Colloque « Espace et éducation »

L'instrumentation spatiale dans l'astronomie

Sébastien Rouquette, service Culture spatiale du Cnes

Cet atelier a pour but de vous présenter l'instrumentation spatiale dans le domaine de l'astronomie en général. Il ne vise pas à faire de vous des spécialistes mais à éveiller votre curiosité sur la diversité et l'utilité de ces mesures pour étudier et tenter de mieux comprendre notre Univers, en gardant à l'esprit le fait que votre principal intérêt se situe au niveau de la pédagogie.

Le terme de diversité est important car la variété des instruments utilisés dans le domaine de l'astronomie résulte de celle des objets étudiés et de la variété des informations à collecter sur ces derniers. Celles-ci apportent des éléments de compréhension qui sont autant de points de vue différents sur les objets étudiés.

Cet exercice demande une classification des instruments. J'ai choisi de les présenter classés selon un modèle humain, c'est-à-dire en fonction des sens utilisés par l'homme pour appréhender son environnement : la vue, le toucher et un sens qui rassemblerait l'ouïe et l'odorat. L'interprétation est une tâche exclusivement dévolue à l'homme. Le scientifique utilise ses connaissances, son expérience, sa créativité et une méthode de travail pour analyser les données fournies par les instruments, aptitude dont les robots sont dépourvus. Cela pose par ailleurs la question de la présence humaine dans l'exploration du Système solaire.

Vue et instruments d'imagerie spatiale

Le spectre électromagnétique couvre l'ensemble des longueurs d'onde du spectre électromagnétique. Seule une toute petite partie de ce spectre est utilisée par l'homme. Tous les objets de l'Univers peuvent être caractérisés par leur signature lumineuse, il s'agit de la source d'information la plus importante. Chaque gamme de longueur d'onde constitue une véritable source d'informations de diverses catégories et permet de disposer d'un panorama complet des observations à réaliser sur l'objet considéré.

L'analyse de la lumière est une discipline appelée "spectroscopie". Les instruments rassemblés dans cette catégorie utilisent tous le même principe, mais ils prennent des formes très différentes en fonction de la longueur d'onde. La question de la nécessité de se trouver dans l'espace pour étudier l'Univers se pose et quatre raisons attestent de cette nécessité. L'atmosphère arrête ou absorbe une grande partie des rayonnements électromagnétiques. Elle laisse passer principalement le rayonnement visible et les ondes radio. Elle est également un voile qui perturbe les observations par la turbulence qu'elle génère et par la pollution lumineuse. Il peut être également intéressant de s'approcher des objets, voire de s'y poser, pour les étudier plus précisément.

Exemple de la sonde Magellan

La mission Magellan a exploré Vénus pendant 4 ans au début des années quatrevingt- dix. Elle avait pour objectif de cartographier le sol de cette planète et d'étudier son champ de gravité. La sonde emportait un radar doté d'une antenne de 4 mètres de diamètre. Il a permis d'observer la surface de la planète. L'atmosphère de Vénus est très épaisse et ne peut être percée avec les instruments d'optique traditionnels. Le radar mesure le temps mis par une onde pour faire l'aller-retour entre lui-même et la surface étudiée. La sonde a restitué une couverture de la planète de 98 %. Elle a donc permis d'identifier les grandes structures du sol de la planète avec une précision de 100 mètres en hauteur.

Exemple du satellite Corot

La découverte d'exoplanètes représente une autre application dans le domaine visible. Il ne s'agit pas de voir une planète mais de détecter sa présence. Corot, satellite proposé par le Cnes, partira en 2006, notamment pour découvrir des planètes autour des étoiles de notre galaxie. Jusqu'à aujourd'hui, nous n'étions pas capables de voir une planète. Une équipe européenne est cependant parvenue récemment à réaliser une première image de ce type. Elle est néanmoins très particulière et sans rapport avec celles qui seront réalisées par le satellite Corot. La sensibilité du télescope devrait permettre de percer certains secrets des planètes. Son principe de fonctionnement est relativement simple : il s'agit d'observer une étoile et de mesurer les variations de sa luminosité. Lorsqu'une planète passe exactement dans la ligne de visée d'un satellite, sa luminosité diminue. Corot devrait ainsi détecter plusieurs dizaines de planètes dont peut-être, quelques-unes qualifiables de "grosses Terres".

