L'astronautique c'est avant tout une science appliquée, c'est-à-dire des technologies et des sciences au service des hommes avec des résultats concrets et pourquoi pas des découvertes. En matière d'astronomie, les missions spatiales nous ont permis d'étudier le ciel et d'explorer le système solaire comme jamais auparavant. La moisson de découvertes est inimaginable.

Cette technologie peut s'enorgueillir de centaines de fleurons parmi lesquels nous pouvons citer les satellites METEOSAT, COBE, SOHO, HIPPARCOS, SPOT ainsi que les sondes spatiales VIKING, VOYAGER, GIOTTO, CASSINI et bien d'autres.

Nous n'en passerons que deux en revue qui intéressent de près les astronomes, le Télescope Spatial Hubble (HST) et le futur James Webb Space Telescope (JWST) sans oublier quelques sondes spatiales qui ont marqué leur époque en nous révélant le visage réel de mondes jusqu'ici inconnus. Nous dirons également quelques mots sur le projet d'ascenseur spatial de plus en plus mytique.

Le Télescope Spatial Hubble

Sommet de l'art technologique, Hubble fut construit conjointement par la NASA et l’ESA. Nous devons ce télescope orbital à une idée géniale de l’astrophysicien américain Lyman Spitzer de l’Université de Princeton qui imagina à la fin des années 1950 de construire un télescope spatial capable de détrôner le télescope de 5m du mont Palomar qui venait juste d’être mis en service en Californie. Son nom rend hommage au célèbre astronome qui sonda l’univers profond et démontra le mouvement d’expansion de l’univers, histoire que nous détaillerons dans un autre dossier.

C’est en fait le manque de responsabilité du Congrès américain, les erreurs de gestion de la NASA, le retard des négociations concernant les retombées européennes, le remplacement des lanceurs puis la catastrophe de Challenger en 1986 qui postposèrent le lancement de ce fameux observatoire.

A consulter : Astrophysical Missions (ESA)

Lancement du Télescope Spatial Hubble de 2.40m à partir de la navette spatiale Discovery le 24 avril 1990. Il fut placé sur une orbite circulaire à 610 km d'altitude. Documents NASA/HST/STSCI.

Hubble est directement dérivé des satellites espions Keyhole dont le miroir primaire mesurait 2.3 m de diamètre et dont la résolution à 300 km d'altitude est voisine de 10 cm au sol. Prêt au début des années 1980, Hubble fut placé sur orbite le 24 avril 1990 à 610 km d'altitude. Il consiste en un télescope Ritchey-Chrétien de 2.40 m de diamètre et d'un rapport focal de f/24. Rappelons que parmi les nombreuses conceptions optiques (télescope de Newton, Schmidt, etc), un télescope Ritchey-Chrétien présente l'une des meilleures corrections des aberrations optiques. Il se paye également au prix fort.

Le Télescope Spatial Hubble fut construit pour sonder les confins de l'univers jusqu'à 15 milliards d'années-lumière et observer les étoiles individuelles dans les autres galaxies. Bourré d'électronique et de senseurs, il permet d'observer l'univers dans une gamme de longueurs d'ondes inaccessibles du sol qui s'étendent de 110 à 1100 nm. Le gain en résolution est 5 fois supérieur aux meilleurs télescopes terrestress actuels et ses détecteurs permettent de sonder l'univers jusqu'à la magnitude +30 (entre 200 et 400 nm) lors des plus longues poses. Le champ photographique théorique est de 28', l'équivalent de la pleine Lune.

Cette masse de plus de 11.7 tonnes et de 13.2 m de longueur est capable malgré son inertie, de pointer une étoile de 14.5e magnitude avec une précision de 0.07". Sa puissance est de 5 kW et il débite ses informations à la vitesse de 1 MB/sec, aussi vite qu'une connexion ADSL ! Ces caractéristiques n'ont jamais été égalées.  Son prix non plus : il coûta 2 milliards de dollars !

