L'Observatoire spatial Herschel

Lancement : 14 mai 2009
État : Mission terminée

L'Observatoire spatial Herschel a été le télescope infrarouge le plus imposant et le plus puissant jamais lancé dans l'espace. Au cours de sa durée de vie active, il a effectué plus de 35 000 observations et consacré plus de 25 000 heures à l'étude de l'Univers. Il nous a révélé des objets célestes qui jusque-là étaient demeurés invisibles et il nous a aidé à mieux comprendre l'origine et l'évolution d'étoiles, de planètes et de galaxies.

Bénéficiant d'un financement de l'Agence spatiale canadienne (ASC), deux équipes canadiennes d'astronomes ont joué un rôle essentiel dans la mise au point et l'exploitation de deux des trois instruments scientifiques installés à bord du télescope de l'Agence spatiale européenne (ESA), soit l'instrument hétérodyne pour l'observation dans l'infrarouge lointain (HIFI) et le récepteur d'imagerie spectrale et photométrique (SPIRE).

Le professeur Michel Fich (en anglais seulement) de l'Université de Waterloo est le chercheur principal de l'instrument HIFI au Canada, auquel le pays a contribué un sous-système clé (l'unité source de l'oscillateur local) construit par COM DEV, de Cambridge en Ontario. Le professeur David Naylor de l'Université de Lethbridge agit à titre de chercheur principal de la contribution canadienne à SPIRE. L'équipe canadienne Herschel se compose de chercheurs des universités de la Colombie-Britannique, de Calgary, Western Ontario, de Toronto, de Victoria et McMaster ainsi que du Conseil national de recherches du Canada. Blue Sky Spectroscopy, de Lethbridge en Alberta, est une entreprise de haute technologie dérivée qui a vu le jour en tant que l'un des trois centres mondiaux d'expertise en traitement des données fournies par SPIRE.

Vue d'artiste de l'Observatoire spatial Herschel (Source : ESA - D. Ducros, 2009.)

Contribution du Canada

Le Canada a participé au projet de l'Observatoire spatial Herschel en prenant part au développement de deux des trois instruments embarqués à bord du satellite. En ce qui concerne HIFI (Instrument hétérodyne pour l'observation dans l'infrarouge lointain), le Canada a fourni l'unité source de l'oscillateur local (LSU), c'est-à-dire le dispositif donnant le signal de référence nécessaire au bon fonctionnement de l'appareil. Quant à SPIRE (Récepteur d'imagerie spectrale et photométrique), le Canada a produit un spectromètre à transformée de Fourier (FTS) servant à tester et à étalonner l'instrument ainsi que les logiciels de traitement de données. SPIRE a permis de dresser des cartes d'une vaste région du ciel grâce à son grand champ de vision tandis qu'HIFI a rendu possible l'observation d'un point précis. Des scientifiques canadiens avaient d'ailleurs fait voler un prototype de l'instrument SPIRE, connu sous l'appellation BLAST (Télescope-ballon à large ouverture submillimétrique), à bord d'un ballon-sonde. Cela avait permis de valider la performance de l'instrument et de pousser le développement des logiciels d'analyse de données.

Le professeur Michel Fich de l'Université de Waterloo est le chercheur principal du projet HIFI au Canada. Le professeur David Naylor de l'Université de Lethbridge (en anglais seulement) agit en tant que chercheur principal pour la contribution canadienne à SPIRE. COM DEV est l'entrepreneur principal responsable de l'unité LSU. Grâce au financement de l'Agence spatiale canadienne (ASC), Blue Sky Spectroscopy (en anglais seulement) constitue l'un des centres d'expertise du projet du spectromètre SPIRE. Elle a développé des logiciels de traitement de données et d'analyse scientifique pour le spectromètre FTS.

