimination de toutes les interférences provenant de l'atmosphère. Tout aussi importante est la possibilité de refroidir l'ensemble du système optique de l'instrument afin d'éliminer presque totalement le rayonnement infrarouge du télescope lui-même. Si nous essayions de refroidir un télescope dans l'atmosphère, il serait rapidement recouvert de vapeur d'eau condensée et d'autres gaz, le rendant inutile. Ce n'est que dans le vide spatial que les éléments optiques peuvent être refroidis à des centaines de degrés sous le point de congélation tout en restant opérationnels.

Le premier observatoire infrarouge en orbite, lancé en 1983, était le satellite astronomique infrarouge (IRAS), construit dans le cadre d'un projet conjoint par les États-Unis, les Pays-Bas et la Grande-Bretagne. L'IRAS était équipé d'un télescope de 0,6 mètre refroidi à une température inférieure à 10 K. Pour la première fois, le ciel infrarouge pouvait être vu comme s'il faisait nuit, plutôt qu'à travers un premier plan lumineux d'émissions atmosphériques et téléscopiques. L'IRAS a réalisé une étude rapide mais complète de l'ensemble du ciel infrarouge sur une période de 10 mois, répertoriant environ 350 000 sources de rayonnement infrarouge. Depuis lors, plusieurs autres télescopes infrarouges ont fonctionné dans l'espace avec une sensibilité et une résolution bien meilleures grâce à l'amélioration des détecteurs infrarouges. Le plus puissant de ces télescopes infrarouges est le télescope spatial Spitzer de 0,85 mètre, lancé en 2003. Certaines de ses observations sont présentées dans la figure\(\PageIndex{2}\). Grâce aux observations infrarouges, les astronomes peuvent détecter les parties les plus froides des objets cosmiques, tels que les nuages de poussière autour des pépinières d'étoiles et les restes d'étoiles mourantes, que les images en lumière visible ne révèlent pas.

\(\PageIndex{2}\)Observations de la figure depuis le télescope spatial Spitzer (SST). Ces images infrarouges — une région de formation d'étoiles, le vestige d'une étoile qui a explosé et une région où une vieille étoile perd sa coque extérieure — ne montrent que quelques-unes des observations faites et renvoyées vers la Terre par le SST. Comme nos yeux ne sont pas sensibles aux rayons infrarouges, nous n'en percevons pas les couleurs. Les couleurs de ces images ont été sélectionnées par des astronomes pour mettre en évidence des détails tels que la composition ou la température de ces régions. (crédit « Flamme nébuleuse » : modification des travaux par la NASA (radiographie : NASA/CXC/PSU/K.Getman, E.Feigelson, M.Kuhn et l'équipe MyStix ; infrarouge : NASA/JPL-Caltech) ; crédit « Cassiopée A » : modification du travail par la NASA/JPL-Caltech ; crédit « Helix nebula » : modification des travaux par NASA/JPL-Caltech Caltech)

Télescope spatial Hubble

En avril 1990, l'astronomie a fait un grand pas en avant avec le lancement du télescope spatial Hubble (HST). Avec une ouverture de 2,4 mètres, il s'agit du plus grand télescope jamais vu dans l'espace. (Son ouverture était limitée par la taille de la soute de charge utile de la navette spatiale qui lui servait de lanceur.) Il a été nommé en l'honneur d'Edwin Hubble, l'astronome qui a découvert l'expansion de l'univers dans les années 1920 (dont nous parlerons des travaux dans les chapitres sur les galaxies).

Le HST est géré conjointement par le Goddard Space Flight Center de la NASA et le Space Telescope Science Institute de Baltimore. Il s'agissait du premier observatoire orbital conçu pour être entretenu par des astronautes de la navette et, au fil des années qui ont suivi son lancement, ils ont effectué plusieurs visites pour améliorer ou remplacer ses instruments initiaux et réparer certains des systèmes qui font fonctionner l'engin spatial (Figure du chapitre), bien que ce programme de réparation ait a été abandonnée, et aucune autre visite ou amélioration ne sera apportée.