Mais dès sa mise en orbite, le Télescope Spatial Hubble s'est révélé très déficient. Ce joyau brillait d'un éclat terne, les images étaient floues ou déformées. Les concepteurs n'en crurent par leurs yeux... Mais l'instrument étant à présent mis sur orbite, il n'était pas question de le ramener sur Tere; il fallait l'utiliser tel quel ou plutôt essayer de le réparer sur orbite. 

Les scientifiques décidèrent alors de remplacer plusieurs instruments. Fin 1993 un module optique fut mis en place pour corriger la "myopie" dont souffrait son miroir primaire mais sacrifia le photomètre. L’une des caméras fut également remplacée. Deux nouveaux spectrographes l'équipèrent en 1996, corrigés pour l'aberration de sphéricité et une nouvelle caméra planétaire à grand champ fut installée en 1999.

A voir : Hubble@NASA - Hubble site - The Hubble Heritage Project - STScI

Comparaison des images du champ stellaire de 30 Doradus dans le Grand Nuage de Magellan, à gauche photographié depuis le sol (résolution de 0.6"), au centre avant la maintenance du Télescope Spatial Hubble et à droite après remplacement de la caméra à grand champ WFC1 par la caméra WFC2. Document STSCI.

Hubble est aujourd'hui équipé d'une caméra proche infrarouge maintenue à -180°C, d'un spectromètre (NICMOS), d'une caméra de qualité "supérieure" (ACS) qui remplaça la célèbre FOC, d'une deuxième caméra grand champ et d'observation planétaire (WFPC2) ainsi qu'un système d'imagerie spectrographique (STIS). Plusieurs de ces instruments peuvent également servir de spectromètre. L'ensemble est complété par des détecteurs d'orientation à haute résolution (FGS) pouvant également être utilisés à des fins scientifiques. Le télescope puise son alimentation électrique grâce à deux panneaux solaires dont les plaques photovoltaïques sont dérivées du système Comsat d'Iridium. 

Conçu au départ pour servir les astronomes durant une quinzaine d'années, suite à l'accident de la navette Columbia les maintenances du HST ne seront assurées qu'en cas d'extrême nécessité. In extremis, fin 2006 la NASA décida de lui offrir une nouvelle caméra lors de la 5^eme mission de maintenance qui devrait reporter de 5 ans sa mise à la retraite, aujourd'hui prévue en 2013. Ensuite, on s'attend malheureusement à ce que ses gyroscopes assurant sa stabilité sur orbite tombent en panne, entraînant la fin de la mission scientifique d'Hubble. Sans ses gyroscopes Hubble prendra irrémédiablement sa position dans le gradient de gravité... Il devrait rentrer dans l'atmosphère avant 2022, tout dépendant de l'activité solaire et de son impact sur la haute atmosphère.

Ceci dit Hubble est déjà un défi pour les chercheurs. Les programmes de traitement d'images n'ont jamais été aussi performants et les ingénieurs, opticiens ou électroniciens imaginent des solutions dignes des prouesses de Jules Verne.

Malgré ses défauts, Hubble laisse déjà loin derrière lui les observatoires au sol. Sa résolution actuelle est voisine de 0.1" d'arc, soit trois à dix fois supérieure à celle des meilleurs télescopes terrestres. Ses images planétaires sont comparables à celles prises par les sondes spatiales. Il a déjà permis de distinguer des détails sur la surface de Pluton et de séparer son satellite Charon, résolu l'amas globulaire M15 en étoiles et séparé en étoiles distinctes des amas qui au sol ressemblaient à des nébulosités. Il a déjà obligé les astrophysiciens à réviser certains de leurs modèles. Ainsi, observé en ultraviolet l'amas globulaire 47 Tucana a révélé des centaines d'étoiles bleues supergéantes que l'on ne pensait pas trouver dans de tels amas; le coeur de la radiosource NGC 1068 a été séparé en 4 ou 5 noyaux; la nébulosité diffuse entourant l’étoile Eta Carina a été résolue et confirme qu’il y a bien eu libération de matière, la nébuleuse M16 de l’Aigle a révélé de jeunes étoiles et des nuages protostellaires, autant de structures qui n'avaient jamais été observées jusqu'alors; selon toute vraisemblance un trou noir aurait été découvert dans le noyau de la galaxie active NGC 4261; enfin la caméra dédiée à l'observation des objets faiblement lumineux (FOC) a pu confirmer la présence d'hélium dans le jeune univers en analysant la lumière émise par des quasars très éloignés. Et les découvertes se succèdent.

