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Le ciel à découvert

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Jean Audouze

Sixième partie. De nouveaux regards sur le ciel

26. Espace et astronomie

Roger-Maurice Bonnet

Texte intégral

La révolution astronomique de l’espace

1Cinquante ans après le lancement du premier satellite artificiel de la Terre, Spoutnik-1, par les Soviétiques le 4 octobre 1957, il est possible d’évaluer l’impact des technologies spatiales sur le développement de l’astronomie. L’observation astronomique à l’aide d’engins capables d’évoluer au-dessus de l’atmosphère de la Terre date cependant de bien avant cette prouesse. Ces engins étaient développés dans des buts essentiellement militaires et il n’y a rien de surprenant que ce soient les scientifiques des puissances militaires à avoir été les pionniers de cette nouvelle astronomie. Ainsi, l’Allemand Karl-Otto Kiepenheuer tenta, mais en vain, à la fin de la première guerre mondiale, d’observer le spectre ultraviolet du Soleil à l’aide de spectromètres embarqués sur des obus de Grosse Bertha, les Américains Herbert Friedman et Richard Tousey réussirent cet exploit après la seconde à l’aide des fusées V2 allemandes, et l’on doit à l’Allemand Werner von Braun, d’avoir développé ce même V2 et orchestré le débarquement historique des hommes sur la Lune.

2Le but de ces premières tentatives scientifiques était de mieux connaître la haute atmosphère terrestre, l’ionosphère, et la région de transition vers l’espace plus lointain. Les astronomes étaient peu impliqués dans ces développements plus techniques que scientifiques, la plupart du temps initiés par des laboratoires de physique. En France, le Service d’Aéronomie du CNRS émanation du Laboratoire de Physique de l’École Normale Supérieure en offre une illustration. Rapidement cependant la communauté astronomique se tourna vers ces techniques dont les promesses n’étaient que rarement déçues (malgré les aléas techniques du transport spatial). L’Année géophysique internationale en 1957-1958 allait offrir le cadre scientifique propice au démarrage de cette nouvelle manière de faire de l’astronomie.

3L’astronomie spatiale se distingue de l’astronomie au sol en particulier par ses techniques très spécifiques d’observation, mais elle est devenue indissociable de l’astronomie tout court. La réciproque n’est pas vraie, les techniques spatiales servant de multiples autres besoins que la seule observation astronomique. Quelque 400 ans après que Galilée eut pointé la première lunette vers le ciel, et créé la première grande révolution de l’astronomie, l’avènement des techniques spatiales a créé la seconde. Comme le montre la série des tableaux 1 à 4, quatre puissances spatiales ont contribué à ce développement historique : les USA, l’URSS, l’Europe et le Japon.

Fig. 1 – Spectre solaire comparé au-dessus de l’atmosphère terrestre et au niveau du sol. (G. Rottman)

4La figure 1 reproduit le spectre solaire tel qu’observé hors de l’atmosphère et sur la surface terrestre. Avant l’ère spatiale, l’observation astronomique était limitée à la lumière visible et à quelques « fenêtres » du spectre électromagnétique infrarouge et radio. Molécules et atomes atmosphériques bloquent en effet totalement l’ultraviolet et le rayonnement X (O3, O2, O) au-dessous de 300 nm, et partiellement l’infrarouge (H2O, CO2) à partir de 750 nm et au-delà. L’observation astronomique à ces longueurs d’ondes requiert donc l’utilisation de ballons, fusées et satellites artificiels. Avant l’ère spatiale, les planètes du Système solaire quant à elles n’étaient qu’astres brillants parmi les champs d’étoiles et de galaxies.

5D’un coup, en quelques minutes, le temps pour les fusées de traverser les couches denses de l’atmosphère, on accédait à l’ultraviolet, aux rayons X et γ, à tout l’infrarouge et au domaine submillimétrique. L’observation n’était plus handicapée par aucun des effets perturbants de l’atmosphère : turbulence et réfraction. On pouvait s’approcher des planètes et de leurs satellites. Au cours des 50 dernières années, nous avons ainsi parcouru presque tout le Système solaire. Nous avons atterri sur la Lune, sur Vénus, Mars, Titan, sur des astéroïdes et bientôt grâce à la mission Rosetta de l’ESA, nous le ferons sur le noyau d’une comète. Avec les sondes Pioneer et Voyager de la NASA nous atteignons les limites de l’héliosphère et nous entamons l’exploration des territoires vierges de l’espace profond. Nous explorons les plus extrêmes des extrêmes de distance, de température, de vide, de densité, de gravité et de temps. Que reste-t-il à faire ? Nous tenterons de répondre à cette question à la fin de ce chapitre. Auparavant, il est nécessaire de replacer cette révolution dans le contexte scientifique et politique des 50 dernières années.

Spécificités de l’astronomie spatiale

L’infrarouge

6Le rayonnement infrarouge est émis en majorité par les objets les plus froids et son observation permet d’accéder aux concentrations de matière moléculaire et de poussières, c’est-à-dire aux étoiles et aux planètes en formation [Low, Rieke et Gehrz, 2007 ; van Dishoeck, 2004 ; Soifer, Helou et Werner, 2008]. Six missions ont particulièrement contribué à défricher ce domaine : IRAS (USA/Europe), COBE (NASA), ISO (ESA), WMAP (NASA), Spitzer (NASA) et AKARI (JAXA). La dernière mission de l’ESA, Herschel avec son télescope de 3 m 50, lancée le 14 mai 2009 devrait prolonger ces résultats vers les longueurs d’onde plus grandes dans des domaines spectraux encore inexplorés avec une sensibilité et des pouvoirs de résolution accrus de plus d’un ordre de grandeur par rapport aux instruments précédents.

