A la recherche du rayonnement le plus froid

La charge utile de Planck en chambre acoustique
25 août 2004

La structure du télescope de Planck, l’observatoire européen du rayonnement primordial de l’univers, entame ses premiers essais à Cannes.

Alors que la chaleur écrase les vacanciers de la Côte d’Azur, à deux pas du front de mer cannois, dans les salles blanches climatisées d’Alcatel Space, les équipes s’activent pour préparer une structure destinée à fonctionner par une température inférieure à 60 K (-213°C).

Le télescope du satellite Planck est conçu pour étudier les infimes variations dans le « bruit de fond » cosmique, ce rayonnement fossile, ultime vestige de la première lumière apparue dans l’univers quelque 380 000 ans après le Big Bang, soit il y a plus de 13 milliards d’années. L’univers était alors mille fois plus petit qu’aujourd’hui et sa température était descendue à 3 000 K, permettant aux premiers atomes d’hydrogène de se former et à la lumière – séparée de la matière - de se déplacer librement.

Ce rayonnement fossile, à une température de 2,725 K (-270,435°C), a été découvert en 1964 et, en 1992, le satellite COBE (Cosmic Background Explorer) de la NASA a dressé une première carte des minuscules variations – l’écart entre maxima et minima n’excède pas 0,002° - qui trahissent les premières accrétions de matière au cours du premier milliard d’années de l’Univers. La NASA a réitéré l’opération en 2002 avec le satellite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) dont la sensibilité atteignait 20 µK et la résolution angulaire 0,3° par pixel.

Planck doit renouveler l’exploit, mais avec une sensibilité décuplée par rapport à WMAP et une résolution angulaire portée à 5 minutes d’arc.

Toujours plus froid

La structure du téléscope en essais de vibration

Pour atteindre ce degré de précision, les instruments de Planck devront être maintenus à des températures extrêmes. Les bolomètres de l’Instrument à Haute Fréquence (HFI), développé par l’Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS) d’Orsay, près de Paris, fonctionneront ainsi à 0,1 K.

Afin d’y parvenir, Planck utilisera une combinaison inédite de refroidissement passif et actif. En premier lieu, tout au long de sa mission, le satellite présentera sa face inférieure – dallée de cellules solaires – au Soleil. De plus, son module de charge utile – sur la face opposée – sera séparé du module de service par trois écrans de protection.

« Ce concept de refroidissement passif par “effet miroir” est totalement inédit » souligne Jean-Jacques Juillet, chef de projet Herschel/Planck chez Alcatel Space. Néanmoins, il a également été retenu pour le futur télescope spatial James Webb, de la NASA, auquel contribuera l’ESA et qui doit succéder au télescope spatial Hubble.

Les écrans de protection thermique en essai

« Ce système devrait permettre d’isoler la charge utile du module de service – dont la température avoisinera les 300 K (27°C) – et de maintenir le télescope entre 50 et 60 K. Nous atteindrons l’équilibre thermique en 10 jours environ ».

Pour refroidir les instruments, trois systèmes actifs seront utilisés. Le premier est un refroidisseur à absorption, fourni par le Jet Propulsion Laboratory (JPL) américain. Il permettra de passer de 60 à 20 K, température de fonctionnement de l’instrument à basse fréquence (LFI). Un deuxième refroidisseur, fourni par le Rutherford Appleton Laboratory (RAL) britannique, abaissera la température de 20 à 4 K. Enfin, un refroidisseur à dilution d’hélium permettra d’atteindre la température de 0,1K requise pour les détecteurs du HFI.

Ce dernier refroidisseur a été mis au point par le CRTBT (Centre de Recherche sur les Très Basses Températures) de Grenoble et a déjà volé sur le ballon stratosphérique Archéops du CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) qui a lui aussi étudié le rayonnement fossile en 2001/2002.

Essais à Cannes puis à Liège

Artist's impression of Planck
Planck en orbite

« Pour atteindre notre objectif de performance, nous devons non seulement atteindre ces températures mais éviter les variations supérieures à une part par million sur l’ensemble du chemin optique », note Jean-Jacques Juillet.

« La conception de Planck représente un grand défi technique, en raison des nombreuses charges thermiques subies et des rejets de chaleur qui devront être réalisés » explique Anders Elfving, chef de l’ingénierie de Herschel/Planck au centre technique de l’ESA (ESTEC) à Noordwijk (Pays-Bas). « Nous allons devoir en tester la robustesse. »

Le modèle de qualification du télescope de Planck a été livré en juin à Alcatel Space, maître d’œuvre du satellite, par la firme suisse Contraves. En fait, il était déjà sur le site depuis plusieurs mois afin de subir des essais thermiques et mécaniques pour le compte du contractant helvétique. Au début de l’été, il a été assemblé sur un modèle représentatif du satellite pour entamer une première série d’essais acoustiques sur le site de Cannes.

