Il y a 10 ans, Herschel et Planck, les explorateurs de l’infini

Le 14 mai 2009, pour le compte de l’Agence spatiale européenne (ESA), le lanceur européen Ariane 5 ECA (mission VA 188) plaçait sur orbite de transfert les télescopes spatiaux Herschel et Planck. Ces derniers ont mis plusieurs semaines à rejoindre le point de Lagrange L2, situé à 1,5 million de km de la Terre. Point d’équilibre des forces gravitationnelles du Soleil et de la Terre, le point L2 est le lieu idéal pour y installer des télescopes afin d’observer l’Univers sur un temps long : tournant « le dos » à la Terre et au Soleil, ils sont en partie à l’abri des rayonnements terrestres, lunaires et bien sûr solaires, tout en recevant l’énergie nécessaire pour alimenter leurs batteries solaires. Les phases de mise en route ont ensuite duré plusieurs mois, le temps de vérifier le bon fonctionnement des systèmes et sous-systèmes.

Origines et objectifs des missions.

Dès 1981-82, des scientifiques européens proposent la réalisation d’un télescope spatial pour observer les objets froids de l’Univers par le biais de l’infrarouge. La vapeur d’eau de l’atmosphère terrestre formant un véritable filtre, l’idéal est de placer un télescope dans l’espace. D’abord appelé FIRST, le projet, défini et adopté au cours des années suivantes, est baptisé en 2000 « Herschel » en l’honneur de l’astronome d’origine allemande William Herschel (1738-1822) qui, 200 ans plus tôt, avait découvert le rayonnement infrarouge.

Par ailleurs, en 1993, l’ESA décide dans le cadre du programme « Horizon 2000 » le développement d’un autre télescope pour étudier et cartographier les variations de température du fond diffus cosmologique dans le domaine des fréquences micro-ondes et infrarouge lointain. Jusqu’alors seul le satellite américain COBE en 1983 avait entrepris ce type de mission. Le projet reçoit le nom de « Planck », en l’honneur du physicien allemand Max Planck (1858-1947), découvreur de la forme du spectre de corps noir dont le fond diffus cosmologique reproduit justement le rayonnement d’un corps noir.

Les caractéristiques des télescopes.

Afin de réaliser des économies (pour deux missions dont le coût total atteint 1,8 milliard d’euros), Herschel et Planck sont construits par une équipe de projet commune placée sous la maîtrise d’œuvre de Thales Alenia Space, associant plusieurs dizaines d’instituts européens (mais aussi américains et canadiens). Les satellites utilisent une plateforme commune (module de service) regroupant les systèmes de contrôle, de gestion des données, de télémesure, de télécommande, etc., assurant le fonctionnement. Sur ce module sont fixés les instruments scientifiques (avec le système de refroidissement), les panneaux solaires et le télescope avec son miroir.

D’une hauteur de 7,50 m pour un diamètre de 4,50 m et une masse de 3 402 kg, Herschel est équipé d’un cryostat à hélium liquide pour refroidir (à -269°C) les détecteurs des trois instruments scientifiques : PACS (Photodetector Array Camera and Spectrometer) et SPIRE (Spectral and Photometric Imaging REceiver), destinés à faire de l’imagerie dans plusieurs canaux et de la spectroscopie, et HIFI (Heterodyne Instrument for the Far Infrared) spécialisé dans la spectroscopie pour se pencher davantage sur la chimie du milieu interstellaire. Au sommet, se trouve le télescope équipé d’un miroir d’un diamètre de 3,50 m et d’une masse de seulement 320 kg (une prouesse technologique), chargé de concentrer la lumière sur les trois instruments. Quant à Planck, d’une hauteur de 4,2 m pour un diamètre de 4,2 m et une masse de 1 912 kg, il embarque, outre un télescope et un miroir de 1,50 m de diamètre, deux instruments : HFI (High Frequency Instrument) pour mesurer la quantité d’énergie reçue d’une source de rayonnement électromagnétique et, pour LFI (Low Frequency Instrument), dans des bandes spectrales moins élevées. Planck embarque également un système de refroidissement (-233°C).

