La mission Herschel et ses objectifs scientifiques

La mission spatiale Herschel est un projet de tr`es grande envergure, c’est la quatri`eme (( pierre angulaire10 )) du programme scientifique Horizon 2000 de l’Agence Spatiale Europ´eenne (ESA). Son but est d’observer l’Univers dans une des r´egions du spectre ´electromagn´etique les moins ´etudi´ees `a ce jour, entre 60 et 670 µm, en s’affranchissant de tout effet atmosph´erique, c’est-`a-dire faible ´emission de fond et acc`es `a toutes les longueurs d’onde du spectre. Par rapport aux missions spatiales pr´ec´edentes, Herschel permettra d’observer des objets plus froids et plus lointains avec une meilleure r´esolution spatiale et spectrale ; son (( potentiel d´ecouverte )) est consid´erable.

L’observatoire poss`ede un t´elescope de 3.5 m de diam`etre et trois instruments scien- tifiques (photom´etrie et spectroscopie). Le satellite embarque une quantit´e d’h´elium suffisante pour assurer le fonctionnement des instruments sur une dur´ee minimum de 3 ans. Le lancement est actuellement pr´evu pour la fin de l’ann´ee 2008.

Les motivations premi`eres

D’apr`es G¨oran Pilbratt, le responsable scientifique de la mission, l’id´ee de spatialiser un t´elescope pour ´etudier le ciel dans l’infrarouge lointain a ´emerg´e dans les ann´ees 70. C’est ensuite en 1980 que l’ESA a re¸cut une proposition de la part de la communaut´e scientifique europ´eenne pour r´ealiser un tel projet. L’ESA lance donc une ´etude de faisabilit´e qui conclue que ce projet est r´ealisable moyennant quelques avanc´ees technologiques, notamment `a propos de m´elangeurs SIS fonctionnant `a 1.5 THz (il s’est av´er´e par la suite que cette technologie n’est pas adapt´ee `a de si hautes fr´equences). L’observatoire fut provisoirement appel´e FIRST (Far InfraRed Space Telescope). Dans les ann´ees qui suivirent, le design de FIRST ´evolua vers un t´elescope de 3.5 m refroidit passivement avec trois instruments scientifiques `a son bord. En 1997, l’ESA lance un

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Les cornerstone missions sont les plus gros projets organis´es par l’agence, leur budget d´epasse bien souvent le milliard d’euros. Notez que Herschel ´etait initialement pr´evu pour ˆetre la troisi`eme pierre angulaire de l’ESA mais elle a ´et´e d´ecal´ee et remplac´ee par la mission ROSETTA (Schwehm 2004) car le voyage de la sonde inter-plan´etaire doit durer plus de 10 ans pour rejoindre son objectif : la com`ete Churyumov-Gerasimenko.

appel `a proposition pour la construction des 3 instruments scientifiques. Le projet regroupe aujourd’hui plusieurs dizaines d’instituts de recherche europ´eens et am´ericains ; de nombreux industriels europ´eens ont ´egalement ´et´e contract´es pour r´ealiser le satellite, notamment Alcatel Space, Astrium GmbH et Aliena Spazio. De plus, la mission Herschel repr´esente un v´eritable d´efi technologique ; par exemple les matrices de bolom`etres du photom`etre courte longueur d’onde sont les premiers d´etecteurs bolom´etriques de ce type, l’instrument h´et´erodyne poss`ede ´egalement des m´elangeurs fonctionnant dans le domaine du TeraHertz qui est un champ d’´etude encore nouveau, et le t´elescope de l’Observatoire Herschel est aussi une premi`ere puisqu’il sera le plus grand miroir jamais envoy´e dans l’espace. En 2000, `a la conf´erence de Toledo (Pilbratt 2001), FIRST est renomm´e en l’honneur de la personne qui a d´ecouvert le rayonnement infrarouge et qui a construit les plus grands t´elescopes de son ´epoque ; l’observatoire spatial de l’ESA prend alors le nom de Herschel.

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A la mˆeme ´epoque, l’ESA pr´eparait une autre mission, de taille moyenne celle-ci (de type M3), dont l’objectif principal est de cartographier les anisotropies du CMB sur tout le ciel avec une pr´ecision de ∆T /T = 2 × 10−6 et une r´esolution angulaire de 10 minutes d’arc : il s’agit de la mission Planck. Les similitudes entre les missions Herschel et Planck ont pouss´e le comit´e scientifique de l’ESA `a combiner ces deux missions (Passvogel and Felici 2000). Les deux satellites seront donc mis en orbite par le mˆeme lanceur. La figure 1.10 montre la configuration choisie pour installer Herschel et Planck sous la coiffe de la fus´ee Ariane 5.

Les objectifs scientifiques

La cible du t´elescope Herschel est l’Univers froid. En effet, dans sa gamme de longueur d’onde se trouve le pic d’´emission de corps noirs dont la temp´erature est comprise entre 5 et 50 K, ainsi que les raies d’´emission atomiques et mol´eculaires les plus fortes pour des gaz dont la temp´erature est comprise entre 10 K et quelques centaines de K. Nous retrouvons ces conditions physiques de notre syst`eme solaire jusqu’aux confins de l’Univers. Les objets observables par Herschel sont donc de nature tr`es vari´ee, ils vont des ast´ero¨ıdes aux AGN en passant par les nuages mol´eculaires g´eants, les supernovae, les disques proto-plan´etaires ou encore les galaxies `a flamb´ee d’´etoiles. Les grandes th´ematiques scientifiques porteront en priorit´e sur l’´evolution des galaxies, la formation des ´etoiles et la relation qui existe entre ces deux ph´enom`enes ; le but ´etant de comprendre pourquoi et comment notre Univers est devenu ce qu’il est aujourd’hui. Remarquez que le domaine spectral de Herschel est particuli`erement bien adapt´e `a l’´etude de ces m´ecanismes. Par exemple, la figure 1.11 montre un mod`ele de densit´e spectrale d’´energie pour une galaxie de type ULIRG et son ´evolution en fonction du redshift (Guiderdoni et al. 1998). La quasi-totalit´e de l’´energie contenue dans ce spectre provient de grains de poussi`ere r´echauff´es par le rayonnement ´energ´etique des ´etoiles massives nouvellement form´ees. Ce type d’objets donne le maximum de son ´energie dans la bande Herschel jusqu’`a un redshift de ∼5. D’autre part, Andr´e and Motte (2000) montrent que les premi`eres ´etapes d’effondrement de proto-´etoiles pr´esentent des densit´es spectrales d’´energies qui piquent aux alentours de 100- 300 µm. Les six bandes spectrales de Herschel r´eparties entre 60 et 670 µm permettent donc

