Infrared Space Observatory [ISO] - astronomie.

Infrared Space Observatory [ISO] - astronomie. 1 PRÉSENTATION Infrared Space Observatory [ISO], satellite dédié à l'étude du rayonnement infrarouge émis par les objets astronomiques (voir Infrarouge, astronomie). Lancé en 1995 par l'Agence spatiale européenne, le satellite ISO transmet des informations uniques sur la composition moléculaire et la structure des objets les plus lointains de l'Univers. À l'instar de la lumière, des rayons X et des ondes radio, le rayonnement infrarouge est un rayonnement électromagnétique ; les longueurs d'onde du rayonnement infrarouge sont comprises entre 0,8 µm (micromètres) et 200 µm (soit entre 8.10 -7 m et 2.10 -4 m). Lorsque le rayonnement électromagnétique émis par l'objet considéré dépend exclusivement de sa température, le rayonnement est qualifié de thermique (rayonnement dit du corps noir). Plus la température de l'objet est élevée, plus la longueur d'onde du rayonnement émis est courte. Ainsi, les objets relativement froids de l'Univers (température comprise entre 10 K et 3 600 K) émettent un rayonnement thermique dont l'intensité maximale est située dans la gamme infrarouge du spectre électromagnétique. Le rayonnement infrarouge présente l'avantage, par rapport aux rayonnements électromagnétiques de plus courte longueur d'onde (rayonnement optique, ultraviolet et rayons X), d'être peu absorbé par le milieu interstellaire, composé de gaz et de grains de poussière. Il est ainsi possible d'observer dans l'infrarouge des sources situées à de grandes distances dans l'Univers ou bien des sources enfouies dans les nuages moléculaires du plan de notre galaxie. Cependant, l'atmosphère terrestre constitue un écran partiel au rayonnement infrarouge. En effet, la vapeur d'eau et les molécules de dioxyde de carbone présentes dans l'atmosphère absorbent une grande partie de ce rayonnement, dont n'arrivent au sol que quelques intervalles étroits du spectre (fenêtres d'observation). De plus, le rayonnement infrarouge émis par les télescopes euxmêmes tend à masquer celui émis par des sources peu intenses. Le satellite ISO, en orbite autour de la Terre, n'est pas soumis à l'absorption atmosphérique et donne ainsi accès à l'ensemble du spectre infrarouge. Le télescope placé dans un cryostat est refroidi en permanence pour éliminer le rayonnement infrarouge qu'il est susceptible d'émettre. 2 LE SATELLITE ISO est un satellite de forme cylindrique, relativement grand, disposant d'une ouverture sur le côté pour assurer un bon champ d'observation au télescope. Il mesure 5,30 m de haut, 3,60 m de long et 2,80 m de large. Lors de son lancement, son poids était de 2 200 kg. Le corps principal du télescope est constitué du cryostat composé d'une double membrane contenant de l'hélium liquide, qui garantit une température minimale (entre 2 K et 8 K) au télescope et aux instruments scientifiques. L'hélium liquide, en se réchauffant progressivement, devient gazeux et s'échappe alors dans l'espace. L'extérieur du cryostat est recouvert d'une paroi qui le protège du rayonnement émis par le Soleil. Sur cette paroi est implanté un réseau de cellules photoélectriques transformant l'énergie solaire en énergie électrique, nécessaire aux mouvements de pointage du satellite. Les instruments de contrôle sont situés dans un module situé sous le cryostat. Le télescope d'ISO est monté au centre du satellite et au sein du cryostat. Son miroir primaire mesure 60 cm ; il est recouvert d'une fine pellicule d'or permettant d'assurer une parfaite réflexion du rayonnement infrarouge. Selon une technique désormais classique, un second miroir plus petit et situé au foyer du miroir primaire réoriente le faisceau infrarouge au centre du miroir primaire, percé d'un trou à cet effet. Le rayonnement est alors analysé par l'un des quatre instruments montés à bord du satellite. La caméra d'ISO (ISOCAM) comprend deux appareils (LWS, Long Wavelength Spectrometer, et SHS, Short Wavelength Spectrometer) qui enregistrent des images dans des domaines différents de longueur d'onde pour déterminer a posteriori la composition chimique et la température de la source observée. Le photo-polarimètre (ISOPHOT), capable de donner des images, est un instrument permettant de mesurer la puissance lumineuse de la source (photomètre) dans différents domaines de longueur d'onde de l'infrarouge. Il comprend, à cet effet, trois sous-systèmes de filtres et de polarimètres. Le satellite ISO ne contient pas de dispositifs permettant de stocker à bord les données. Aussi est-il en permanence en liaison radio directe avec les stations réceptrices sur Terre pour leur transmettre les données. La durée de vie du satellite est fixée par la quantité initiale d'hélium liquide présent dans le cryostat. Lorsque l'hélium sera épuisé, le télescope et les instruments s'échaufferont progressivement et deviendront de moins en moins sensibles au rayonnement infrarouge des sources faibles. Avant le lancement, la durée de vie prévue par les scientifiques était de 18 mois. Mais le