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Quel est le problème avec les télescopes spatiaux?

Quel est le problème avec les télescopes spatiaux?

Aujourd'hui, les astronomes sont capables d'étudier des objets de notre Univers qui se trouvent à plus de treize milliards d'années-lumière de la Terre. En fait, l'objet le plus éloigné étudié est une galaxie connue sous le nom de GN-z11, qui existe à une distance de 13,39 milliards d'années-lumière de notre système solaire.

Mais puisque nous vivons dans l'univers relativiste, où le temps et l'espace sont des expressions similaires de la même réalité, regarder au plus profond de l'espace signifie aussi regarder au plus profond du passé. Ergo, regarder un objet situé à plus de 13 milliards d'années-lumière signifie le voir tel qu'il est apparu il y a plus de 13 milliards d'années.

Cela permet aux astronomes de revenir à certains des temps les plus anciens de l'Univers, vieux de 13,8 milliards d'années. Et à l'avenir, les instruments de la prochaine génération leur permettront de voir encore plus loin, à l'époque où les premières étoiles et galaxies se sont formées - une époque communément appelée «Aube cosmique».

Une grande partie du mérite de ces progrès revient aux télescopes spatiaux, qui étudient l'Univers profond depuis leur orbite depuis des décennies. Le plus connu d'entre eux est Hubble, qui a créé un précédent pour les observatoires spatiaux.

Depuis son lancement en 1990, les données vitales Hubble a recueilli a conduit à de nombreuses percées scientifiques. Aujourd'hui, il est toujours en service et fêtera son 30e anniversaire le 20 mai 2020. Cependant, il est important de noter que Hubble n'était en aucun cas le premier télescope spatial.

Des décennies avant son lancement historique, la NASA, Roscosmos et d'autres agences spatiales envoyaient des observatoires dans l'espace pour mener des recherches vitales. Et dans un proche avenir, un certain nombre de télescopes de pointe seront envoyés dans l'espace pour s'appuyer sur les fondations établies Hubble et d'autres.

Le cas des télescopes spatiaux

L'idée de placer un observatoire dans l'espace remonte au 19ème siècle et aux astronomes allemands Wilhelm Beer et Johann Heinrich Mädler. En 1837, ils discutèrent des avantages de la construction d'un observatoire sur la Lune, où l'atmosphère terrestre ne serait pas une source d'interférence.

Cependant, ce n'est qu'au XXe siècle qu'une proposition détaillée a été faite pour la première fois. Cela s'est produit en 1946 lorsque le physicien théoricien américain Lyman Spitzer a proposé d'envoyer un grand télescope dans l'espace. Ici aussi, Spitzer a souligné comment un télescope spatial ne serait pas gêné par l'atmosphère terrestre.

Essentiellement, les observatoires au sol sont limités par le filtrage et la distorsion de notre atmosphère sur le rayonnement électromagnétique. C'est ce qui fait que les étoiles «scintillent» et que les objets célestes comme la Lune et les planètes solaires brillent et semblent plus grands qu'ils ne le sont.

Un autre obstacle majeur est la «pollution lumineuse», où la lumière provenant de sources urbaines peut rendre plus difficile la détection de la lumière provenant de l'espace. Habituellement, les télescopes au sol surmontent ce problème en étant construits dans des régions éloignées de haute altitude où la pollution lumineuse est minimale et l'atmosphère est plus mince.

L'optique adaptative est une autre méthode couramment utilisée, dans laquelle les miroirs déformants corrigent la distorsion atmosphérique. Les télescopes spatiaux contournent tout cela en étant positionnés en dehors de l'atmosphère terrestre où ni la pollution lumineuse ni les distorsions ne sont un problème.

Les observatoires spatiaux sont encore plus importants lorsqu'il s'agit de gammes de fréquences au-delà des longueurs d'onde visibles. Les rayons infrarouges et ultraviolets sont largement bloqués par l'atmosphère terrestre, alors que l'astronomie des rayons X et gamma est pratiquement impossible sur Terre.

Tout au long des années 1960 et 1970, Spitzer a fait pression sur le Congrès américain pour qu'un tel système soit construit. Alors que sa vision ne se concrétisera pas avant les années 1990 (avec le Le télescope spatial Hubble), de nombreux observatoires spatiaux seraient envoyés dans l'espace entre-temps.

Des débuts modestes

À la fin des années 1950, la course à la conquête de l'espace entre l'Union soviétique et les États-Unis a commencé. Ces efforts ont commencé sérieusement avec le déploiement des premiers satellites, puis se sont largement concentrés sur l'envoi des premiers astronautes dans l'espace.

