Herschel

Herschel est un satellite de l’ESA (pour European Space Agency), qui a été lancé avec succès le 14 Mai 2009 par une fusée Ariane 5 depuis le site de Kourou. L’image composite de la Figure 6.4 présente le satellite sur un arrière-plan imagé par le satellite Hubble. Ce satellite permettra, entre autres, d’étudier la formation des étoiles, leur interaction avec le MIS et surtout la composition chimique de l’en-vironnement d’étoiles jeunes en formation. Herschel est le satellite avec le miroir le plus large jamais envoyé dans l’espace jusqu’à maintenant, avec un diamètre de 3.5 m. Il permettra de recueillir le rayonnement à grande longueur d’onde provenant d’objets froids et distants et surtout il sera le premier observatoire spatial à couvrir une gamme spectrale comprise entre l’infrarouge lointain et le submillimétrique.

À son bord, il embarque trois instruments, qui sont HIFI, PACS et SPIRE. HIFI est un spectromètre hétérodyne à très haute résolution (entre 480 et 1250 GHz). Le principe d’un instrument hétérodyne est de décaler la fréquence d’observation à une plus basse fréquence, pour que le signal soit plus facilement traité afin d’en extraire les mesures d’intérêt. Ce principe est très utilisé en radio-astronomie mais ne peut pas être appliqué dès que la longueur devient trop petite (proche infrarouge et visible), car le temps de cohérence du signal varie alors trop rapidement pour les systèmes électroniques actuels. Le second instrument, PACS, est un imageur pho-tométrique à plusieurs longueurs d’onde (70, 100 et 160 µm) avec un spectromètre de champ couvrant une surface de 47” × 47” (pour un capteur de 5 × 5 pixels),

offrant une résolution spectrale de quelques milliers dans la gamme spectrale 55-210 µm. Finalement, SPIRE permettra de mesurer la photométrie à trois longeurs d’onde différentes (240, 350 et 500 µm), en simultané et il possède aussi un mode spectroscopique entre 194 et 672 µm.

Avant le lancement du satellite, plusieurs programmes ont été proposés à l’ESA, dans le but d’organiser de la manière la plus efficace possible les observations et ainsi de coordonner les résultats scientifiques. C’est ce que l’on appelle les OTKP (pour Open Time Key Programs). En Octobre 2007, 62 OTKP ont été déposés à l’ESA et 21 d’entre eux ont été acceptés (au moins partiellement). Parmi ces 21 pro-grammes, 10 s’intéressent au MIS et à la formation stellaire. Parmi ces programmes se trouvent les deux OTKP DIGIT et GASPS dans lesquels je suis impliqué. Ces deux programmes sont orientés principalement sur les processus d’évolution et de

Figure6.5 – Figure de gauche : spectres Spitzer/IRS de deux Herbig Ae présentant des raies en émission de la phase solide. Figure de droite : spectre PACS attendu pour une Herbig Ae (figure empruntée à K. Dullemond). La composante de la poussière contient 15% de glace (mélange de H₂O, CO₂, CH₃OH), 10% de forsterite, 0.5% de dolomite, 0.5% de calcite et 20% de chlorite.

dissipation des disques durant la période de formation planétaire. Je résume tout d’abord les objectifs astrophysiques des deux programmes, puis précise mon impli-cation dans ces deux projets.

6.3.1.1 Le projet Digit

Le progamme DIGIT se propose d’étudier en détail l’évolution de la poussière et des glaces au cours du temps, que ce soit pour des objets enfouis dans les nuages de formation stellaire ou au contraire dans des disques en train de se dissiper. Les observations seront majoritairement faites avec l’instrument PACS, et l’échantillon d’objets observés est un échantillon supposé révéler toute la gamme de la séquence évolutive des étoiles jeunes, et ce pour une grande variété de masse, de luminosité ou encore d’environnement. Grâce à PACS, ces études seront basées sur des images photométriques, contraignant les populations de poussière, des relevés spectromé-triques entre 55 et 210 µm, contraignant comme le montre la Figure 6.5 la poussière mais aussi les glaces et le gaz. Finalement, des relevés spectrométriques précis per-mettront aussi d’observer certains raies faibles provenant du gaz.

