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Introduction
Alors que le CERN se débat pour faire fonctionner son énorme anneau à refroidir les boissons de son personnel dans un trou noir, il vient d'annoncer pour la troisième fois une nouvelle date pour la relance de son LHC en septembre 2009. Si tout va bien, les premières collisions auront lieu le mois suivant... on verra bien si les premiers résultats prévus pour 2010 apporteront des réponses aux scientifiques.
Pendant ce temps-là, deux nouveaux satellites de recherche seront lancés. Ils promettent d'apporter des réponses à des questions fondamentales que les scientifiques se posent... enfin, jusqu'aux prochaines questions.
Deux satellites pour un lanceur
Si tout va bien, le 16 avril 2009 l'European Space Agency mettra sur orbite deux nouveaux satellites grâce son plus important lanceur: l'Ariane 5 ECA. Les deux satellites seront placés au même endroit, soit le second point Lagrange (L2). Cette zone si situe à environ 1.5 millions de kilomètres de la Terre.
Les cinq points Lagrange (le soleil est au centre)
Le premier satellite baptisé Herschel est un télescope spatial et son compagnon de route, Planck, a été construit pour mesurer le rayonnement cosmique.
Comme beaucoup de satellites de recherche, il aura fallu une dizaine d'années pour concevoir, assembler et envoyer dans l'espace ces petits condensés de technologie.
Quand je dis petit, il faut que je nuance mes propos... le satellite Herschel et Planck pèsent respectivement 3.3 tonnes et 1.9 tonne au décollage. Ci-dessous, une illustration avec les deux satellites dans la coiffe d'Ariane:
Au-dessus c'est Herschel et au-dessous c'est Planck
Vu la masse, qu'est-ce que ces satellites vont embarquer comme instruments? Et pour répondre à quelles questions? En attendant le lancement, je vous propose un tour d'horizon.
Herschel
Ce satellite porte le nom du célèbre astronome et compositeur William Herschel. On lui doit notamment la découverte de la planète Uranus en 1781 ainsi que des ondes infrarouges en 1800. Ce télescope spatial bénéficie du plus grand miroir (3.5 mètres) jamais construit pour fonctionner dans l'espace et grâce à ses instruments, il permettra d'observer l'univers dans un une gamme de fréquences particulière: infrarouge et submillimetrique.
Le satellite mesure 7.5 mètres de haut et repose sur un diamètre d'environ 4.3 mètres. Fondamentalement, en plus de son miroir, le satellite est équipé de 3 instruments qui opèrent à différentes fréquences:
- Photoconductor Array Camera and Spectrometer (PACS)
- Spectral and Photometric Imaging REceiver (SPIRE)
- Heterodyne Instrument for Far-Infrared (HIFI)
Ci-dessous, une illustration qui permet de comprendre dans quelle gamme de fréquences chacun de ces instruments observe:
Image appartenant au CNES
Pour bien fonctionner, l'ensemble des instruments doit être maintenu à des températures très basses (2 K ou -271 C) pour ne pas altérer les observations. Les instruments sont maintenus à ces températures grâce à un cryostat contenant 2'367 litres d'hélium.
Bien sûr, ces instruments ne fonctionnent pas seuls. Ils reçoivent la lumière au travers d'un miroir qui a été spécialement fabriqué pour l'occasion (donc peu de chance d'avoir un miroir comme ça à la maison!):
Un miroir "parfait" de 3.5 mètres de diamètre
Pour se rendre compte du progrès réalisé en terme de taille, il faut savoir que ce miroir est bien plus grand que celui du célèbre télescope spatial Hubble:
De gauche à droite: Hubble, Herschel et James Webb
Depuis 1990, Hubble était le plus grand télescope spatial avec un miroir de 2.4 mètres. Toutefois, avec ses 3.5 mètres, Herschel promet de voir plus loin et surtout, dans une gamme de fréquences jamais observée jusqu'ici. A droite, le gigantesque télescope spatial James Webb de la NASA qui ne sera pas lancé avant 2013.
Pourquoi vouloir observer dans cette gamme de fréquences?
Parce que humainement parlant, notre oeil ne voit rien dans cette plage et d'expérience, on sait que ce n'est pas parce qu'on ne voit rien à l'oeil nu qu'il ne se passe rien...
Des images sont toujours plus parlantes que des mots. Ci-dessous, une composition de photos prises par Hubble:
A 7'000 années lumières de nous, une pépinière d'étoiles (Eagle nebula)
Cette photo est très connue et je suppose que certains d'entre-vous l'on déjà vue. Toutefois, ce que peu de gens ont vu, c'est la même photo prise avec des caméras infrarouges. Ci-dessous, une comparaison de cette image dans différentes fréquences:
A. Photo normale...
B. Photo en infrarouge proche (1-2µm)
C. Photo en infrarouge moyen-lointain (7µm)
D. Photo en infrarouge lointain (50µm)
Comme on peut le voir, ces photographies apportent une autre vision des événements qui se déroulent au sein de ces amas de gaz.
"Très bien" me direz-vous, "Mais qu'est-ce qu'on veut trouver?"
C'est un peu comme d'habitude, on veut comprendre l'histoire des étoiles et des galaxies qui nous entourent, y compris la nôtre. Dans cette quête perpétuelle de comprendre notre univers, nul doute que nous trouverons quelques réponses... qui laisseront la place à des centaines d'autres questions!