7L’enjeu technologique de l’observation infrarouge est l’élimination du rayonnement propre des télescopes et de leurs instruments focaux lequel noie les observations dans un bruit plusieurs dizaines de fois plus intense que le signal astronomique. Les techniques cryogéniques utilisant l’hélium superfluide ont été appliquées dans la plupart des satellites infrarouges. L’inconvénient majeur – en dehors de la complexité du système de refroidissement – est la limite de fonctionnement qu’impose l’évaporation continue de l’hélium à la fin de laquelle la mission n’est plus exploitable, même si tous les systèmes non cryogéniques sont en parfait état de fonctionnement : 9 mois pour IRAS, 28 mois pour ISO, 6 ans pour Spitzer. Les détecteurs de type bolomètres doivent également être refroidis et leur assemblage en galettes bidimensionnelles est aussi un défi majeur [Rieke, 2007].

Les hautes énergies

8Les rayonnements X et γ quant à eux offrent la possibilité d’étudier la matière dans ses états les plus énergétiques : nous sommes là dans le domaine de l’Univers violent. L’astronomie des hautes énergies a démarré très tôt et demeure encore l’une des branches les plus actives de l’astronomie spatiale car elle ne peut se faire qu’à partir de fusées sondes et de satellites. Elle a été marquée dès le démarrage par les physiciens Bruno Rossi et Ricardo Giacconi [Giacconi, 2005] à qui l’on doit la première détection du rayonnement X des étoiles en 1962 et qui a valu à ce dernier le Prix Nobel de physique en 2002 [Giacconi, Gursky et Paolini, 1962]. Parmi les nombreuses missions ayant contribué à ce domaine citons pour mémoire, Einstein (NASA), ROSAT (Allemagne), XMM-Newton (ESA), Chandra (NASA) et Suzaku (JAXA). C’est dans ce domaine que s’observent les températures les plus élevées, en particulier les enveloppes externes des étoiles. C’est aussi le domaine idéal pour l’étude du recyclage de la matière au travers des observations de supernovae, lors des cataclysmes qui marquent la fin des étoiles massives. C’est également là que s’observent les résidus de ces cataclysmes : sursauts γ [Gehrels, Ramirez-Ruiz et Fox, 2009], étoiles à neutrons ou trous noirs, ainsi que les phénomènes d’accrétion par ces objets dont la densité ne peut être reproduite dans aucune expérience de laboratoire. C’est encore là que s’observent les phénomènes naturels d’annihilation matière-antimatière. Ce livre contient plusieurs chapitres dédiés à ces objets et à ces phénomènes.

9L’enjeu technologique majeur concerne ici le système d’imagerie car les télescopes classiques en incidence normale ne fonctionnent plus. On doit faire appel à des combinaisons de miroirs en incidence rasante qui ressemblent davantage à des tubes qu’à des télescopes. Pour obtenir une surface collectrice suffisante on en utilise de grandes quantités, alignés le long de leur axe commun pour obtenir un foyer. Ainsi, le télescope de la mission XMM-Newton de l’ESA comportait 58 miroirs coaxiaux. La résolution d’un tel ensemble est seulement de quelques secondes d’arc, loin de ce qu’un télescope en lumière visible peut offrir. Les systèmes de détection font aujourd’hui appel à des CCD mais aussi à des systèmes bolométriques [Jansen, 1999 ; Paerels et Kahn, 2003]. Dans le domaine γ, on ne peut même plus utiliser de surfaces réfléchissantes et on applique la technique des masques codés qui permettent de reconstruire une image à partir des directions d’incidence des photons. La résolution se mesure ici en minutes d’arc [Winkler et al., 2003] !

Des sites uniques d’observation

10Outre l’avantage offert par l’accès à la totalité du spectre électromagnétique, certaines orbites constituent des sites uniques offrant la possibilité d’observations continues, 24 heures sur 24 de jour comme de nuit. C’est le cas pour SOHO, dont l’orbite de Halo autour du point de Lagrange L1 à 1,5 million de kilomètres de la Terre, lui permet d’observer le Soleil sans autres interruptions que celles qu’on lui impose du sol. Cet avantage autorise des temps d’intégration en principe sans limites et permet d’atteindre des précisions sans équivalent, en particulier pour l’étude de l’intérieur du Soleil par héliosismologie (voir chapitre 8). Pour les futurs grands télescopes non solaires on utilise de plus en plus des orbites de halo autour du point L2 (figure 2). C’est le cas en particulier pour les dernières-nées des missions européennes, Herschel et Planck. Ce sera le cas pour le James Webb Space Telescope (JWST), successeur de Hubble.