Cependant, des efforts ont également été faits pour envoyer les observatoires dans l'espace pour la première fois. Ici, les "télescopes spatiaux" seraient en mesure de réaliser des observations astronomiques sans interférences atmosphériques, ce qui était particulièrement important en ce qui concerne la physique des hautes énergies.

Comme toujours, ces efforts étaient liés aux progrès militaires pendant la guerre froide. Alors que le développement des missiles balistiques intercontinentaux (ICBM) a conduit à la création de lanceurs spatiaux, le développement des satellites espions a conduit à des progrès dans les télescopes spatiaux.

Dans tous les cas, les Soviétiques ont pris rapidement les devants. Après l'envoi du premier objet artificiel (Spoutnik 1) et le premier homme (Yuri Gagarin et le Vostok 1 mission) en orbite en 1957 et 1961, ils ont également envoyé les premiers télescopes spatiaux dans l'espace entre 1965 et 1968.

Ceux-ci ont été lancés dans le cadre du programme soviétique Proton, qui a envoyé quatre télescopes gamma dans l'espace (Proton-1 à travers -4). Bien que chaque satellite ait été de courte durée par rapport aux télescopes spatiaux modernes, ils ont mené des recherches vitales sur le spectre à haute énergie et les rayons cosmiques.

La NASA a emboîté le pas avec le lancement des quatre satellites de l'Observatoire astronomique en orbite (OAO) entre 1968 et 1972. Ceux-ci ont fourni les premières observations de haute qualité d'objets célestes en lumière ultraviolette.

En 1972, le Apollo 16 les astronautes ont également laissé derrière eux Caméra / spectrographe ultraviolets lointains (UVC) sur la Lune. Ce télescope et cette caméra ont pris plusieurs images et obtenu des spectres d'objets astronomiques dans le spectre UV lointain.

L'ère post-Apollo

Les années 1970 et 1980 se sont révélées être une période lucrative pour les observatoires spatiaux. Avec la fin de l'ère Apollo, l'accent mis sur les vols spatiaux humains a commencé à se déplacer vers d'autres voies, telles que la recherche spatiale. D'autres pays ont également commencé à se joindre à eux, dont l'Inde, la Chine et diverses agences spatiales européennes.

Entre 1970 et 1975, la NASA a également lancé trois télescopes dans le cadre de son programme de petit satellite d'astronomie (SAS), qui a effectué des observations aux rayons X, aux rayons gamma, aux UV et à d'autres observations à haute énergie. Les Soviétiques ont également envoyé trois télescopes spatiaux Orion dans l'espace pour effectuer des observations ultraviolettes d'étoiles.

L'ESA et les agences spatiales européennes ont également lancé leurs premiers télescopes spatiaux dans les années 1970. Le premier était le télescope conjoint britannique-NASA nommé Ariel 5, qui a été lancé en 1974 pour observer le ciel dans la bande de rayons X. La même année, le Satellite astronomique des Pays-Bas (ANS) a été lancé pour mener l'astronomie UV et rayons X.

En 1975, l'Inde a envoyé son premier satellite dans l'espace - Aryabata - étudier l'Univers dans le spectre des rayons X. Cette même année, l'ESA a envoyé le COS-B mission dans l'espace pour étudier les sources de rayons gamma. Le Japon a également envoyé son premier observatoire dans l'espace en 1979, connu sous le nom de Hakucho Satellite à rayons X.

Entre 1977 et 1979, la NASA a également déployé une série de télescopes à rayons X, gamma et cosmiques dans le cadre du programme de l'Observatoire d'astronomie des hautes énergies (HEAO). En 1978, la NASA, le UK Science Research Council (SERC) et l'ESA ont collaboré pour lancer le InternationalExplorateur ultraviolet (IUE).

Avant la fin des années 1980, l'ESA, le Japon et les Soviétiques contribuaient à plusieurs autres missions, comme le Satellite de l'Observatoire européen des rayons X (EXOSAT), le Hinotori et Tenma Les satellites à rayons X et le Astron télescope ultraviolet.

La NASA a également déployé le Satellite d'astronomie infrarouge (IRAS) en 1983, qui est devenu le premier télescope spatial à effectuer une étude de l'ensemble du ciel nocturne à des longueurs d'onde infrarouges.