Les trois instruments scientifiques d'Herschel

L'Observatoire spatial Herschel comprenait trois instruments permettant de recevoir et d'analyser le rayonnement infrarouge provenant des confins de l'Univers. Les trois spectromètres, dont deux étaient couplés à des caméras infrarouges, fonctionnaient dans différentes longueurs d'ondes et couvraient des régions distinctes du ciel. Ces instruments servaient à séparer les composantes de base du spectre lumineux pour en faciliter l'analyse. Les équipes européennes chargées d'HIFI et de SPIRE ont eu recours à l'expertise canadienne en astronomie submillimétrique pour améliorer la performance de ces appareils.

Les trois instruments à bord d'Herschel (Source : ESA.)

Instrument hétérodyne pour l'observation dans l'infrarouge lointain (HIFI)

Grâce à sa haute résolution spectroscopique et à sa grande sensibilité, HIFI a fait progresser nos connaissances sur la chimie interstellaire. Cet instrument était conçu pour détecter et analyser les émissions d'une multitude de molécules. Pour ce faire, il utilisait la gamme d'ondes de l'infrarouge lointain et submillimétrique pour observer les molécules entrant en jeu dans divers processus chimiques et environnements astrophysiques.

Des scientifiques canadiens ont développé un synthétiseur de fréquence d'une précision et d'une stabilité inégalées pour l'instrument HIFI qui nous a permis d'approfondir nos connaissances sur la chimie interstellaire. (Source : Michel Fich.)

L'instrument HIFI faisait appel à un oscillateur local pour générer le signal de référence essentiel au bon fonctionnement du système hétérodyne. L'oscillateur local agissait comme le diapason qu'on utilise pour accorder un instrument de musique. Lorsque ce signal de référence était combiné au signal de l'objet source, capté par le télescope et transmis à HIFI, on obtenait un signal à une fréquence beaucoup plus basse que le signal d'origine et beaucoup plus facile à traiter électroniquement.

Les musiciens connaissent bien ce principe de l'hétérodyne puisqu'ils y font appel lorsqu'ils accordent leurs instruments pour obtenir la fréquence de battement. La radio AM est un autre exemple. En effet, les signaux de radio AM sont diffusés dans une fréquence trop élevée pour l'oreille humaine. Les fréquences de la radio AM sont généralement à 1000 kHz tandis que l'humain peut seulement entendre les fréquences avoisinant 1 kHz. Quand on règle sa radio AM, on change la fréquence de l'oscillateur local de la radio, ce qui le combine au signal AM. On entend alors la différence entre l'oscillateur de la radio et le signal AM. En ce qui concerne HIFI, le signal de référence devait être très stable et pur. C'est ici que le Canada est intervenu en fournissant l'unité source de l'oscillateur local. L'unité fournie par le Canada était d'une précision et d'une stabilité inégalées. L'unité source contenait un bon nombre de composantes de secours.

Le chercheur principal du projet HIFI au Canada est le professeur Michel Fich de l'Université de Waterloo.

Préparation d'HIFI en vue des essais (Source : SRON.)

Récepteur d'imagerie spectrale et photométrique (SPIRE)

SPIRE a étudié les processus liés à la formation des galaxies et des structures cosmiques dans l'Univers naissant. Il a examiné les toutes premières phases de la formation des étoiles qui résultent de la fragmentation et de l'effondrement du cœur très dense des nuages interstellaires. Ces énormes nuages de poussières absorbent le rayonnement ultraviolet émis par les étoiles de leur voisinage. La poussière chaude se refroidit en émettant un rayonnement dans le spectre infrarouge. Pour comprendre tous les processus en cause, les astronomes doivent quantifier l'énergie totale émise dans toutes les longueurs d'ondes.