Fig. 2 – Les cinq points de Lagrange Terre-Soleil où les champs de gravité de deux corps en orbite l’un autour de l’autre, et de masses substantielles, se combinent pour compenser exactement la force centrifuge. Les points L1 et L2 respectivement en vue du Soleil et dans l’ombre de la Terre sont les plus utilisés. La présence de la Lune fait que les orbites autour de ces points sont instables

11Pour la première fois de son histoire, l’Homme a pu s’élever au-dessus du plan de l’écliptique. La difficulté était de communiquer suffisamment de vitesse au satellite pour lui permettre de contrer la vitesse orbitale de la Terre autour du Soleil. Ulysses, développé conjointement par l’ESA et la NASA, lancé par la Navette en 1990, comportait un étage de propulsion additionnel et a été accéléré hors du plan de l’écliptique par le biais d’un rebond gravitationnel sur Jupiter (figure 3). Ulysses a ainsi observé le Soleil et l’héliosphère in situ jusqu’à des latitudes de 80 degrés alternativement au-dessus des deux pôles pendant 18 ans. Il a cessé ses observations à l’épuisement de son générateur d’énergie le Radioisotope Thermoelectric Generator (RTG), le 30 juin 2009.

12La possibilité d’observations globales, quasi-simultanées, sur l’ensemble de la voûte céleste par un télescope unique a permis au satellite Hipparcos de l’ESA de placer pour la première fois l’ensemble des mesures de parallaxes et de mouvements propres sur une seule et même échelle et de créer un saut quantique de plus d’un ordre de grandeur en précision astrométrique. Hipparcos, à lui seul, a créé sa propre révolution en induisant toute une série de missions dérivées dont le projet GAIA en Europe. Hipparcos restera l’une des grandes originalités de l’astronomie spatiale (voir chapitre 13).

Les différences

13Des différences importantes existent bien évidemment entre l’astronomie au sol et dans l’espace. Au sol, la tendance s’affirme depuis la deuxième moitié du siècle dernier à développer des instruments de plus en plus grands. Après le VLT de l’ESO et les équivalents américains ou japonais on voit poindre l’EELT, le LSST, ALMA et le SKA [Kanipe, 2009]. Les dimensions des satellites sont, elles, déterminées par les capacités des systèmes de lancement. Difficile donc d’imaginer des télescopes aussi gigantesques. Le JWST, développé conjointement par la NASA et par l’ESA, atteindra, à peine ose-t-on dire, un diamètre de 6 m 50. Là où au sol on peut envisager des instruments de plus en plus lourds et des structures de plus en plus robustes, on cherchera toujours dans l’espace à miniaturiser et à alléger le plus possible, bien que l’absence de poids une fois sur orbite, autoriserait le déploiement de grandes structures. Des systèmes à plusieurs satellites et des interféromètres aux dimensions inimaginables de plusieurs millions de kilomètres deviennent cependant envisageables. C’est le cas du projet LISA (Laser Interferometer Space Antenna) en cours d’étude à la NASA et à l’ESA. Le projet XEUS de l’ESA, aujourd’hui abandonné au profit du satellite IXO, comportait deux satellites : l’un constituait le télescope, l’autre à quelques dizaines de mètres de distance, le système de détection.

Fig. 3 – Troisième orbite du satellite Ulysses (ESA-NASA) inclinée de 80° relativement au plan de l’écliptique. (ESA-NASA)

14À l’exception de Hubble conçu dès le départ pour être maintenu en orbite par des astronautes grâce à la navette spatiale, les instruments une fois sur orbite sont inaccessibles. La durée de leur fonctionnement nominal dépend de la qualité des composants utilisés pour les construire et de leur résistance aux conditions adverses de l’environnement spatial. Elle ne dépasse pas en général quelques années et fait de l’astronomie spatiale une activité à coûts élevés dont le développement n’est généralement accessible qu’aux puissances spatiales les plus riches ou les mieux équipées : États-Unis, Europe, Japon, Russie. Cependant, les astronomes du monde entier peuvent y participer au moyen de programmes d’observateurs invités, et les publications scientifiques sont généralement signées par des équipes largement internationales.

Finalités militaires et connexions politiques

15Les premières contributions de la recherche spatiale à l’astronomie ont pratiquement toutes eu des finalités militaires. Qu’on en juge :

  • Premiers spectres UV lointain du Soleil obtenus en 1946 par le Naval Research Laboratory, de la Marine américaine,
  • Premières observations de sources astronomiques X en 1962, sur contrats militaires par l’US Air Force et la société American Science and Engineering,
  • Premiers inventaires du ciel en lumière infrarouge effectués par l’Air Force Cambridge Research Laboratory (États-Unis),
  • Premières détections du rayonnement et des sursauts γ par les Américains, en vue de détecter les explosions nucléaires à haute altitude.

16Aujourd’hui, à la lumière des succès de cette nouvelle astronomie et des missions planétaires, on ne se questionne plus trop sur l’origine non purement scientifique de ces exploits. L’explosion de découvertes et l’enrichissement des connaissances qui en résultent, font partie intégrante de la révolution spatiale. Espace civil et militaire ont nécessairement un point d’ancrage commun par le biais de l’industrie, et sont étroitement liées au « politique » ne serait-ce que parce qu’ils exigent des budgets sans commune mesure avec ceux généralement attribués aux laboratoires de recherche. L’astronomie spatiale fait partie de ce qu’il est convenu d’appeler la « science lourde ».

  • 1 COmmittee for SPAce Research (Comité Mondial pour la Recherche Spatiale).
  • 2 Giotto pour l’ESA, Vega-1 et Vega-2 pour la Russie, Susei et Sakigake pour le Japon et ICE pour la (...)