22 Chapitre 1: Une br`eve histoire de l’astronomie infrarouge : de Herschel `a Herschel

Fig. <sub>1.10 `A gauche : Les deux satellites de l’ESA Herschel (en haut) et Planck (en bas) seront</sub> lanc´es en 2008 par une fus´ee Ariane 5 de la base de Kourou en Guyane fran¸caise. `A droite, une vue d’artiste de l’Observatoire Spatial Herschel (HSO). Herschel mesure plus de 9 m de haut pour un diam`etre de 4 m. (images emprunt´ees sur http ://esamultimedia.esa.int/)

d’ajuster pr´ecis´ement les spectres, et ainsi de bien contraindre la temp´erature et la masse de poussi`ere contenue le long de la ligne de vis´ee. Mais sans se cantonner `a ces deux grands axes, les th`emes scientifiques abord´es seront nombreux, nous en dressons une liste non-exhaustive inspir´ee de l’article de Pilbratt (2001) :

– Les galaxies

– Formation, ´evolution et physique des galaxies – Le Cosmic Infrared Background

– ´Evolution du taux de formation d’´etoiles dans l’Univers – ´Evolution du taux de production des ´el´ements lourds

– La formation des ´etoiles et des syst`emes plan´etaires, physique et chimie du milieu interstellaire

– Structure, dynamique et composition du milieu interstellaire – Les cœurs pr´e-stellaires et les YSO (Young Stellar Objects) – La fin de vie des ´etoiles

– L’enrichissement du milieu interstellaire - Astrochimie – L’´etude d´etaill´ee des galaxies proches r´esolues

– Le syst`eme solaire - atmosph`eres plan´etaires et com´etaires – Composition des com`etes et objets du syst`eme solaire externe – Composition de l’atmosph`ere des plan`etes g´eantes

– Origine et rˆole de l’eau

Pilbratt note `a juste titre que l’Observatoire Herschel est de plus ´equip´e pour effectuer des follow- up spectroscopiques sur les objets d´ecouverts lors des grands relev´es du ciel et qui pr´esenteraient un int´erˆet particulier. En effet, ces observations seront certainement n´ecessaires puisque Herschel est son propre ´eclaireur (il ouvre la voie et permet de nombreuses d´ecouvertes) ; il n’a pas de pr´ed´ecesseur sur lesquels nous pourrions nous baser pour pr´eparer les futures observations comme c’´etait le cas de ISO avec IRAS, puis de Spitzer avec ISO.

Au total, la mission Herschel offre environ 20000 heures de temps d’observation pour les programmes scientifiques. Un tiers de ce temps est r´eserv´e aux instituts qui ont fourni `a l’ESA les instruments scientifiques. Nous parlons de temps garanti. Les deux tiers restant sont ouverts `a toute la communaut´e scientifique (pas seulement europ´eenne), c’est le temps ouvert. Il n’y aura que trois appels `a proposition, le premier concerne les projets clefs, les deux suivants les projets standards. Un projet clef est un programme d’observation qui n´ecessite beaucoup de temps d’observation et qui exploite les performances uniques de Herschel tout en traitant un sujet scientifique int´eressant et pertinent. Les projets clefs du temps garanti ont d´ej`a ´et´e s´electionn´es11_.

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Le lecteur trouvera les programmes et les objets r´eserv´es pour les projets clefs de temps garanti sur le site web du workshop tenu `a l’ESTEC en F´evrier 2007 : http://herschel.esac.esa.int/OT KP wkshop.shtml

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Fig. _{1.11 Spectres mod´elis´es d’une galaxie de type ULIRG en fonction de son redshift dans le} r´ef´erentiel de l’observateur. La r´egion surlign´ee correspond `a la couverture spectrale du t´elescope Herschel. Le pic d’´emission de la galaxie dans cette gamme de λ est dˆu `a l’´emission des grains de poussi`eres chauff´es par les ´episodes violents de formation d’´etoiles massives qui ont lieu au sein de la galaxie. Notez qu’aux grandes longueurs d’onde le flux apparent d´epend faiblement du redshift (le d´ecalage du pic est compens´e par l’´eloignement de la source). Cette figure est extraite de Guiderdoni et al. (1998).

Fig._{1.12 `A gauche les lignes de champ gravitationnel sont repr´esent´ees pour le syst`eme Terre-} Soleil. Herschel orbitera autour de L2 `a 1.5 million de km de la Terre. `A droite nous voyons l’exemple du t´elescope WMAP qui a d´ej`a orbit´e autour de L2 (les distances ne sont pas `a l’´echelle). Notez que le miroir pointe toujours dans une direction oppos´ee `a celle du Soleil. (images emprunt´ees sur http ://www.iscap.columbia.edu/ et http ://map.gsfc.nasa.gov/)