taux de dissipation de l'hélium est, en fait, plus faible que prévu, et le temps de vie d'ISO est maintenant estimé à 24 mois. 3 LA MISSION D'ISO ISO a été lancé le 17 novembre 1995, depuis la Guyane française, par une fusée Ariane 44 P sur une orbite géostationnaire très elliptique. À son point le plus rapproché de la surface terrestre, le périgée, l'altitude du satellite n'est que de 1 000 km environ. À cette altitude, ISO traverse les ceintures de rayonnement de la magnétosphère terrestre (ceintures de Van Allen). L'observation est interrompue pendant cette traversée, qui dure approximativement 8 heures. L'altitude atteinte par le satellite à son point le plus éloigné, l'apogée, est de 70 500 km. La planétologie, et plus particulièrement l'étude des atmosphères planétaires, profite largement des observations d'ISO. Les caractéristiques physiques des atmosphères planétaires riches en molécules, tels le méthane CH4 et l'hydrogène moléculaire H2, sont déduites des signatures (absorption et émission) que laissent ces molécules dans le spectre infrarouge. Par ailleurs, l'observation des comètes par ISO procure des informations sur leur composition chimique et, par suite, sur celle de la nébuleuse solaire primitive, puisque ces petits corps formés à partir de cette matière n'ont pas évolué depuis leur formation. La capacité qu'a ISO d'observer les régions denses de notre Galaxie, les nuages moléculaires, est très utile pour les régions où se forment les étoiles. Ces régions, inaccessibles à l'observation optique, contiennent de nombreuses sources infrarouges caractéristiques de la présence de toutes jeunes étoiles de moins de 10 millions d'années encore enfouies dans leur cocon. De plus, le rayonnement qu'elles émettent chauffe les grains de poussière du milieu interstellaire qui émettent de ce fait un rayonnement infrarouge de grande longueur d'onde. Les grains de poussière formés de silicates et de carbone sont vraisemblablement très importants dans le processus de formation de molécules organiques complexes et dans la formation de planétésimaux qui se constitueraient dans les régions entourant ces jeunes étoiles. Tous les instruments d'ISO sont utiles à l'observation des régions où se forment des étoiles. La caméra ISOCAM et le photomètre ISOPHOT servent d'abord à détecter les régions contenant une étoile en formation, les spectromètres sont ensuite utilisés pour analyser en détail la structure de ces régions. La zone comprenant les nuages sombres de la constellation du Caméléon a été l'une des premières régions ainsi étudiées. ISOCAM a donné 23 000 images de cette région et détecté 65 jeunes étoiles, dont 40 p. 100 d'étoiles encore inconnues. Pour une grande partie d'entre elles, ces jeunes étoiles sont entourées d'un disque de matière dans lequel se formeraient de futurs systèmes planétaires. Ces disques émettent principalement dans l'infrarouge et constituent donc une cible privilégiée pour ISO qui en a déjà détecté plusieurs. Ces observations seront très utiles pour déterminer la fréquence des disques circumstellaires et, par déduction, celle des systèmes planétaires dans notre Galaxie. Le satellite ISO sert, par ailleurs, aussi bien à l'étude des très jeunes étoiles qu'à l'observation des étoiles les plus âgées. Les nuages de gaz et de poussières obscurcissent les étoiles aussi bien au début qu'à la fin de leur vie. Mais ISO détecte leur rayonnement infrarouge. En effet, la vie d'une étoile débute par l'effondrement gravitationnel d'une partie d'un nuage moléculaire et s'achève par l'expansion de l'enveloppe de l'étoile, contenant plus de 80 p. 100 de la masse de celle-ci. Ce stade final de géante ou de supergéante est caractérisé par un environnement circumstellaire dense, froid et enrichi par les éléments lourds, tels le carbone, l'oxygène et l'azote, synthétisés durant la vie de l'étoile. L'imagerie et la spectroscopie infrarouge permettent de sonder ces milieux et d'en déterminer l'exacte composition chimique, ainsi que la structure. Parmi les découvertes marquantes d'ISO figure la détection de la présence d'olivine dans la comète de Hale-Bopp visible de la Terre en 1996 et 1997. Ce minéral à base de silicates est contenu également dans le manteau rocheux de la Terre, ce qui confirme l'origine commune de ces deux corps. Par ailleurs, ISO a détecté pour la première fois la présence de molécules d'eau en dehors du Système solaire, au sein de la nébuleuse de gaz NGC 7 027 entourant une étoile en fin d'évolution. Enfin, ISOCAM est chargé d'observer systématiquement notre Galaxie, la Voie lactée, pour tenter d'y découvrir des indices de la présence de la masse manquante. Les modèles théoriques de l'Univers et la mesure de certains effets gravitationnels montrent qu'il doit exister une quantité de matière bien supérieure à celle qui est déduite de l'analyse du rayonnement visible. L'énigme de la masse manquante est l'une des plus troublantes de l'astronomie moderne, et ISO pourrait bien contribuer à la résoudre. 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