Étant donné que la majeure partie de la lumière émise par les premières galaxies ne peut être détectée que dans le spectre infrarouge lointain, l'instrument SPIRE effectuait des observations spectrales et photométriques dans le domaine des infrarouges lointains et des ondes submillimétriques. Il a mesuré le flux du rayonnement infrarouge émis dans plusieurs longueurs d'ondes. Il a produit des cartes du ciel à grande échelle et à haute résolution angulaire. On pourra ainsi en apprendre davantage sur la distribution de l'énergie spectrale des étoiles et des galaxies ainsi que sur leur formation.

Le Canada a fourni des logiciels d'analyse de données, du personnel en appui aux équipes d'essais ainsi qu'un spectromètre à transformée de Fourier qui a servi à tester les modèles d'instruments. Des scientifiques canadiens ont également contribué aux travaux du Centre de contrôle de l'instrument SPIRE. L'Université de Lethbridge a mis au point des logiciels qui permettaient aux chercheurs de traiter les énormes quantités de données recueillies dans le cadre des observations et de transformer les données brutes en résultats intelligibles, comme des images et des spectres.

Le chercheur principal du projet SPIRE au Canada est le professeur David Naylor (en anglais seulement) de l'Université de Lethbridge. Pour obtenir de plus amples renseignements sur l'instrument SPIRE, visitez le site Web de l'Université de Lethbridge consacré au projet Herschel-SPIRE (en anglais seulement).

L'instrument SPIRE (Source : Consortium SPIRE.)

Photodétecteur et spectromètre à grand champ (PACS)

L'instrument PACS était constitué d'une caméra et d'un spectromètre de moyenne à haute résolution. Il permettait de sonder une petite zone du ciel et de prendre des photos en trois couleurs différentes. L'Institut Max Planck pour la physique extraterrestre dirige le consortium chargé de l'instrument PACS (en anglais seulement).

Vue d'artiste de l'instrument PACS. (Source : ESA - C. Carreau.)

Objectifs scientifiques d'Herschel

Le miroir d'Herschel mesurait 3,5 mètres de diamètre, ce qui en faisait le plus grand miroir jamais construit pour un engin spatial. Avec son œil géant, Herschel a permis aux astronomes d'explorer les pouponnières d'étoiles - ces régions cosmiques où naissent les étoiles. Comme les gaz constituant ces nuages moléculaires sont très denses et opaques, il est impossible de les sonder au moyen de la lumière visible. Herschel constituait une plateforme idéale pour capter des rayonnements infrarouges extrêmement faibles, et a ainsi donné une foule de renseignements sur les différentes phases menant à la naissance d'une étoile.

Herschel a étudié comment les premières galaxies se sont formées et ont évolué jusqu'à leur stade actuel. Il a examiné comment les étoiles prennent forme et comment elles interagissent avec le milieu interstellaire. Le télescope a aussi observé la composition chimique de comètes, de l'atmosphère et de la surface de planètes et de leurs satellites naturels, ainsi que la chimie moléculaire de l'Univers.

Image artistique de l'Observatoire spatial Herschel — Vue d'artiste de l'Observatoire spatial Herschel (Source : ESA - D. Ducros, 2009)

Qu'est-ce que la lumière infrarouge?

La lumière infrarouge est un type de lumière qu'on ne peut voir à l'œil nu. Elle est utile aux astronomes parce qu'elle peut renseigner sur la quantité de chaleur produite par un objet. Les scientifiques peuvent ainsi obtenir une foule de renseignements qui, autrement, demeureraient inaccessibles.

Par exemple, si on regarde les images infrarouges d'un chien et d'une chenille ci-dessous, on peut très bien voir que le chien est un animal à sang chaud (la chaleur rayonne en couleurs chaudes dans l'infrarouge) tandis que la chenille, animal à sang froid, ressort en bleu sur la main plus chaude dans laquelle elle est posée.

De la même façon, grâce à la lumière infrarouge, les astronomes peuvent obtenir plus de renseignements sur les étoiles, les galaxies et d'autres objets célestes, car elle leur permet de scruter à travers les nuages de poussières et d'autres molécules qui, autrement, obscurciraient leur vision.