Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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92 L’astrophysique et l’exploration de l’Univers Herschel Space Observatory Ce grand télescope spatial doit son nom à William Herschel (1738-1822), astronome anglais d’origine allemande, qui découvrit le rayonnement infrarouge en 1800. On lui doit aussi la découverte de la planète Uranus et de ses deux principaux satellites. Description• Dimensions : 7 m de haut pour un diamètre de 4,3m.• Poids : 3,25 tonnes.• Lancement : le 14 mai 2009, par une fusée Ariane 5, à partir du Centre spatial guyanais de Kourou.•Position : au point de Lagrange 2 du système Terre/Soleil.• Durée de vie de la mission : 3 ans. Domaine spectral Gamme de 60 à 670 μm correspondant au rayonnement d’objets cosmiques froids, aux alentours de 10 Kelvin : nuages du milieu interstellaire, régions de formation stellaire, enveloppes d'étoiles à la fin de leur vie. Objectifs scientifiques Identifier et étudier les premières phases de la formation des étoiles ainsi que les principales époques d'assemblage des galaxies. Instruments• PACS (pour Photoconductor Array Camera and Spectrometer), composée d'un photomètre imageur avec ses deux voies de matrices de bolomètres refroidis à 300 mK (la plus grande caméra de bolomètres jamais réalisée) qui observera dans les longueurs d’onde de 60 à 200 microns et d'un spectromètre constitué de deux blocs photoconducteurs dans les bandes 57 à 210 μm.• SPIRE (pour Spectral and Photometric Imaging Receiver) doté d’un photomètre imageur sur trois bandes simultanées (250 μm, 350 μm et 500 μm) et d'un spectromètre FTS VLT-VISIR Visir est une caméra-spectromètre infrarouge qui équipe le troisième téles cope du VLT européen situé au Chili : des acro - nymes Very Large Telescope (VLT) et Imager and Spectrometer for the Infra Red (VISIR). Domaine spectral Infrarouge moyen avec deux fenêtres d’observation à partir du sol : longueurs d’onde entre 8 et 13 micromètres et entre 17 et 24 micromètres. Description• Dimensions : 1,2 m de diamètre pour 1m de hauteur.• Poids : 1,6 tonne.• Lancement : pas de lancement ; au sol.• Position : caméra-spectromètre placée au foyer du télescope numéro 3 du VLT CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 à moyenne résolution (200-300 μm et 300- 670 μm) complémentaire pour couvrir les longueurs d'onde de 200 à 600 microns. Ces deux instruments ne peuvent fonctionner qu’à une température proche du zéro. Aussi, un cryostat assure-t-il une température moyenne de 2°K (- 271 °C) à Herschel tandis que des cryoréfrigérateurs refroidissent les bolomètres de PACS et SPIRE à 0,3 °K (-272,85 °C). La maîtrise du froid se justifie doublement. D’abord pour refroidir les structures afin que leur température ne dépasse pas celle des objets à détecter et ensuite pour que le fonctionnement des bolomètres repose sur la mesure de variations de températures : lorsqu’ils absorbent les photons du rayonnement, leur température s’élève et donc, en utilisant une structure froide, la moindre absorption de photons pourra être détectée.• HIFI (pour Heterodyne Instrument for Far- Infrared), un spectromètre à très haute résolution spectrale, utilisant les techniques plus classiques de la radio-astronomie et couvrant le domaine 170-625 μm. Collaborations Construit par un consortium européen de laboratoires spatiaux avec l’Agence spatiale européenne (Esa) comme maître d’ouvrage. Rôle du CEA Conception : • de la caméra PACS et de ses détecteurs ; • de l'électronique de l'instrument SPIRE. En complément des systèmes de détection, l’Irfu a développé les fonctions électroniques indispensables à leur mise en œuvre. En effet, en raison de la réduction ou de l’absence de rayonnement parasite, l’environnement spatial permet l’accès à des mesures de très faible niveau de bruit. Le bruit propre de l’électronique embarquée doit donc demeurer inférieur au bruit de détection, ce qui nécessite, (dénommé MELIPAL) installé au nord du Chili, sur le mont Paranal, à 2 600 mètres d’altitude.