Pour compléter la décennie, l'ESA et la NASA ont envoyé leur Hipparcos et Explorateur d'arrière-plan cosmique (COBE) en 1989. Hipparcosétait la première expérience spatiale consacrée à mesurer les mouvements, les vitesses et les positions des étoiles, un processus connu sous le nom d'astrométrie.

Pendant ce temps, COBE a fourni les premières mesures précises du fond cosmique hyperfréquence (CMB) - le rayonnement de fond diffus imprégnant l'Univers observable. Ces mesures ont fourni certaines des preuves les plus convaincantes de la théorie du Big Bang.

En 1989, une collaboration entre les Soviétiques, la France, le Danemark et la Bulgarie a conduit au déploiement de l'Observatoire international d'astrophysique (alias GRANAT). La mission a passé les neuf années suivantes à observer l'Univers, des rayons X aux rayons gamma du spectre.

Hubble (HST) va dans l'espace

Après de nombreuses décennies, Spitzer a finalement vu son rêve d'un observatoire spatial dédié se réaliser avec le Le télescope spatial Hubble (TVH). Cet observatoire a été développé par la NASA et l'ESA et lancé le 24 avril 1990 à bord du Découverte de la navette spatiale (STS-31), début des opérations le 20 mai.

Ce télescope tire son nom du célèbre astronome américain Edwin Hubble (1889 - 1953), considéré par beaucoup comme l'un des astronomes les plus importants de l'histoire.

En plus de découvrir qu'il existe des galaxies au-delà de la Voie lactée, il a également offert la preuve définitive que l'Univers est en état d'expansion. En son honneur, ce fait scientifique est connu sous le nom de loi de Hubble-Lemaître, et la vitesse à laquelle il se développe est connue sous le nom de constante de Hubble.

Hubble est équipé d'un miroir principal de 2,4 mètres (7,8 pieds) de diamètre et d'un miroir secondaire de 30,5 cm (12 pouces). Les deux miroirs sont fabriqués à partir d'un type de verre spécial revêtu d'aluminium et d'un composé réfléchissant la lumière ultraviolette.

Avec sa suite de cinq instruments scientifiques, Hubble est capable d'observer l'Univers dans les longueurs d'onde ultraviolettes, visibles et proche infrarouge. Ces instruments comprennent les éléments suivants:

Caméra planétaire grand champ: un appareil d'imagerie à haute résolution principalement destiné aux observations optiques. Sa version la plus récente - la caméra grand champ 3 (WFC3) - est capable de faire des observations dans les longueurs d'onde ultraviolettes, visibles et infrarouges. Cette caméra a capturé des images de tout, des corps du système solaire et des systèmes stellaires voisins aux galaxies de l'univers très éloigné.

Spectrographe Cosmic Origins (COS): un instrument qui divise le rayonnement ultraviolet en composants qui peuvent être étudiés en détail. Il a été utilisé pour étudier l'évolution des galaxies, des noyaux galactiques actifs (aka. Quasars), la formation des planètes et la distribution des éléments associés à la vie.

Caméra avancée pour les enquêtes (ACS):une caméra à lumière visible qui combine un large champ de vision avec une qualité d'image nette et une sensibilité élevée. Il a été responsable de nombreuses images les plus impressionnantes de l’espace lointain de Hubble, a localisé des planètes extrasolaires massives, aidé à cartographier la distribution de la matière noire et détecté les objets les plus éloignés de l’Univers.

Spectrographe d'imagerie du télescope spatial (STIS): une caméra associée à un spectrographe sensible à une large gamme de longueurs d'onde (de l'optique et de l'UV au proche infrarouge). Le STIS est utilisé pour étudier les trous noirs, les étoiles monstres, le milieu intergalactique et les atmosphères des mondes autour d'autres étoiles.

Caméra proche infrarouge et spectromètre multi-objets (NICMOS):un spectromètre sensible à la lumière infrarouge, qui a révélé des détails sur les galaxies éloignées, les étoiles et les systèmes planétaires qui sont autrement obscurcis par la lumière visible par la poussière interstellaire. Cet instrument a cessé ses activités en 2008.

Les "Grands Observatoires" et plus encore!

Entre 1990 et 2003, la NASA a envoyé trois autres télescopes dans l'espace qui (avec Hubble) est devenu connu comme les Grands Observatoires. Ceux-ci comprenaient le Observatoire Compton Gamma Ray (1991), le Observatoire de rayons X Chandra (1999), le Télescope spatial infrarouge Spitzer (2003).