Exemple du satellite Intégral

Intégral, satellite européen lancé en 2002, a pour mission l'étude de phénomènes violents de l'Univers, tels que les explosions ou les collisions d'étoiles. Il emporte un spectromètre sensible aux photons gamma. Mais le rayonnement gamma est si énergétique qu'il ne peut pas être focalisé à travers un instrument d'optique traditionnel. L'instrument en question comprend donc un détecteur constitué de cristaux de germanium pur qui absorbent le rayonnement gamma. Cela génère un courant électrique qui est ensuite amplifié et transmis.


Satellite intégral. © Cnes.

Un processus relativement complexe procède à l'analyse du signal et permet de restituer la position de la source gamma observée. Depuis son lancement, Intégral a identifié de nombreuses sources gamma, dans la direction du centre galactique par exemple.

Ressentir

Les galaxies, les planètes et les étoiles sont des objets relativement compacts. La lumière émise ou réfléchie est porteuse de très nombreuses informations. Mais ces astres sont également le siège de phénomènes invisibles qui forment donc un environnement invisible qui doit cependant être étudié pour comprendre l'objet dans sa globalité. Des senseurs spécifiques ont été développés pour ce type d'application. Il convient d'insister sur le fait que ces détecteurs ne fournissent pas d'images. L'homme interprète les données transmises et les transforme en images pour une meilleure "lisibilité".

Exemple de la sonde Mars Global Surveyor

La sonde américaine Mars Global Surveyor est arrivée autour de Mars en 1997. Elle avait pour objectif l'imagerie de la surface ainsi que l'altimétrie et l'étude du champ magnétique. Le magnétomètre est un détecteur qui fonctionne selon le principe de l'induction magnétique : un courant électrique génère un champ magnétique et inversement. Le champ magnétique dans lequel baigne le senseur génère donc un courant électrique proportionnel. Mais le satellite perturbe ce champ magnétique. Il est donc nécessaire de disposer de détecteurs relativement loin du corps du satellite. Mars Global Surveyor a permis de découvrir qu'il n'existe pas de champ magnétique global autour de Mars mais un champ rémanent ou fossile.

Exemple du satellite Geotail

Le satellite Geotail tourne autour de la Terre depuis 1992 pour observer le champ magnétique, notamment la magnétosphère, une coquille magnétique qui protège la Terre des agressions du cosmos. Cette structure est gigantesque et étudiée depuis très longtemps. Ce satellite comporte des détecteurs de particules. Ces derniers sont capables d'identifier les espèces par la mesure de leur vitesse, de leur énergie et de leur charge. Cet instrument a permis de détecter des jets d'ions énergétiques qui partent de régions proches de la Terre en direction antisolaire. Cela a permis de mieux caractériser la magnétosphère et ce à différentes échelles spatiales : cet instrument a d'abord observé la magnétosphère lointaine et il examine aujourd'hui la magnétosphère proche avec l'aide d'autres satellites. En outre, ce type d'étude montre que les analyses multiinstruments et multisites sont absolument fondamentales.

Toucher

Le prélèvement d'échantillons peut être important pour effectuer des analyses précises. Car, si les caractéristiques lumineuses peuvent être observées à grande distance, la nécessité de se situer dans l'environnement s'impose dès lors qu'il s'agit d'observer les poussières et les particules localisées autour d'une planète. Il convient d'être en contact pour obtenir des informations ultimes, voire intimes, sur la texture du sol, sa composition chimique, réaliser des analyses météorologiques. La main des robots n'est, en fait, qu'un ustensile. Il s'agit de prélever des échantillons et de les mettre à disposition d'instruments fonctionnant selon les principes évoqués jusqu'ici.