• Durée d’opération : jusqu’en 2014, date à laquelle VISIR sera dépassé par l’instrument MIRI (pour Mid Infra Red Instrument) du JWST (pour James Webb Space Telescope). Objectifs scientifiques Observer les poussières et les gaz tièdes (entre 50 et 500 K) de l’Univers : des comètes aux quasars avec un accent mis sur l’observation des disques circumstellaires dans lesquels se forment les planètes. Instruments Une caméra et un spectromètre placés dans un cryostat pour être refroidis à 15 °K (- 258 °C) pour la structure mécanique et les Vue d’artiste du télescope Herschel. en particulier, l’utilisation de détecteurs dotés de moyens de refroidissement cryogéniques et donc le développement des fonctions électroniques associées. SPIRE possède une unité d’électronique comprenant 350 voies à très bas bruit (quelques milliardièmes de volt) et à forte dynamique (plus d’un million) conçue en collaboration avec le Jet Propulsion Laboratory (JPL) tandis que PACS utilise une unité d’électronique analogique entièrement développée par le SAp. Cette unité comprend, outre les 160 voies de traitement analogique des signaux, les fonctions de polarisation du détecteur et les fonctions associées au système cryogénique. Des voies de mesures de températures ont fait l’objet d’un développement avec l’Institut nanosciences et cryogénie (Inac). Une résolution de 10 μK à –273°C a pu être atteinte. Afin d’assurer la communication de cette unité avec le reste de l’instrument, une interface au standard ESA SpaceWire a été développée par le SAp sous la forme d’un module de propriété intellectuelle et a été diffusée au sein du consortium PACS. > Marc Sauvage et Christophe Cara Service d’astrophysique (SAp) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) Unité mixte de recherche astrophysique interactions multi-échelles (CEA-Université Paris 7-CNRS) CEA Centre de Saclay (Orme des Merisiers) optiques, à 8 °K (- 265 °C) pour les détecteurs. VISIR est solidaire du télescope et tourne avec lui pour viser l'objet étudié. Les quatre télescopes de 8 mètres de diamètre du programme VLT de l’ESO. ESA ESO
Cassini-CIRS CIRS (pour Composite Infrared Spectrometer) est un des instruments de la mission Cassini qui étudie Saturne, ses anneaux et son système de satellites. Cette sonde fut ainsi nommée pour rappeler que l'on doit à l’astronome Jean-Dominique Cassini (1625- 1712) la découverte des quatre principaux satellites de Saturne ainsi qu’une division dans ses anneaux. Domaine spectral Lumière infrarouge émise par la planète Saturne, ses anneaux et ses satellites (7-9 μm, 9-17 μm, 17-1 000 μm). Description• Dimensions : télescope de 50,8 cm de diamètre.• Poids : 40 kg.• Lancement : embarqué sur la sonde Cassini-Huygens, lancée en 1997 à Cap Canaveral.• Position : mis en orbite autour de la planète Saturne après plus de six ans et demi de voyage interplanétaire.• Durée de vie de la mission : les 78 révolutions effectuées pendant la mission nominale (2004-2008) et les 250 révolutions au cours de la mission étendue (2010-2017). Objectifs scientifiques Étudier la dynamique et la structure des particules constituant les anneaux de Saturne, identifier les composants chimiques et expliquer la météorologie des atmosphères de la planète et de son satellite Titan. Instruments CIRS observe à travers un spectromètre sur trois détecteurs : • le premier, nommé FP 1 (pour plan focal) couvre le domaine submillimétrique (20-1000 μm) ; • les deux autres, nommés FP 3 et FP 4, Collaborations Franco-hollandaise dans le cadre d’un contrat avec l’European Southern Observatory (ESO). Rôle du CEA• Maîtrise d’œuvre du projet.• Responsabilité scientifique.• Conception et réalisation de l’ensemble de l’instrument, exception faite du spectromètre, réalisation hollandaise.• Conception d’un actuateur original pour assurer le mouvement des différentes roues dans l’instrument (roue à filtre, champs de vue…) et le positionnement, très précis, des éléments optiques ; actuateur fonctionnant aussi bien à température ambiante qu’à basse température (-253 °C). Dès le début du programme VLT, l’ESO a prévu un ambitieux plan d’instrumentation pour renferment chacun une barrette de dix détecteurs et observent dans l'infrarouge moyen, de 7 à 18 μm. La finesse de mesure de ces instruments est dix fois meilleure que celle de son prédécesseur, le spectromètre IRIS des sondes Voyager, et leur sensibilité au moins mille fois