La structure du téléscope en chambre acoustique

Par la suite, les essais cryogéniques se dérouleront à Liège, en Belgique, où l’ESA a fait réaliser le premier simulateur d’environnement spatial refroidi à l’hélium liquide d’Europe.

«  Les autres simulateurs sont refroidis à l’azote liquide, ce qui permet d’atteindre des températures de 90 K » explique Anders Elfving. « Avec l’hélium liquide, nous atteignons 4 K sous une enceinte spéciale ».

Les réflecteurs du télescope – réalisés par EADS Astrium en Allemagne - sont déjà à l’essai au Centre Spatial de Liège, afin de déterminer leur tenue à 50 K. « Nous devons nous assurer que les structures en carbone époxy ne se déforment pas et ne créent pas de microstructure susceptibles d’altérer la qualité du télescope en rétrécissant sous l’effet du froid. »

Les modèles de vol du télescope et de la structure cryogénique arriveront à Cannes à la fin de l’année. La plate-forme du satellite, réalisée en Italie par Alenia Spazio, sera livrée mi-2005.

Tourner le dos au Soleil

Location of Lagrangian point (L2)
Le point de Lagrange L2, où sera basé Planck

Planck, dont la masse avoisinera 1,8 tonne, sera lancé en 2007 par Ariane 5 en compagnie d'un autre observatoire de l'ESA, Herschel, qui étudiera le ciel dans le domaine infrarouge. Ces deux satellites, réalisés par une large équipe industrielle sous maîtrise d’oeuvre d’Alcatel Space, ont fait l’objet en juin 2001 du plus gros contrat industriel jamais signé par l’ESA dans le domaine scientifique. Ils seront placés en orbite autour d'un des points d'équilibre du système Terre-Soleil, situé à environ 1,5 millions de kilomètres de la Terre dans la direction opposée au Soleil.

Dès son largage, Planck sera stabilisé par rotation et rejoindra son orbite définitive sans avoir à effectuer de manoeuvre majeure. Son télescope, pointé latéralement avec un angle de 85° par rapport à l’axe de rotation du satellite, balayera le ciel, effectuant une couverture globale tous les 6 mois. La mission devrait durer au moins 18 mois, pendant lesquels le satellite opérera de manière autonome, transmettant ses mesures à la Terre une fois par jour.

Au-delà du défi industriel représenté par la double maîtrise d’œuvre avec Herschel, qui a permis de rationaliser de nombreux développements, la mission Planck peut s’enorgueillir d’avoir mobilisé l’essentiel des compétences du site de Cannes, que ce soit pour la stabilisation par rotation comme sur les satellites Météosat, les contraintes cryogéniques comme sur l’observatoire ISO, ou les technologies des satellites de télécommunications et d’observation.

Un spectre qui reste à explorer

Simulation of cosmic ray background, as Planck would see it
Le rayonnement fossile, tel que le verra Planck

« La charge utile se situe à mi-chemin entre une antenne et un instrument optique », fait remarquer Jean-Jacques Juillet. « L’instrument LFI étudiera le rayonnement cosmique entre 30 et 100 GHZ, or 30 GHz c’est la frange haute des hyperfréquences en télécommunications, tandis que HFI travaillera entre 100 et 900 GHz, ce qui nous amène dans l’infrarouge très lointain. Nous allons explorer le “no man’s land” du spectre électromagnétique. »

Ce sera l’occasion de mener également d’autres investigations au-delà de l’étude du seul rayonnement cosmique. En effet, de nombreux objets émettent dans cette gamme du spectre, à commencer par notre propre galaxie. Il faudra donc identifier les « bruits parasites » qu’ils émettent et les éliminer pour obtenir une carte du rayonnement fossile. En pratique, plusieurs des canaux des instruments de Planck serviront essentiellement à cela, ce qui signifie que l’observatoire recueillera entre autres une masse de données sans précédent sur les gaz et les poussières dans notre Voie Lactée et dans les autres galaxies.

Ces informations sur la jeunesse de l’Univers - ainsi que sur la « matière noire », invisible et mal connue, qui en compose l’essentiel de la masse - seront mises à profit pour affiner les modèles cosmologiques et donner la possibilité aux scientifiques de faire un pas de plus vers des réponses aux questions fondamentales sur ses origines et sa structure, mais aussi son expansion et son devenir.

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