Avec le Hubble, les astronomes ont obtenu certaines des images les plus détaillées d'objets astronomiques depuis le système solaire jusqu'aux galaxies les plus éloignées. Parmi ses nombreuses réussites, citons le champ ultra-profond de Hubble, une image d'une petite région du ciel observée pendant près de 100 heures. Il contient des vues d'environ 10 000 galaxies, dont certaines se sont formées alors que l'univers n'avait que quelques pour cent de son âge actuel (Figure\(\PageIndex{3}\)).

Figure\(\PageIndex{3}\) Hubble à champ ultra-profond (HUDF). Le télescope spatial Hubble a fourni une image d'une région spécifique de l'espace construite à partir de données collectées entre le 24 septembre 2003 et le 16 janvier 2004. Ces données nous permettent de rechercher des galaxies qui existaient il y a environ 13 milliards d'années.

Le miroir du HST a été rectifié et poli avec une précision remarquable. Si nous devions agrandir son miroir de 2,4 mètres à la taille de l'ensemble de la zone continentale des États-Unis, il n'y aurait aucune colline ou vallée de plus de 6 centimètres sur sa surface lisse. Malheureusement, après son lancement, les scientifiques ont découvert que le miroir principal présentait une légère erreur de forme, égale à environ 1/50 de la largeur d'un cheveu humain. Aussi petit que cela puisse paraître, cela suffisait à garantir qu'une grande partie de la lumière pénétrant dans le télescope ne soit pas clairement mise au point et que toutes les images soient floues. (Dans un effort mal placé pour économiser de l'argent, aucun test complet du système optique n'avait été effectué avant le lancement, de sorte que l'erreur n'a été découverte que lorsque HST était en orbite.)

La solution a été de faire quelque chose de très similaire à ce que nous faisons pour les étudiants en astronomie ayant une vision floue : placer des optiques correctives devant leurs yeux. En décembre 1993, lors de l'une des missions spatiales les plus passionnantes et les plus difficiles jamais effectuées, des astronautes ont capturé le télescope orbital et l'ont ramené dans la soute de la navette. Ils y ont installé un ensemble contenant des optiques de compensation ainsi qu'une nouvelle caméra améliorée avant de remettre HST en orbite. Le télescope fonctionne désormais comme prévu, et d'autres missions ont permis d'installer des instruments encore plus avancés pour tirer parti de ses capacités.

Observatoires des hautes énergies

Les observations aux rayons ultraviolets, aux rayons X et aux rayons gamma directs (ondes électromagnétiques de haute énergie) ne peuvent être effectuées que depuis l'espace. Ces observations sont devenues possibles pour la première fois en 1946, avec des roquettes V2 capturées en Allemagne après la Seconde Guerre mondiale. Le laboratoire de recherche navale américain a installé des instruments à bord de ces fusées pour une série de vols novateurs, utilisés initialement pour détecter les rayons ultraviolets du soleil. Depuis lors, de nombreuses autres fusées ont été lancées pour effectuer des observations radiographiques et ultraviolettes du Soleil et, plus tard, d'autres objets célestes.

À partir des années 1960, un flux constant d'observatoires à haute énergie a été lancé en orbite pour révéler et explorer l'univers à de courtes longueurs d'onde. Parmi les télescopes à rayons X récents figure l'observatoire à rayons X Chandra, lancé en 1999 (Figure\(\PageIndex{4}\)). Il produit des images radiographiques d'une résolution et d'une sensibilité sans précédent. La conception d'instruments capables de collecter et de focaliser des rayonnements énergétiques tels que les rayons X et les rayons gamma représente un énorme défi technologique. Le prix Nobel de physique 2002 a été décerné à Riccardo Giacconi, pionnier dans le domaine de la construction et du lancement d'instruments à rayons X sophistiqués. En 2008, la NASA a lancé le télescope spatial à rayons gamma Fermi, conçu pour mesurer les rayons gamma cosmiques à des énergies supérieures à celles de tous les télescopes précédents, et ainsi capable de collecter les radiations provenant de certains des événements les plus énergétiques de l'univers.