Le James Webb Space Telescope, ex-NGST

Le JWST est un télescope optique équipé d'un miroir primaire composite constitué de 18 segments hexagonaux en beryllium et mesurant 6.5 m de diamètre pour un poids total de 3.6 tonnes. Il est 2.5 fois plus grand et capte 6 fois plus de lumière que le HST pour un coût trois fois inférieur. Il sera capable d'enregistrer des galaxies situées entre 13 et 14 milliards d'années-lumière, présentant un redshift Z entre 15 et 30.

Il fut construit par Northrop Grumman, une société bien connue pour ses "ailes volantes". La NASA est son principal partenaire avec une participation signification de l'ESA et de l'agence spatiale canadienne, le CSA.

Le JWST devrait être lancé en 2011 par une fusée Ariane 5 et sera placé sur le point L2 de l'orbite de Halo (derrière la Terre sur l'axe Soleil-Terre) pour une mission de 10 ans. Le point L2 est situé à 1.5 millions de km de la Terre et sera rejoint par le télescope au terme d'un voyage de 3 mois. Etant situé hors de portée de la navette spatiale une fois sur son orbite il sera abandonné à lui-même, uniquement piloté par radio à partir des antennes du réseau STSCI de Baltimore.

A lire : NGST response (PDF de 768 KB)

Dessins du futur James Webb Space Telescope (JWST) communément appelé le Next Generation Space Telescope, NGST, qui sera lancé en 2011. Documents NASA/GSFC.

Le JWST travaillera essentiellement en infrarouge entre 0.6-32 µm de longueur d'onde. Il disposera d'une caméra (au HdCdTe) fonctionnant dans le proche infrarouge et la lumière visible baptisée NIRCam, d'un spectrographe proche infrarouge baptisé NIRSpec et d'un instrument proche infrarouge équipé d'une autre caméra (au silicium) et d'un second spectrographe, MIRI. La technologie CCD sera celle de fin 2003.

Les détecteurs CCD visible et proche infrarouge présentent une résolution de 2048 x 2048 pixels et de 1024 x 1024 pixels dans l'infrarouge moyen. Plusieurs capteurs peuvent être juxtaposés pour augmenter le champ photographique.

La résolution angulaire est d'environ 0.1" à 2 microns. Le télescope est protégé du rayonnement direct du Soleil ce qui permet de le refroidir sous 45 K(-228°C). Les instruments proche-infrarouge sont refroidis jusque 30 K (-243°C) et les infrarouges moyens jusqu'à 7 K (-267°C).

Le JWST aura pour mission d'observer les étoiles et les galaxies afin de connaître leur évolution ainsi que celle de l'univers. Il sera capable de détecter directement des exoplanètes de la taille de Jupiter et de mesurer avec plus de précision les effets de la matière sombre sur les lentilles gravitationnelles. Indirectement, grâce aux lentilles gravitationnelles il devrait également pouvoir détecter des exoplanètes de la taille de la Terre à plus de 30000 années-lumière, mais ce ne sera pas sa tâche principale.

Avec le télescope Spitzer, SIM, TPF et le JWST les astronomes disposent de quatre fleurons technologiques avec lesquels ils espèrent observer les contrées les plus reculées de l'univers à la recherche de nos origines.