17Dans le contexte de compétition militaire mais aussi industrielle et scientifique qui caractérise les activités spatiales, il est important de rappeler le rôle particulier joué par l’astronomie dans le développement de la coopération internationale. Dès le début, Russes et Américains ont échangé leurs résultats, au sein du COSPAR1 en particulier. En 1982, en pleine guerre froide, pour l’observation spatiale de la comète de Halley en 1986 lors de son passage au périhélie, Européens, Russes, Japonais et Américains ont créé l’Inter Agency Consultative Group (IACG), au sein duquel ils ont coordonné leurs missions et leurs moyens afin d’extraire le maximum de science du survol historique du noyau de la comète2. L’exploration planétaire se prête en effet magnifiquement à la coopération internationale. L’IACG et la mission Cassini-Huygens au sein de laquelle la NASA et l’ESA se sont retrouvées (en compagnie de l’Agence spatiale Italienne, fournisseur de l’antenne de communication à grand gain) en offrent d’excellents exemples parmi de nombreux autres.

18

Principales contributions de l’espace à l’astronomie

Astronomie à distance

19Les Tableaux 1 et 2 résument le nombre des principales missions dédiées à l’astronomie spatiale et à l’observation du Soleil respectivement. On y constate la domination totale des États-Unis et la prédominance de l’astronomie des hautes énergies (X et γ, depuis le modeste Uhuru jusqu’aux géants XMM-Newton et AXAF-Chandra). Au total 72 missions astronomiques importantes ont été lancées dans le monde totalisant un budget estimé à quelque 50 milliards d’euros.

Tab. 1 – Nombre des principaux satellites astronomiques non solaires lancés à ce jour avec succès par les 4 principaux contributeurs depuis le début de l’ère spatiale. Sont exclus de cette liste les instruments et expériences embarqués en ballon, fusée, et à bord de la Navette Spatiale. Ici, l’Europe inclut l’ESA et les diverses agences nationales. IUE dans la colonne UV est compté pour une mission à la fois sur les lignes Europe et NASA. Hubble est compté une seule fois dans la ligne NASA. À noter que toutes les missions comportent en proportion variable de nombreuses coopérations internationales. Ces nombres sont établis par consultation des sites internet des agences

NASA

Europe

Japon

Russie

OSO-1 à 8 (1962-1975)

D2-B (F-1975)

SMM (1980)

Ulysses (1990)

Ulysses (ESA-1990)

UARS (1991)

Yohkoh (1991)

SOHO (1995)

SOHO (ESA-1995)

ACE (1997)

TRACE (1998)

Coronas-F (2001)

RHESSI (2002)

SORCE (2003)

STEREO (2006)

Hinode (2006)

Total : 17

Total : 3

Total : 2

Total : 1

Tab. 2 – Principaux satellites d’observation du Soleil lancés ou en opération depuis le début de l’ère spatiale. Les missions d’étude des relations Soleil-Terre ou du milieu interplanétaire (ISEE, Helios) ne sont pas incluses dans cette liste. Toutes les missions comportent une forte participation internationale. Ulysses et SOHO sont indiqués en caractères gras dans la colonne Europe qui assurait le rôle principal au sein de ces projets

20L’accès sans obstacle à la totalité du spectre électromagnétique du Soleil, des étoiles et de l’Univers dans son ensemble, a permis d’en retracer l’évolution, en particulier au travers des émissions diffuses du fond du ciel (fond cosmologique submillimétrique et infrarouge, fond ultraviolet et X) ainsi que des images et des spectres des galaxies et des étoiles qui les composent. La première découverte d’une source de rayonnement X en 1962 (figure 4) a donné le Prix Nobel de Physique 2002 à Riccardo Giacconi et l’observation par le satellite COBE du rayonnement de corps noir du fond de ciel infrarouge celui de 2006 aux deux Américains John Mather et George Smoot [Mather et al., 1994], (figure 5).

Fig. 4 – Première observation (1962) d’une émission astronomique de rayonnement X rapportée en nombre de coups et en fonction de la direction azimutale d’observation et qui a valu à son auteur, R. Giacconi, le Prix Nobel de physique en 2002. Voir Giacconi, Gursky et Paolini, 1962

Fig. 5 – Le spectre du corps noir cosmologique obtenu par le satellite COBE indiquant une température de 2.725 ± 0.002 K. La précision des mesures est meilleure que l’épaisseur de la courbe. Voir Mather et al., 1994

Tab. 3 – Ensemble des missions lancées vers Mars et Vénus par les 4 principales puissances spatiales depuis le début de l’ère spatiale. Ici les échecs sont indiqués en raison de leur grand nombre et pour illustrer les difficultés inhérentes à ce type de missions, qu’il s’agisse de mise en orbite autour de la planète ou d’atterrissage

21Le mystère du fond de ciel X détecté pour la première fois par Giacconi est maintenant élucidé grâce aux satellites ROSAT, XMM-Newton et Chandra qui l’ont « résolu » en sources discrètes : noyaux de galaxies actives et trous noirs. Les cartes de l’émission du rayonnement submillimétrique 300 000 ans après le point singulier du « Big Bang », successivement effectuées par les satellites COBE et WMAP de la NASA, et maintenant par la mission Planck de l’ESA (voir chapitre 24) constituent les observations les plus précises disponibles sur cette phase de l’évolution du jeune Univers, et sur la formation des grandes structures et des futures galaxies. WMAP en particulier a permis entre autre de fixer l’âge de l’Univers à 13,7 milliards d’années avec une précision de 2 %, mettant fin à une longue controverse parmi les astronomes. Il a établi avec une précision inégalée les proportions de matière baryonique (4.6 % ± 0.1 %), de matière noire (23.3 %± 1.3 %) et d’énergie noire (72.1 %± 1.5 %).