L’échantillon d’objets de science accordé au programme DIGIT est fortement basé sur des objets déjà bien connus dans la littérature, notamment grâce à des spectres à fort signal sur bruit Spitzer/IRS. Un des points clés de DIGIT est le pro-gramme de relevés spectroscopiques à très haut rapport signal à bruit entre 55 et 210 µm pour 23 sources à haut niveau d’émission (16 Herbig et 7 TTauri). Pour 12 sources plus faibles (8 Herbig et 4 TTauri) le programme se concentre sur des raies spectroscopiques plus précises, comme la forsterite à 69 µm (voir Figure 6.5). Fina-lement, pour 30 sources, considérées comme étant des objets évolués, le programme DIGIT s’attachera à étudier les résidus de poussière et de gaz, grâce à la grande sen-sibilité de l’instrument. Pour les objets les plus brillants de cet échantillon, ces raies spectroscopiques dans l’infrarouge lointain permettront d’apporter des contraintes

sur l’évolution de la température ainsi que sur l’évolution du brassage au sein du disque. Aussi, cela apportera de nouvelles informations sur la composition chimique des poussières dans ces objets, sur des matériaux peu contraints jusqu’à présent comme les hydrosilicates et les carbonates (Calcite ou Dolomite par exemple) qui nécessitent un milieu aqueux pour se former. Ces matériaux sont d’ailleurs plutôt attendus dans des disques évolués. Ce programme sera un complément déterminant pour tous les travaux concernant la minéralogie ayant été faits jusqu’à présents dans l’infrarouge moyen (en particulier ceux des chapitres 2 & 3 de cette thèse).

6.3.1.2 Le projet Gasps

Avec un total de 400 h d’observations, GASPS (pour Gas in Protoplanetary

Sys-tems) est le plus grand OTKP accepté dans la catégorie sur le MIS et la formation

stellaire. Ce programme a pour objectif de faire un relevé du gaz atomique et mo-léculaire ainsi que de la poussière dans plus de 250 disques, couvrant par la même occasion une grande variété d’âges (1-30 millions d’années), de masses de disques (10−2_-10−5_M

⊙^{) et de types spectraux (de A à M). La plupart des cibles observées se} situent dans 6 régions de formation stellaire proches (≤ 160 pc), qui sont : le Taurus,

Upper Sco, TW Hya, Tuc Hor, Beta Pic et Eta Cha. Le but principal du programme GASPS est d’étudier le gaz en utilisant les raies de structure fines dans l’infrarouge lointain du carbone et de l’oxygène, pouvant être considérés comme des traceurs du gaz atomique. Les raies de l’eau seront quant à elles utilisées comme traceurs du gaz moléculaire. Une petite partie du temps de GASPS (20h, représentant 5% du temps total d’observations) sera aussi utilisée pour observer à 70 et 170 µm, permettant ainsi de mieux définir les SEDs des objets observés. L’ensemble des données per-mettra alors d’avoir une vue d’ensemble des disques, depuis le gaz moléculaire mais aussi atomique jusqu’à la composante de la poussière.

6.3.1.3 Mon projet avec Herschel

Pour le moment, aucune donnée de ces deux programmes n’ont été enregistrées par le satellite, qui est arrivé au point de Lagrange L2 (situé derrière la Terre, en alignement avec le Soleil et la Terre). Au-delà de ma thèse je souhaite valoriser mon domaine d’expertise, centré sur les disques circumstellaires. Pour cela, je prévois de poursuivre les études minéralogiques aux plus grandes longueurs d’onde avec PACS, mais je souhaite également débuter l’étude du gaz présent dans les disques. C’est un aspect que j’ai peu développé durant mon projet de thèse mais sur lequel je souhaiterais passer plus de temps par la suite. En effet, dans les disques, gaz et poussières sont intimement liés, que ce soit par leur température respectives, par l’équilibre hydrostatique, ou encore par l’évaporation des atomes à la surface des grains, ré-injectés dans le gaz. De plus Herschel, grâce à l’instrument PACS notamment, permettra d’étudier les raies du gaz dans un domaine spectral, et par conséquent des régions des disques, jamais étudié auparavant. C’est donc un tout nouvel environnement, peu connu jusqu’à présent, qui s’ouvre pour les observateurs,

Figure 6.6 – Conception d’artiste du satellite JWST (Crédits : NASA)

que ce soit pour des étoiles de Herbig ou les étoiles TTauri. Néanmoins, je souhaite tout de même conserver et pérenniser l’expertise que j’ai développée sur la poussière dans les disques, et cela sera une des mes importantes contributions au sein de l’équipe DIGIT.