L'ascenseur spatial

Citons enfin le projet d'ascenseur spatial qui, à l'image du propulseur Mass driver, revient à l'avant-scène depuis qu'il est question de coloniser la Lune et de trouver une solution économique au remplacement des navettes spatiales.

L'ascenseur spatial est une idée inventée par Arthur C.Clarke en 1978 dans son roman "Les Fontaines du Paradis" dans lequel il parle d'un transporteur spatial érigé au niveau de l'équateur. Il consiste en un immense ruban plat de 35000 km de longueur pour 20 cm à 1 mètre de largeur et une fraction de millimètre d'épaisseur. Plusieurs versions ont été proposées. Dans l'une, en raison des effets de la force centrifuge, du déplacement des charges utiles et du vent, il serait complété par un contre-poids qui pourrait s'étendre jusqu'à 144000 km, soit plus d'un tiers de la distance Terre-Lune.

Dans sa version la plus récente, l'ascenseur spatial utiliserait des nanotubes à paroi simple ou multiples, sa force de tension étant comprise entre 65 et 120 GPa, ce qui est 20 fois plus résistant qu'un cable en acier et 6 fois plus résistant qu'un cable en fibre de quartz. Son centre de gravité se situerait au niveau de l'orbite géostationnaire vers 35786 km et il se maintiendrait sous l'effet de la force centrifuge comme une corde que l'on ferait tourner au bout du bras. 

Une plate-forme mobile y serait fixée afin de transporter sur orbite ou vers la Lune n'importe quelle charge utile. La plate-forme se déplacerait non pas au moyen de cables pour des raisons techniques mais en s'accrochant sur le ruban avec des mâchoires mobiles. 

Deux aspects de l'ascenseur spatial. Documents NASA et LiftPort.

Financièrement, l'ascenseur spatial coûte aussi cher que le programme des navettes spatiales mais c'est en revanche un outil très rentable. A l'heure actuelle la mise en orbite d'un kilo de charge utile coûte entre 15-20000 dollars. Avec l'ascenseur nous parlons d'un budget de quelques centaines de dollars seulement.

Ce projet ainsi que le propulseur "Mass driver" verront probablement le jour dans quelques dizaines d'années, un siècle au plus tard, tout dépendant des sources de financement et de la stratégie à long terme des éventuelles nations ou mécènes impliqués dans ces projets futuristes mais loin d'être chimériques. 

Certains scientifiques, tel Bradley C. Edwards de l'Institute for Scientific Research envisage sa construction dès 2015 pour un investissement de 10 milliards de dollars, soit 2.5 fois le prix d'investissement dans une nouvelle navette. Il oublie toutefois de préciser que pour construire cet ascenseur nous devons envoyer sur orbite plus de mille navettes spatiales... Aussi en attendant, son employeur ainsi que le Congrès lui ont accordé un budget de 3 millions de dollars pour réfléchir à la question.

Compte tenu des aléas de tels programmes, il s'agit plutôt d'un appel aux mécènes, comme il en eut pour construire le VLT, le radiotélescope Allen de l'Institut SETI ou assurer la survie du projet Biosphère 2.

Car une fois le plan financier établi et le budget voté, il faut non seulement construire cette structure mais il faut s'en servir, veiller à sa sécurité et assurer sa maintenance. Or à l'heure actuelle, ni la NASA ni aucune autre agence spatiale ne peut garantir la survie de tels projets qui dépendent de la manne financière du pouvoir public. Déjà aujourd'hui la NASA réchigne à réparer des satellites performants comme Hubble pour une question de sécurité ou de changement de politique. Ceci dit restons optimistes, un jour ou l'autre l'ascenseur spatial prendra son envol par nécessité, comme un jour, le tourisme spatial sera une réalité.

Prochain chapitre

L'exploration du système solaire

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