Les découvertes.

Les premières observations de Herschel sont notamment faites en direction des planètes géantes (Neptune), des objets de la ceinture de Kuiper (Makemake), ainsi que des comètes comme Hartley-2, où il a détecté une forte présence d’eau. Herschel s’est également attaché à observer des galaxies plus ou moins lointaines, à commencer par la Voie Lactée, dans laquelle plusieurs nébuleuses ont été scrutées telle que la nébuleuse d’Orion, à 1 344 années-lumière de la Terre. Visible à l’œil nu, Orion est l’une des plus brillantes nébuleuses observables mais dont on ne perçoit que des points lumineux plus ou moins diffus. Avec Herschel, c’est tout un monde qui devient alors visible comme l’a souligné au cours d’une conférence l’astrophysicien Laurent Vigroux, directeur de l’Institut d’astrophysique de Paris : « On a soudain vu les nuages de molécules, de grains de poussière (de graphite, de silicate, de la suie, etc.) qui remplissent complètement le milieu interstellaire (…). Lorsque l’on a fait un spectre de cette nébuleuse (…), on y a notamment trouvé du monoxyde de carbone, de la vapeur d’eau, également de l’éthanol… les sources principales d’alcool sont ainsi dans la Galaxie ! Ou encore du dioxyde de soufre, etc. ». Herschel a notamment montré qu’il existe dans les nuages interstellaires des structures filamentaires à différentes échelles, manifestement liées à des champs magnétiques. Il a été possible d’évaluer la température et la densité des nuages, d’isoler les protoétoiles et d’en mesurer leur densité. Toutes les protoétoiles semblent se former dans ces filaments : « C’est l’une des principales découvertes d’Herschel », précise Laurent Vigroux.

Quant à Planck, capable de détecter des changements de température de l’ordre du millionième de degré, il a transmis chaque jour plus d’un milliard de mesures. Les données ont ainsi permis de réaliser plusieurs cartes comme celle de la Voie Lactée, ou encore celle du fond diffus infrarouge reconstituant la lumière émise par les poussières des galaxies depuis les dix derniers milliards d’années… Planck réalise l’exploit de photographier l’univers tel qu’il existait 380 000 ans après le Big Bang, soit il y a 13,8 milliards d’années ! Cet exploit fait la une de nombreuses publications, comme Sciences et Avenir d’avril 2013 qui titre : « DECOUVERTE – L’ORIGINE DE L’UNIVERS. La première image du Big Bang ». Le médiatique astrophysicien Hubert Reeves lâche : « Enfin, nous découvrons les premiers temps de notre histoire ».

Fin des missions et récompenses.

Après l’épuisement des réserves d’hélium, la mission Herschel se termine le 29 avril 2013, tandis que Planck cesse de fonctionner le 23 octobre 2013.

Dès le 9 juin 2010, la société savante française 3AF (Association aéronautique et astronautique de France) attribuait le « Grand Prix 2010 » aux équipes scientifiques responsables des missions Herschel et Planck, en raison de l’obtention de résultats exceptionnels. Herschel et Planck ont en effet permis « un grand pas en ingénierie et en science » (avec des centaines de publications), représentant plus de 20 ans de recherche et de développement. De plus, l’équipe scientifique de Planck reçut également le prix Gruber de cosmologie 2018 (Université de Yale), qui récompense les travaux faisant progresser les avancées fondamentales de la cosmologie.

Références.

Le communiqué de presse d’Arianespace : « Un lancement pour la science »

Une vidéo sur la mission Planck : « Un regard vers l’origine de l’univers », Jean Mouette, Bruno Vaccaro, Guillaume Farre, Consortium Planck-HFI & Canopée, 2014

Une conférence sur la mission Herschel de Laurent Vigroux intitulée « La satellite Herschel », IAP, 9 novembre 2010

Le replay de la vidéo du lancement du 14 mai 2009.

Philippe Varnoteaux est docteur en histoire, spécialiste des débuts de l’exploration spatiale en France et auteur de plusieurs ouvrages de référence.