Exemple de la sonde Venera 13

La sonde soviétique Venera 13 avait pour but l'exploration de Vénus. Elle devait analyser son atmosphère et réaliser de véritables images du sol. Elle a fonctionné durant 127 minutes, ce qui représente une véritable prouesse étant donné l'environnement absolument infernal ! Elle a traversé des nuages de pluie acide, s'est retrouvée au sol sous une pression atmosphérique 90 fois supérieure à celle de la Terre (au niveau de la mer). Elle emportait un spectromètre pour analyser les échantillons prélevés et déterminer la composition du sol, en l'occurrence essentiellement du basalte riche en potassium. Cette sonde était également équipée d'une sonde qui a été enfouie dans le sol pour étudier ses propriétés mécaniques.

Exemple de la sonde Cassini-Huygens

La mission internationale Cassini-Huygens a pour objectif l'étude en détail du système de Saturne. Elle a quitté la Terre en 1997 et s'est placée en orbite autour de Saturne au cours de l'été 2004. Le module européen Huygens descendra dans l'atmosphère de Titan et se posera à la surface. Il disposera alors de moins de 3 heures pour effectuer ses analyses. Le module est équipé de spectromètres pour étudier la composition et d'un ensemble de senseurs pour étudier les propriétés du sol et sa nature.

L'étude de l'Univers en général et du Système solaire en particulier relève d'une approche pluridisciplinaire. Ces méthodes d'analyse ne sont pas accessibles à toutes les disciplines. L'observation de la "lumière" (au sens de l'onde électromagnétique) intéresse toutes les disciplines de l'astronomie. La mesure des champs et la détection de particules sont principalement exercées dans le domaine de la planétologie. La recherche de contact s'effectue dans un contexte très particulier, et pose des problèmes. Certains sont techniques, liés aux instruments, d'autres concernent la précision des trajectoires. Par ailleurs, la miniaturisation des outils spatiaux fait que les instruments d'analyse, aussi performants soientils, ne permettent pas d'obtenir des données aussi précises et denses que celles obtenues sur Terre. La question du retour d'échantillons se pose donc. Des contraintes techniques très fortes existent et posent la question de la présence humaine dans le système solaire. Nous pourrions rêver qu'un géologue se rende sur Mars, ses connaissances lui permettraient de choisir judicieusement les échantillons à prélever. Cela renvoie aux problèmes de réalisation liés à la sécurité de la mission, à la nécessité d'emmener des vivres, de l'eau, etc. La question de la présence humaine dans le Système solaire peut être un artefact politique, mais elle se défend aussi du point de vue scientifique.


Mars 2002/Illust. D. Ducros. © Cnes.

À titre personnel, je serais assez heureux d'observer l'arrivée de l'homme sur Mars. Cela pourrait être une réalité à l'horizon 2035. Cela signifierait que le premier homme ou la première femme à poser ses pieds sur cette planète se trouve actuellement dans nos écoles.

Échanges avec la salle

De la salle : Nous déployons des efforts importants pour découvrir notre Système solaire. Cela nous permettra-t-il de disposer d'une meilleure connaissance de la Terre ?

Sylvestre Maurice : Comprendre les périodes les unes après les autres n'a guère de sens si cela n'est pas pour se retourner sur nous-mêmes et essayer de répondre à nos propres questions : quelles sont nos origines ? Comment la Terre s'est-elle développée ? Où va-t-elle ? Le recours à la planétologie comparée est une clé de la compréhension de notre planète et de son histoire.

De la salle : Pourriez-vous nous donner des pistes pédagogiques pour travailler en lien avec les domaines que vous nous avez présentés ?

Sylvestre Maurice : Il existe des opérations dont vous avez probablement entendu parler : l'exploration spatiale, la relation entre l'instrumentation et l'avancée des sondes, par exemple. Nous avons lancé des appels d'offres en direction des différents acteurs - laboratoires de recherche, grands organismes - pour que des produits didactiques soient élaborés.


Actes du séminaire national - Les sciences de la vie et de la Terre au XXIème siècle : enjeux et implications 15 et 16 décembre 2004

Mis à jour le 15 avril 2011
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