En 1999, l'ESA a envoyé le X-ray multi-miroir Newton (XMM-Newton) observatoire de l'espace, nommé en l'honneur de Sir Isaac Newton. En 2001, ils ont envoyé le Sonde d'anisotropie micro-ondes Wilkinson (WMAP) dans l'espace, qui a succédé à COBE en effectuant des mesures plus précises du CMB.

En 2004, la NASA a lancé le Explorateur Swift Gamma Ray Burst (alias. l'Observatoire Neil Gehrels Swift). Cela a été suivi en 2006 par l'ESA Convection, rotation et transits planétaires (COROT) Mission d'étude des exoplanètes.

2009 a été une année exceptionnelle pour les télescopes spatiaux. Au cours de cette année, le Observatoire spatial Herschel, la Télescope infrarouge à grand champ (WISE), le Planckobservatoire, et le Télescope spatial Kepler. Alors que Herschel et WISE étaient dédiés à l'astronomie infrarouge, Planck repris là où il s’était arrêté en étudiant le CMB.

Le but de Kepler était de faire progresser l'étude des planètes extrasolaires (c'est-à-dire des planètes qui gravitent autour des étoiles au-delà du système solaire). Grâce à une méthode connue sous le nom de photométrie de transit, Kepler a repéré des planètes alors qu'elles passaient devant leurs étoiles (ou transité), ce qui a entraîné une baisse de luminosité observable.

L'ampleur de ces creux et la période avec laquelle ils se produisent permettent aux astronomes de déterminer la taille et la période orbitale d'une planète. Grâce à Kepler, le nombre d'exoplanètes connues a augmenté de façon exponentielle.

Aujourd'hui, il y a eu plus de 4000 découvertes confirmées (et 4900 en attente de confirmation), dont Kepler est responsable de la découverte de près de 2800 (avec 2420 autres en attente de confirmation).

En 2013, l'ESA a lancé le Gaia mission, un observatoire d'astrométrie et le successeur de la Hipparcos mission. Cette mission a rassemblé des données sur plus d'un milliard d'objets (étoiles, planètes, comètes, astéroïdes et galaxies) pour créer le catalogue spatial 3D le plus grand et le plus précis jamais réalisé.

En 2015, l'ESA a également lancé le Antenne spatiale à interféromètre laser Pathfinder (LISA Pathfinder), le tout premier observatoire dédié à la mesure des ondes gravitationnelles depuis l'espace. Et en 2018, la NASA a envoyé le Satellite d'enquête sur les exoplanètes en transit (TESS) - Keplersuccesseur de l 'espace pour rechercher plus d' exoplanètes.

Futurs télescopes spatiaux

Dans les décennies à venir, les agences spatiales du monde prévoient de lancer des télescopes spatiaux encore plus sophistiqués avec une résolution encore plus élevée. Ces instruments permettront aux astronomes de revenir sur les premières périodes de l'Univers, d'étudier en détail les planètes extrasolaires et d'observer le rôle joué par la matière noire et l'énergie noire dans l'évolution de notre univers.

Télescope spatial James Webb (JWST), un télescope infrarouge construit avec le généreux soutien de l'ESA et de l'Agence spatiale canadienne (ASC). Cet observatoire, successeur spirituel de Hubble et Spitzer, sera le télescope spatial le plus grand et le plus complexe à ce jour.

Contrairement à ses prédécesseurs, le JWST observera l'Univers dans la lumière visible aux longueurs d'onde infrarouges moyennes, ce qui lui donnera la possibilité d'observer des objets trop vieux et trop éloignés pour que ses prédécesseurs puissent les observer.

Cela permettra aux astronomes de voir suffisamment loin dans l'espace (et dans le temps) pour observer la première lumière après le Big Bang et la formation des premières étoiles, galaxies et systèmes solaires.

Il y a aussi les ESA Euclide mission, dont le lancement est prévu pour 2022. Ce télescope spatial sera optimisé pour la cosmologie et l'exploration de «l'univers sombre». À cette fin, il cartographiera la distribution de jusqu'à deux milliards de galaxies et la matière sombre associée sur 10 milliards d'années-lumière.

Ces données seront utilisées pour créer une carte 3D de l'Univers local qui fournira aux astronomes des informations vitales sur la nature de la matière noire et de l'énergie noire. Il fournira également des mesures précises à la fois de l'expansion accélérée de l'Univers et de la force de gravité à l'échelle cosmologique.