22La connaissance du Soleil a immensément bénéficié des observations spatiales qui ont permis de sonder l’intérieur de notre étoile avec une précision inégalée jusqu’au centre, de révéler l’influence du champ magnétique sur la structure et la dynamique des couches extérieures, d’en mesurer précisément la température, et d’étudier les phénomènes liés à l’activité, au vent solaire et à leurs effets dans l’héliosphère (voir chapitre 1).

23Sans aucun doute, au palmarès des grands instruments de l’astronomie spatiale, la palme d’or revient-elle à Hubble. Développé par la NASA et l’ESA son coût est au moins de 10 milliards de dollars ce qui en fait vraisemblablement le télescope le plus cher de toute l’astronomie. Fonctionnant dans le domaine visible, le proche infrarouge et l’ultraviolet, il a fourni des résultats majeurs dans tous les domaines : cosmologie, observation des galaxies, des plus lointaines aux plus proches, lentilles gravitationnelles, évolution stellaire et étude des planètes [Dalcaton, 2009].

Fig. 6 – L’ensemble des missions lancées vers Mars dans le monde. On a séparé les missions de survol des orbiteurs, atterrisseurs et véhicules de surface. Les échecs en particulièrement grands nombres sont également indiqués sur la Figure. (Centre for Astro-Biology)

Exploration in situ

24S’approcher des planètes, se mettre en orbite autour d’elles ou de leurs satellites, plonger dans leur atmosphère ou y atterrir, sont des objectifs impossibles à ceux qui ne possèdent pas la maîtrise de l’accès à l’espace. Rien d’étonnant donc que les deux grands (URSS et USA) aient gardé pendant plus de 25 ans l’exclusivité de cette activité. Peu de missions spatiales auront connu autant de succès scientifiques et médiatiques que celles qui concernaient la conquête de la Lune par les Soviétiques et par les Américains en raison de l’enjeu politique que notre satellite naturel représentait : prestige et visibilité internationale, maîtrise des technologies les plus avancées. Aujourd’hui, Européens, Japonais, Chinois et Indiens ont repris « la route de la Lune » avec des missions robotiques performantes qui annoncent un regain d’intérêt pour cet objet. Pour combien de temps ?

25Le tableau 3 résume l’ensemble des 78 missions envoyées vers ou sur Mars et Vénus par les quatre puissances spatiales. Plus de la moitié des missions martiennes furent des échecs (figure 6) mais le succès d’ensemble et les résultats marqueront plus l’histoire que cet apparent gaspillage de ressources. Ce tableau montre sans ambiguïté la prédominance soviétique et américaine. Les Soviétiques ont dès le début accumulé les premières, en particulier pour l’exploration de Vénus. Ils ont connu moins de fortune avec Mars. Mercure a été observé pour la première fois par les sondes américaines Mariner-10 (dédiée à Vénus) et Messenger. Les Américains détiennent incontestablement l’exclusivité de l’exploration des planètes externes car ils disposent de sources d’énergie capables de fonctionner loin du Soleil (RTG). C’est ainsi qu’ils ont exploré les systèmes joviens, saturniens, avec leurs sondes Pioneer-11 et 12, Voyager-1 et 2, Galileo, Cassini-Huygens, et New Horizons.

26Le tableau 4 résume l’ensemble des missions vers les petits corps (comètes et astéroïdes).

27De cette florissante activité, émane une perception de diversité qui ne facilite pas la compréhension des conditions de la formation du Système solaire. Elle révèle aussi plusieurs caractéristiques ou propriétés communes :

  • cratérisation qui affecte tous les objets sans exception, témoin des bombardements météoritiques intenses qui prévalaient aux premiers temps,
  • volcanisme, présent sur Terre, la Lune, Mars, Vénus, Io et peut être ailleurs,
  • magnétisme et existence de magnétosphères autour de Mercure, de la Terre, Jupiter et Saturne,
  • lunes et anneaux autour des planètes externes, avec la vraisemblable présence d’eau souterraine sur Europa, Ganymède et Encelade, atmosphères autour de la Terre, Vénus, Mars, Titan, et bien sûr des planètes gazeuses.

NASA

ESA

Japon

URSS

ICE (1977)

Giotto (1985)

Sakigake (1985)

Vega-1 (1984)

NEAR-Shoemaker (1996)

Suisei (1985)

Vega-2 (1984)

Deep Space (1998)

Stardust (1999)

Rosetta (2004)

Hayabusa (2003)

Deep Impact (2005)

Dawn (2007)

Tab. 4 – Ensemble des missions lancées vers des comètes et des astéroïdes depuis le début de l’ère spatiale. La NASA qui n’avait pas de mission dédiée vers Halley et avait redirigé la mission ISEE-C rebaptisée ICE pour lui faire intercepter la queue de la comète, s’est ensuite impliquée fortement dans ce domaine d’exploration

28Les chapitres 2 à 6 donnent une vue plus détaillée de ces découvertes.