Figure Satellite à rayons X\(\PageIndex{4}\) Chandra. Chandra, le télescope à rayons X le plus puissant au monde, a été développé par la NASA et lancé en juillet 1999.

L'un des défis majeurs consiste à concevoir des « miroirs » capables de réfléchir des rayonnements pénétrants tels que les rayons X et les rayons gamma, qui traversent normalement la matière directement. Cependant, bien que les détails techniques de conception soient plus compliqués, les trois composants de base d'un système d'observation, comme nous l'avons expliqué plus haut dans ce chapitre, sont les mêmes à toutes les longueurs d'onde : un télescope pour recueillir le rayonnement, des filtres ou des instruments pour trier le rayonnement en fonction de la longueur d'onde, et une méthode de détection et d'enregistrement permanent des observations. Le tableau\(\PageIndex{1}\) répertorie certains des observatoires spatiaux actifs les plus importants que l'humanité ait lancés.

Les détections de rayons gamma peuvent également être effectuées à partir de la surface de la Terre en utilisant l'atmosphère comme détecteur principal. Lorsqu'un rayon gamma atteint notre atmosphère, il accélère les particules chargées (principalement des électrons) présentes dans l'atmosphère. Ces particules énergétiques frappent d'autres particules de l'atmosphère et émettent leur propre rayonnement. L'effet est une cascade de lumière et d'énergie détectable au sol. Le réseau VERITAS en Arizona et le réseau H.E.S.S. en Namibie sont deux de ces observatoires de rayons gamma basés au sol.

Figure\(\PageIndex{1}\) : Observatoires récents dans l'espace

Observatoire	Date de début des opérations	Bandes du spectre	Remarques	Site Web
Télescope spatial Hubble (HST)	1990	visible, UV, IR	Miroir de 2,4 m ; images et spectres	www.hubblesite.org
Observatoire à rayons X Chandra	1999	Radiographies	Images et spectres radiographiques	www.chandra.si.edu
XMM-Newton	1999	Radiographies	Spectroscopie à rayons	http://www.cosmos.esa.int/web/xmm-newton
Laboratoire international d'astrophysique aux rayons gamma (INTEGRAL)	2002	Rayons X et gamma	images gamma à haute résolution	http://sci.esa.int/integral/
Télescope spatial Spitzer	2003	IR	Télescope de 0,85 m	www.spitzer.caltech.edu
Télescope spatial à rayons gamma Fermi	2008	rayons gamma	premières observations de rayons gamma à haute énergie	fermi.gsfc.nasa.gov
Kepler	2009	lumière visible	localisateur de planètes	kepler.nasa.gov
Explorateur infrarouge à champ large (WISE)	2009	IR	carte du ciel entier, recherches d'astéroïdes	www.nasa.gov/Mission_Pages/Wise/Main
Gaia	2013	lumière visible	Carte précise de la Voie lactée	http://sci.esa.int/gaia/
Satellite de surveillance des exoplanètes en transit (TESS)	2018	lumière visible	localisateur de planètes	http://tess.mit.edu

Résumé

Les observations infrarouges sont effectuées à l'aide de télescopes à bord d'aéronefs et dans l'espace, ainsi que depuis des installations au sol situées sur des sommets secs. Les observations aux rayons ultraviolets, aux rayons X et aux rayons gamma doivent être effectuées depuis la surface de l'atmosphère. Au cours des dernières décennies, de nombreux observatoires orbitaux ont été utilisés pour effectuer des observations dans ces bandes du spectre. Le télescope spatial à plus grande ouverture est le télescope spatial Hubble (HST), le plus important télescope infrarouge est Spitzer, et Chandra et Fermi sont les principaux observatoires de rayons X et de rayons gamma, respectivement.