L'ensemble du satellite une fois dans l'espace
Après le lancement, il faudra attendre environ 6 mois pour que le satellite rejoigne le second point Lagrange (L2) et commence ses observations.
Planck
Comme d'habitude, ce satellite porte le nom d'un scientifique connu: Max Planck. Ce physicien a obtenu une série de prix pour ses recherches et en particulier sur ses travaux sur la loi spectrale du rayonnement en 1900... qui porte désormais son nom: la loi de Planck.
Les objectifs de cette mission sont importants et si elle se passe comme prévu, elle devrait apporter des réponses à des questions fondamentales comme:
- Est-ce que notre univers est en expansion ou est-il en train de se contracter?
- Quel est l'âge de l'univers?
- Quel est la nature de la matière noire?
- Quel est la nature de l'énergie noire?
A la lecture de ces questions, on se rend immédiatement compte que la responsabilité de ce "petit" satellite est énorme... et pourtant avec une hauteur de 4.2 mètres sur un diamètre de 4.2 mètres, il doit départager la communauté scientifique sur bien des points.
Si vous suivez un peu l'actualité scientifique, certaines de ces questions vous paraissaient tranchées depuis longtemps et j'avais même très brièvement parlé de la matière noire il y a 2 ans.
C'est vrai mais le problème c'est qu'il existe plusieurs théories et observations contradictoires. Le but est donc de tenter de confirmer certaines de ces théories.
Mais comment va-t-on obtenir des réponses à ces questions?
Encore une fois, le satellite est équipé d'instruments pour étudier le rayonnement cosmique et ils sont au nombre de deux:
- Low Frequency Instrument (LFI) de 27-77 GHz
- High Frequency Instrument (HFI) de 83-1'000 GHz
Pour mieux comprendre le fonctionnement de ce satellite, je vous propose une petite illustration:
Elévation du satellite Planck
Comme on peut le voir, le miroir de 1.5 mètre de diamètre réfléchit les rayons cosmiques dans un second miroir avant de passer au travers des deux instruments.
Très sommairement, le LFI qui fonctionne à 20 K ou -253 C convertira les micro-ondes de basse énergie en électricité. Par contre, le HFI qui fonctionne à 18 K ou -253 C convertira les micro-ondes de haute énergie en chaleur qui sera mesurée par un petit thermomètre électrique. Ces deux instruments permettront de traiter des micro-ondes d'une longueur d'onde de 25 GHz à 1 THz.
Grâce à l'illustration suivante, on peut apercevoir les "récepteurs" du LFI et HFI:
Les deux instruments partagent le même miroir
Ce satellite n'est pas le premier de ce type... mais grâce à ses instruments encore plus performants, il devrait être beaucoup plus précis que ses prédécesseurs.
Pourquoi faire?
Au-delà de répondre aux questions mentionnées plus haut, il doit notamment mettre à jour la carte du "fond diffus cosmologique". Ci-dessous, un historique de la cartographie du rayonnement fossile au fil des différentes observations:
Les principales cartes de 1965 à 2003
En 2008, le satellite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) offre une nouvelle carte à la communauté scientifique:
Le WMAP offre une image beaucoup plus précise
Entre 2003 et 2008, des observations complémentaires ont permis de mettre à jour la carte et confirmer un point: la température moyenne de notre univers est de 2.725 K ou -270.425 C... et vous voulez savoir la différence entre les points bleus (froid) et rouge (chaud)? C'est 0.0002 degré Kelvin!!!
Ce satellite promet de faire mieux...
Conclusions
L'ESA avec cette double missions devrait faire un retour au premier plan dans la recherche spatiale.
Toutefois, cette mission comporte un risque majeur: l'ESA va propulser les deux satellites en même temps à bord du même lanceur! En cas de problème, il y a donc un risque de perdre les deux missions en même temps.
Par exemple, hier, la NASA a essayé d'envoyer le satellite Orbiting Carbon Observatory à bord d'une fusée Taurus. Malheureusement pour la communauté scientifique, le lanceur a connu un problème et le satellite de USD 270 millions est perdu... ainsi que les réponses qu'il aurait pu nous apporter sur un problème majeur: le taux de dioxyde de carbone (CO2) dans le monde.
Bien sûr, Ariane jouit d'un excellent pourcentage de tirs réussis et les assurances peuvent rembourser les missions. Toutefois, chacune de ces missions a demandé 10 ans entre l'idée et le lancement. D'un point de vue technologique, reconstruire à l'identique ces exemplaires serait probablement une perte de temps et d'argent.
Sur ce dernier point, il faut savoir que les coûts sont de 1.1 milliard d'euro pour Herschel et 600 millions d'euro pour Planck! Pour ce prix, j'aurais aimé qu'on puisse profiter de ces satellites plus longtemps... en effet, pour le premier, c'est une mission qui ne devrait pas durer plus de 3 ans et pour le second, c'est 15 mois!
Ces "faibles" durées de vie sont liées à la réserve de "carburant" pour maintenir les instruments à très basse température... si d'aventure ces satellites devaient nous apporter des réponses extraordinaires, il sera pratiquement impossible de les récupérer pour refaire un "plein"... c'est dommage mais j'imagine qu'il fallait faire un choix entre l'autonomie, l'encombrement et la masse.
Enfin, c'est avec des missions de ce genre que l'humanité avance dans sa compréhension de l'univers et donc de notre présence sur Terre. A l'inverse, les missions habitées ne servent qu'à répondre favorablement à l'ego démesuré de l'être humain dans la conquête de son environnement.
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