29Les difficultés techniques liées à la distance des sondes et à leur nécessaire degré d’autonomie, ainsi que la tendance à les bourrer d’équipements et d’instruments scientifiques afin d’obtenir le maximum de résultats, en ont fait des projets d’une grande complexité et donc chers. C’est sans doute la raison pour laquelle Européens et Japonais ne se sont lancés dans la course que tardivement. Cependant, l’expérience aidant, en particulier dans le domaine de la miniaturisation, de la standardisation et de la maîtrise des coûts, il leur devint possible dès le début des années 1980 de programmer de telles missions. Curieusement, c’est dans le domaine jusque-là resté vierge de l’étude des comètes que l’ISAS (Japon) et l’ESA ont décidé de rejoindre le camp des deux grands. Leur savoir faire, allié à une bonne part de chance, leur a assuré une contribution significative à ce domaine. Avec Giotto, l’ESA s’est approchée de 600 kilomètres du noyau de la comète de Halley, révélant pour la première fois tant la structure de glace poussiéreuse de son noyau que la nature et la composition des gaz et des poussières qui s’en échappent dans la phase active.

Quel avenir pour l’astronomie spatiale ? Les enjeux

30L’astronomie spatiale n’a certainement pas encore révélé toutes ses ressources. Son avenir se définit au début du XXIe siècle au sein de comités de réflexion, d’études décennales et des agences spatiales. Les grandes questions scientifiques sont les mêmes qui concernent aussi l’astronomie au sol. En termes simples, on voudra observer toujours plus loin des objets de plus en plus faiblement lumineux avec toujours plus de résolution angulaire et spectrale. Cela va du « Big Bang » aux premiers objets apparus après lui, jusqu’aux planètes elles-mêmes.

Enjeux scientifiques

31La cosmologie du « Big Bang » doit s’adapter aux découvertes d’un Univers, dominé par l’énergie noire, qui ralentit puis s’accélère, bousculant une théorie pour le moins très évolutive [Frieman, Turner et Huterer, 2008]. Que nous réserve la mission Planck ? L’énigme de l’énergie noire et de la matière noire n’a pas encore été résolue faute de moyens d’observation appropriés [Caldwell et Kamionkowski, 2009]. La découverte de trous noirs au centre des galaxies a transformé radicalement l’astronomie du dernier quart de siècle. La possibilité de sonder l’intérieur des étoiles par héliosismologie va permettre de raffiner la théorie de l’évolution stellaire et de mieux comprendre les cycles d’activité en particulier celui de notre étoile. L’astrométrie du futur, après le succès éclatant d’Hipparcos, va connaître des heures encore plus glorieuses avec GAIA et d’autres successeurs car elle donne accès à l’étude de la dynamique des galaxies et débouche sur de nombreuses questions de physique fondamentale. La présence de planètes autour d’autres étoiles et dont le nombre ne cesse d’augmenter, va sans doute permettre de raffiner les théories de formation des systèmes stellaires et du nôtre propre. On sent bien que les questions lancinantes de la recherche de vie extraterrestre et de l’apparition de la vie sur Terre exercent une pression commode pour planifier de futurs instruments et expliquent sans doute le grand intérêt pour l’exploration. Elles renforcent l’emphase pour Mars, Jupiter, Saturne et leurs satellites, en particulier Europa et Titan.

Enjeux techniques

32Le tableau 5 donne une vue des principales missions futures à l’horizon des 20 ou 30 prochaines années. Pour l’astronomie in situ, les enjeux relèvent de la recherche de plus grands pouvoirs collecteurs, de détecteurs de plus grande sensibilité et de plus grande résolution angulaire. La figure 7 qui compare les surfaces effectives d’IXO à celles de ses prédécesseurs illustre cette tendance dans le cas de l’astronomie X. Techniquement, nous l’avons vu supra (« Spécificités de l’astronomie spatiale, Les différences »), il y a des limites au déploiement de grands télescopes mono spéculaires en raison des capacités des dispositifs de lancement actuels. Autre enjeu majeur, maîtrisé dans le cas de HST : assurer la plus longue durée de vie en orbite, et maintenir en l’état de l’art une instrumentation qui réponde et s’adapte aux besoins scientifiques et à l’arrivée continue de nouvelles découvertes. Remarquons que ni Herschel, ni le JWST ne bénéficient de cette capacité.

Fig. 7 – Comparaison entre les surfaces effectives d’IXO et des missions X précédentes en fonction de l’énergie du rayonnement. (NASA)

Disciplines

En développement

A l’étude

Astronomie à distance

Spectr-UV, UV, 2010, Ru
GAIA, Astrométrie, 2011, ESA
NuStar, X, 2011, NASA
Spectr-RG, X- γ, 2011, Ru
Astro-G, Radio, 2012, JAXA
Astro-H, X, 2013, JAXA
JWST, IR, 2014, NASA-ESA
Spectr-R, Radio, (?), Ru

IXO, X, NASA-ESA JAXA
JDEM, Énergie noire, NASA
EUCLID, Énergie noire, ESA
SPICA, Gal-Etoiles-Plan, ESA
SIM, Planètes extra sol., NASA
TPF, Planètes extra sol., NASA
PLATO, Planètes extra sol. ESA
CELSTA, Astrométrie, Ru
GAMMA-400, γ, Ru
LISA, Ondes grav., NASA-ESA

Physique solaire Héliosphère

Solar Orbiter, ESA-NASA
Solar Probe +, NASA
Interstellar Probe, NASA
Interhelioprobe, Ru
Rim-Pamela, R-cosmiques, Ru

Planètes et petits corps

Planet-C, Vénus, 2010, JAXA
JUNO, Jupiter, 2011, NASA
MSL, Mars, 2011, NASA
Bepi-Colombo, Mercure, 2013, ESA-JAXA
Venera-D, Vénus, 2016, Ru