plus grande. Collaborations États-Unis, Grande-Bretagne et France. Rôle du CEA Réalisation : •de la barrette du détecteur du plan focal FP4 et de son électronique de traitement. Cette barrette se compose de 10 détecteurs photovoltaïques de très haute détectivité dans le domaine 7-9 μm. Le développement de barrettes de très haute sensibilité a constitué un réel challenge, surtout pour éliminer les défauts dans le matériau générateurs de bruit ; • de l’électronique de traitement du signal composée de filtres très discriminants. Les anneaux de Saturne ont été observés comme jamais auparavant : sous différents angles de vue, régulièrement, à l’échelle de quelques heures, de quelques mois ou de plusieurs années, afin de suivre les effets saisonniers. Pour la première fois, l’instrument CIRS a mesuré la température des anneaux, sur la face sud éclairée par le Soleil et sur la face nord à l’ombre. Le contraste de température permet de sonder la structure verticale du disque. Par ailleurs, il s’avère que les particules des anneaux présentent un hémisphère plus froid que l’autre, mettant indirectement en évidence qu’une fraction d’entre elles tournent lentement autour d’elles-mêmes. Une variation de l’émission thermique a également été détectée tout au long de l’anneau A, le plus éloigné de la équiper les télescopes. Il a donc lancé un appel à la communauté astrophysique européenne pour cibler les instruments les plus pertinents. Les astrophysiciens du CEA, pionniers en Europe pour leurs observations d’imagerie dans l’infrarouge moyen à partir du sol, ont alors proposé VISIR qui fut sélectionné. L’étude et la réalisation de cet instrument a demandé 10 ans et mis en jeu de nombreux métiers dans les différents services de l'Irfu (management, contrôle projet, ingénierie des systèmes, optique, mécanique, vide, cryogénie, contrôle commande, électronique, détection…). Les instruments infrarouge devant être refroidis pour ne pas émettre de lumière infrarouge, nécessitent d’être placés dans une enceinte à vide qui les isole thermiquement de l'environnement. Trois machines frigorifiques très performantes permettent d'atteindre les CIRS/JPL/NASA La température des anneaux de Saturne déterminée par le spectromètre infrarouge CIRS : de la plus froide (en bleu) vers la plus chaude (en rouge). L’anneau bleu, le plus épais, est le plus froid, les particules se cachant plus facilement du Soleil, la source de chauffage. planète. Elle s’explique par la présence de grumeaux de particules, appelés ondes d’auto-gravité, lesquels se forment à la périphérie des anneaux, là où les effets de marée sont suffisamment faibles pour que les particules arrivent à s’attirer mutuellement sous l’effet de la gravitation. Les mesures de CIRS permettent de déterminer, très précisément, la taille de ces structures, à peine hautes et larges d’une dizaine de mètres, bien en deçà de la résolution spatiale de l’instrument, de l’ordre de plusieurs milliers de kilomètres. L’année 2009 a vu l’équinoxe de Saturne, au cours de laquelle le Soleil est passé de la face sud à la face nord des anneaux, une opportunité rare d’étudier leur structure. > Cécile Ferrari et Louis Rodriguez Service d’astrophysique (SAp) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) Unité mixte de recherche astrophysique interactions multi-échelles (CEA-Université Paris 7-CNRS) CEA Centre de Saclay (Orme des Merisiers) basses températures requises. Il s’agit d’une matrice, de 256 x 256 pixels, fabriquée par Boeing. Après des tests intensifs réalisés au CEA/Saclay, VISIR a été livré, en 2004, et délivre depuis des images avec une finesse de détail dix fois supérieure à celle des petits télescopes spatiaux, comme le satellite Spitzer de la NASA. En revanche, sa sensibilité, limitée par le fort fond de lumière infrarouge émis par le télescope et l’atmosphère, s’avère bien moindre. > Pierre-Olivier Lagage Service d’astrophysique (SAp) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) Unité mixte de recherche astrophysique interactions multi-échelles (CEA-Université Paris 7-CNRS) CEA Centre de Saclay (Orme des Merisiers) CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 93



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