D'ici 2025, la NASA lancera le Télescope spatial infrarouge à grand champ (WFIRST), un télescope infrarouge de nouvelle génération dédié à la détection des exoplanètes et à la recherche sur l'énergie noire. Son optique avancée et sa suite d'instruments lui donneraient, semble-t-il, plusieurs centaines de fois l'efficacité de Hubble (dans la longueur d'onde proche infrarouge).

Une fois déployé, WFIRST observera les premières périodes de l'histoire cosmique, étudiera l'énergie noire et mesurera la vitesse à laquelle l'expansion cosmique s'accélère. Il s'appuiera également sur les fondations construites par Kepler en menant des études d'imagerie directe et la caractérisation des exoplanètes.

Le lancement de l'ESA Transits PLAnetary et oscillations des étoiles(PLATO) suivra en 2026. À l'aide d'une série de petits télescopes à grand champ optiquement rapides, PLATO recherchera des exoplanètes et caractérisera leurs atmosphères pour déterminer si elles pourraient être habitables.

En regardant encore plus loin, un certain nombre de choses intéressantes sont prévues pour l'astronomie spatiale. Des propositions sont déjà en place pour des télescopes de prochaine génération qui offriront une puissance et des capacités d'observation encore plus grandes.

Au cours de la récente enquête décennale 2020 pour l'astrophysique organisée par la Direction des missions scientifiques de la NASA (SMD), quatre concepts de mission phares ont été considérés comme s'appuyant sur l'héritage établi par Hubble, Kepler, Spitzer, et Chandra.

Ces quatre concepts incluent le Grand arpenteur ultraviolet / optique / infrarouge (LUVOIR), le Télescope spatial Origins (OST), le Imageur d'exoplanètes habitable (HabEx) et le Arpenteur à rayons X Lynx.

La NASA et d'autres agences spatiales travaillent également à la réalisation d'un assemblage dans l'espace (ISA) avec des télescopes spatiaux, où des composants individuels seront envoyés en orbite et assemblés là-bas. Ce processus supprimera le besoin de véhicules de lancement particulièrement lourds capables d'envoyer des observatoires massifs dans l'espace - un processus qui est très coûteux et risqué.

Il y a aussi le concept d'observatoires constitués d'essaims de miroirs de télescope plus petits ("télescopes en essaim"). Tout comme les tableaux à grande échelle ici sur Terre - comme le Interféromètre de base très longue (VLBI) et le Télescope Event Horizon (EHT) - ce concept revient à combiner la puissance d'imagerie de plusieurs observatoires.

Ensuite, il y a l'idée d'envoyer des télescopes spatiaux capables de s'assembler. Cette idée, proposée par le professeur Dmitri Savransky de l'Université Cornell, impliquerait un télescope d'environ 30 mètres (100 pieds) composé de modules qui s'assembleraient de manière autonome.

Ce dernier concept a également été proposé lors de l'enquête décennale 2020 et a été sélectionné pour le développement de la phase I dans le cadre du programme 2018 de la NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC).

L'astronomie spatiale est un phénomène relativement nouveau dont l'histoire est inextricablement liée à l'histoire de l'exploration spatiale. Les premiers télescopes spatiaux ont suivi le développement des premières fusées et satellites.

Alors que la NASA et Roscosmos ont acquis une expertise dans l'espace, les observatoires spatiaux ont augmenté en nombre et en diversité. Et alors que de plus en plus de nations rejoignaient l'ère spatiale, de plus en plus d'agences spatiales ont commencé à effectuer des observations astronomiques depuis l'espace.

Aujourd'hui, le domaine a bénéficié de l'essor de l'interférométrie, de la miniaturisation, des systèmes robotiques autonomes, des logiciels analytiques, des algorithmes prédictifs, du transfert de données à haut débit et de l'optique améliorée.

À ce rythme, ce n'est qu'une question de temps avant que les astronomes voient l'Univers dans les premiers stades de formation, découvrent les mystères de la matière noire et de l'énergie noire, localisent les mondes habitables et découvrent la vie au-delà de la Terre et du système solaire. Et il ne serait pas surprenant que tout se passe simultanément!

  • ESA - PLATO
  • ESA - Présentation d'Euclid
  • ESA - Télescope spatial Hubble
  • NASA - Télescope spatial Hubble
  • NASA - Télescope spatial Spitzer
  • Wikipédia - Liste des télescopes spatiaux
  • Space.com - Principaux télescopes spatiaux
  • NASA - Télescope spatial James Webb
  • Scientific American - Le premier télescope spatial au monde


Voir la vidéo: Cest pas sorcier -VERY LARGE TELESCOPE: lUnivers dans un miroir (Octobre 2021).