EXO-Mars, Mars, ESA-NASA
TANDEM, Titan-Encelade, ESA-NASA
LAPLACE, Jupiter-Europa, ESA-NASA
MARCO POLO, Astéroïdes, ESA-JAXA

Tab. 5 – Grandes missions futures de l’astronomie spatiale (le symbole Ru est attribué à la Russie)

33Pour la suite, tant dans le domaine optique que dans celui de l’infrarouge ou de l’ultraviolet – et peut-être aussi pour le rayonnement X –, c’est à l’interférométrie qu’il faudra sans doute faire appel. L’interférométrie dans l’espace n’est toutefois pas un concept facile à mettre en œuvre en raison de la complexité du système, composé de plusieurs télescopes (six dans le cas de Darwin, plusieurs centaines dans le cas des hypertélescopes !). Rien ne dit aujourd’hui que cela est possible, mais les missions déjà lancées n’étaient-elles pas toutes impossibles avant de l’être ? L’utilisation dans le projet LISA (Laser Interferometer Space Antenna), de trois satellites situés à 5 millions de kilomètres les uns des autres va sans doute ouvrir une nouvelle branche de l’astronomie spatiale : la détection du rayonnement gravitationnel des trous noirs massifs, systèmes binaires, étoiles à neutrons, etc. Cette mission révolutionnaire présente clairement un enjeu scientifique de première importance pour la compréhension des phénomènes fondamentaux de l’Univers. Mission encore impossible aujourd’hui !

34D’ailleurs, l’astronomie spatiale future ne sera-t-elle faite que de grandes missions ? Au vu des grands objectifs décrits ci-dessus, la réponse serait plutôt positive ! Mais les découvertes des grands télescopes alimentent nécessairement un programme à plus court terme de missions de tailles modestes. Le satellite Corot (CNES-ESA) en offre un exemple typique. La production massive et accélérée de données astronomiques exige de plus en plus de scientifiques pour assurer leur exploitation complète et l’interprétation de leurs résultats. Tous les talents, qu’ils soient de nature expérimentale ou théorique, seront donc nécessaires. Surtout les premiers car sans de nouveaux développements techniques d’observation, pas de projets ou de découvertes en vue.

35Et quels sites d’observation pour l’astronomie spatiale du XXIe siècle ? L’orbite basse de la Terre ? L’orbite géostationnaire ? La Lune ? Cette dernière n’offre pas de façon évidente de meilleures conditions que les orbites utilisées jusqu’alors, à l’exception (peut-être) de sa face cachée apparemment plus propice à la radioastronomie des grandes longueurs d’ondes, et où l’on bénéficie d’un très efficace bouclier contre les émissions d’origine anthropogénique. En revanche, les orbites autour des points de Lagrange L1 et L2 offrant respectivement des conditions excellentes pour l’observation du Soleil et des autres astres (voir supra, « Spécificités de l’astronomie spatiale, Des sites uniques d’observations »), c’est vraisemblablement autour d’eux que nous verrons de plus en plus de missions astronomiques évoluer dans les années à venir.

Enjeux pour l’exploration

36Pour l’exploration au-delà de l’orbite de Jupiter, il est nécessaire de poursuivre en priorité des développements techniques dans deux principales directions : la propulsion et l’alimentation en énergie. La propulsion chimique utilisée actuellement place Mars à 6 ou 9 mois de voyage de la Terre, Jupiter à quelques années et Saturne à une dizaine. Il aura fallu 9 ans à Rosetta pour atteindre sa cible. De telles durées soulèvent de multiples problèmes de longévité non seulement des instruments mais aussi des équipes. Développer de nouveaux systèmes de propulsion qui raccourciraient ces temps d’un facteur 10 constituerait un énorme progrès. On y travaille, surtout aux États-Unis, dans diverses directions et tout espoir n’est pas hors de portée qu’on parvienne à atteindre cet objectif dans un futur pas trop lointain [Carreau, 2009].

37Dans le domaine de l’énergie, les RTG (p. 263) ont assuré jusqu’à maintenant aux Américains une prééminence indiscutée. Chez les Européens et les Japonais, aucun développement de tels systèmes n’est envisagé. Les Russes ne disposent pas encore de systèmes puissants mais il semble qu’ils envisagent d’en développer. Dans ces conditions, le Système solaire au-delà de Jupiter restera encore longtemps « Terra Americana », d’autant plus que la NASA développe de nouveaux systèmes plus puissants et plus endurants.

Conclusions

38L’astronomie spatiale du futur devra subir elle aussi sa propre révolution. La taille croissante des missions ne permet pas d’envisager qu’elles seront moins chères. Elles seront donc moins nombreuses et il faudra faire appel de plus en plus à de nouvelles règles de gestion sans nul doute plus contraignantes. Ainsi, compte tenu des capacités accrues de l’astronomie au sol, il sera de plus en plus difficile aux agences de programmer des missions spatiales quand l’observation à partir du sol peut donner des résultats compétitifs. Beaucoup de l’astronomie infrarouge peut se faire à partir du sol ou de ballons. Exemple : le Grand Télescope du Pôle Sud [Hand, 2008] et le projet BLAST [Smail, 2009]. On sera sans doute conduit à n’utiliser l’espace que ce pour quoi il est absolument nécessaire : astronomie γ, X et UV, astrométrie, sismologie stellaire, recherche de planètes terres, interférométrie à très longue base et exploration in situ.

39Surtout, les ambitions croissantes des missions conduiront les agences responsables à travailler plus étroitement ensemble, comme cela est dès à présent envisagé entre la NASA et l’ESA pour le JWST ainsi que pour la plupart de leurs autres grandes missions. Le projet IXO étudié par l’ESA et par la NASA offre une illustration intéressante de cette tendance. Il est le résultat du compromis devenu nécessaire face au dilemme auquel chacune des deux agences se confrontait au regard de leurs difficultés à développer leurs propres missions pratiquement concurrentes, XEUS (ESA) et Constellation-X (NASA), dont les coûts évalués dépassaient largement leurs capacités budgétaires.

40Sans coopération internationale, pas de recherche spatiale au XXIe siècle ! On voit d’ailleurs de nouveaux acteurs se présenter sur cette scène prestigieuse. La Chine montre une volonté impressionnante de rattraper les grands. L’Inde, et peut-être un jour aussi le Brésil sont aussi de forts candidats. La compétition créée par ces nouveaux acteurs va entraîner un regain d’intérêt pour l’exploration spatiale. En même temps, la coopération dans le développement et l’exploitation des missions astronomiques va elle aussi s’accentuer. Le schéma compétition-coopération qui a présidé aux premiers moments de la révolution spatiale marquera de façon plus contrastée l’ère qui s’annonce, impliquant plus encore que par le passé les scientifiques du monde entier. Le caractère tout pacifique de cette révolution n’a rien d’inquiétant. Bien au contraire !

Bibliographie

Références bibliographiques

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Notes

1 COmmittee for SPAce Research (Comité Mondial pour la Recherche Spatiale).

2 Giotto pour l’ESA, Vega-1 et Vega-2 pour la Russie, Susei et Sakigake pour le Japon et ICE pour la NASA (voir tableau 4).

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Spectre solaire comparé au-dessus de l’atmosphère terrestre et au niveau du sol. (G. Rottman)
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Légende Fig. 2 – Les cinq points de Lagrange Terre-Soleil où les champs de gravité de deux corps en orbite l’un autour de l’autre, et de masses substantielles, se combinent pour compenser exactement la force centrifuge. Les points L1 et L2 respectivement en vue du Soleil et dans l’ombre de la Terre sont les plus utilisés. La présence de la Lune fait que les orbites autour de ces points sont instables
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Légende Fig. 3 – Troisième orbite du satellite Ulysses (ESA-NASA) inclinée de 80° relativement au plan de l’écliptique. (ESA-NASA)
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Légende Tab. 1 – Nombre des principaux satellites astronomiques non solaires lancés à ce jour avec succès par les 4 principaux contributeurs depuis le début de l’ère spatiale. Sont exclus de cette liste les instruments et expériences embarqués en ballon, fusée, et à bord de la Navette Spatiale. Ici, l’Europe inclut l’ESA et les diverses agences nationales. IUE dans la colonne UV est compté pour une mission à la fois sur les lignes Europe et NASA. Hubble est compté une seule fois dans la ligne NASA. À noter que toutes les missions comportent en proportion variable de nombreuses coopérations internationales. Ces nombres sont établis par consultation des sites internet des agences
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Légende Fig. 4 – Première observation (1962) d’une émission astronomique de rayonnement X rapportée en nombre de coups et en fonction de la direction azimutale d’observation et qui a valu à son auteur, R. Giacconi, le Prix Nobel de physique en 2002. Voir Giacconi, Gursky et Paolini, 1962
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Légende Fig. 5 – Le spectre du corps noir cosmologique obtenu par le satellite COBE indiquant une température de 2.725 ± 0.002 K. La précision des mesures est meilleure que l’épaisseur de la courbe. Voir Mather et al., 1994
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Légende Tab. 3 – Ensemble des missions lancées vers Mars et Vénus par les 4 principales puissances spatiales depuis le début de l’ère spatiale. Ici les échecs sont indiqués en raison de leur grand nombre et pour illustrer les difficultés inhérentes à ce type de missions, qu’il s’agisse de mise en orbite autour de la planète ou d’atterrissage
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Légende Fig. 6 – L’ensemble des missions lancées vers Mars dans le monde. On a séparé les missions de survol des orbiteurs, atterrisseurs et véhicules de surface. Les échecs en particulièrement grands nombres sont également indiqués sur la Figure. (Centre for Astro-Biology)
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Légende Fig. 7 – Comparaison entre les surfaces effectives d’IXO et des missions X précédentes en fonction de l’énergie du rayonnement. (NASA)
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Auteur

Physicien spatial spécialiste du Soleil, directeur de recherches émérite du CNRS à l’Institut d’Astrophysique de Paris. Auparavant il a été directeur du laboratoire de Physique stellaire et planétaire du CNRS (maintenant IAS) de 1969 à 1983, directeur du programme scientifique de l’ESA de 1983 à 2001, directeur général adjoint scientifique du CNES en 2002, et actuellement directeur exécutif de l’International Space Science Institute à Berne (Suisse). Il est Président du COSPAR, membre de l’Académie royale de Suède, de la Société royale des Sciences de Liège et de l’International Academy of Astronautics (IAA) dont il vient de recevoir le Prix von Karman. Docteur honoris causa de l’université de Londres, il a également reçu le Prix Deslandres de l’Académie des Sciences. Il est l’auteur de nombreux ouvrages et publications scientifiques dont les Horizons Chimériques (Dunod) et Surviving 1 000 Centuries. Can we do it ? (Springer)

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