Dans moins de quatre mois, les Européens disposeront d'un instrument unique, le second du genre dans l'histoire de l'astrophysique spatiale, pour l'étude des sources " cachées " de l'Univers et, peut-être, la découverte de naissances d'étoiles. ISO, satellite d'astronomie de l'Agence spatiale européenne (ESA), est enfin prêt pour son lancement, malgré " les défis scientifiques et techniques extrêmement difficiles " qu'il a pu poser, selon l'expression même de Roger-Maurice Bonnet, directeur scientifique de l'Agence. Fin mai, il était en partance pour la Guyane française. Son lancement par une Ariane IV (44P-vol V80), à partir du deuxième ensemble de lancement Ariane (ELA2) sur le site du Centre spatial européen à Kourou, est maintenant prévu, par priorité, aux environs du 20 octobre prochain, la fenêtre de tir étant suffisamment large.
ISO sera placé sur une orbite terrestre très elliptique ayant une période de 24 heures, avec un périgée
de 1 000 km et un apogée de 70 500 km. Il passera environ seize heures par jour à l'extérieur des ceintures de protons et d'électrons captifs qui entourent la Terre, pendant lesquelles les instruments scientifiques pourront fonctionner à leur maximum de sensibilité.
Un système complexe de commande d'orientation pointera le satellite avec une très grande précision et empêchera qu'il soit pointé vers le Soleil ou la Terre. Précaution supplémentaire, un pare-soleil a été prévu pour protéger l'optique de leur rayonnement.
La toise et la balance nous le précisent: 5 mètres de hauteur, 2,5 mètres de largeur et 2,4 tonnes au décollage. Ce sont les principales mensurations d'ISO, joyau de la haute technologie européenne et première mission " type " du programme " Horizon 2 000 " de l'Agence spatiale.
Pourquoi spécifier que la masse du satellite est de 2,4 tonnes au lancement? Cela veut-il dire qu'il est prévu pour lui un nombre important de corrections d'orbite et qu'il est chargé du carburant nécessaire en conséquence? La raison est autre. Certes, ISO est un satellite d'astrométrie. Mais il est beaucoup plus que cela.
Son nom nous rappelle aussi bien la nouvelle unité de sensibilité des émulsions photographiques que le préfixe issu du mot grec " isos " signifiant " égal ". En fait, ISO est le diminutif de " Infrared Space Observatory " (laboratoire spatial pour l'infrarouge). Il est bien un télescope spatial qui se propose d'observer l'Univers froid dans l'infrarouge, dans une longueur d'onde de quelques microns à 200 microns.
Rappelons que seuls des observatoires spatiaux peuvent permettre l'exploration céleste dans les longueurs d'ondes situées entre le visible et les ondes radio, l'atmosphère terrestre empêchant quasiment toute observation au sol.
Il va offrir la possibilité d'observer en détail l'Univers, des objets proches du Système solaire jusqu'aux sources extragalactiques les plus lointaines, avec une sensibilité de plusieurs centaines de fois supérieures à ce qui a pu être obtenu jusqu'à présent. Les missions spécifiques de cet instrument qui va ouvrir une nouvelle fenêtre sur l'Univers feront l'objet d'un second article que nos lecteurs trouveront dans un prochain numéro du " Le Ciel ".
Pour observer le " froid ", le télescope d'ISO doit être refroidi constamment à quelques degrés du zéro absolu. D'où l'utilisation de 2 400 litres d'hélium liquide, en lente " ébullition ". Tant que durera son évaporation dans l'espace, cet hélium réfrigérant maintiendra le télescope et ses instruments dans les conditions de fonctionnement requises, leur assurant une durée de vie de 18 mois.
C'est peu et c'est beaucoup par rapport aux performances réalisées par le satellite IRAS dont il prend le relais. En 1983, pour la première fois et pendant 10 mois, IRAS (Infra-Red Astronomy Satellite) a exploré le ciel et révélé plus de 200 000 sources infrarouges jusqu'alors inconnues.
Donc, contrairement à l'art de la dégustation du vin qui veut que l'on apprécie la suavité d'un Chambolle-Musigny ou le velouté d'un Château-Pétrus des meilleures années à une température voisine des 17° C, en astronomie, c'est le rouge qu'il faut mettre au frais!
ISO, c'est aussi le plus gros projet que le Centre Spatial de Liège (ex-IAL SPACE) aura eu à tester jusqu'à présent, que ce soit au niveau investissement en personnel qu'au niveau financier. ISO a également fait entrer le CSL dans un domaine encore bien peu maîtrisé, celui du froid absolu.
Facilité coordonnée de l'Agence spatiale européenne, ce Centre de recherche de l'Université de Liège a pourtant déjà eu de gros " morceaux " à mettre sous la dent de son savoir-faire, comme, par exemple, le satellite d'astrométrie Hipparcos, autre fleuron du programme scientifique de l'ESA, lancé le 9 août 1989 et dont la mission s'est achevée le 15 août 1993 après avoir rempli tous les objectifs qui lui avaient été assignés.Les résultats de cette mission sont attendus pour l'année prochaine. Selon les termes d'une note publiée par l'ESA à l'issue de cette moisson, " les résultats obtenus par Hipparcos marqueront une étape décisive pour la connaissance de la structure et de l'évolution de notre galaxie et seront un héritage sans prix pour les futures générations d'astronomes ".
Il y a encore la caméra pour objets faibles du Télescope spatial Humble (Humble Space Telescope), mis sur orbite en 1990. Bien avant, on trouve la caméra de la sonde cométaire Giotto qui nous donna les premières images au monde d'un noyau de comète, celui de la célèbre comète de Halley lors du fameux rendez-vous dans la nuit du 13 au 14 mars 1986.
Aujourd'hui chef de Département au CSL, Antonio Cucchiaro fut le responsable des essais d'étalonnage et des essais de simulation au sol de l'approche de la sonde par rapport à la comète de Halley. Nous le retrouvons " test-directeur " du programme ISO. C'est bien sûr à lui que nous nous sommes adressé pour faire le point sur la contribution liégeoise au programme ISO, contribution qui, comme on va pouvoir s'en rendre compte, relève aussi du défi scientifique le plus haut et nous introduit dans le domaine passionnant mais encore bien peu maîtrisé qu'est celui du froid absolu.
C'est ainsi que le CSL a vécu son " ère de glaciation ". Allons-y voir d'un peu plus près. Le satellite ISO comporte trois parties: les panneaux solaires, le module de service (système de télémétrie, les batteries, le gyroscope de stabilisation, etc.), et le module dit de la charge utile, celui qui contient les instruments scientifiques.
Ces instruments sont: un télescope du type Ritchey-Chrétien doté d'un miroir primaire d'une focale de 9 m et d'une ouverture de 60 cm de diamètre (silice allégé pourvu d'un revêtement d'or), quatre instruments montés sous le miroir primaire: une caméra (ISOCAM), un photopolarimètre (ISOPHOT), un spectromètre de courtes longueurs d'onde (SWS) et un spectromètre de grandes longueurs d'onde (LWS). Compte tenu de leur technicité très poussée, ces instruments auront un rendement jamais atteint jusqu'à maintenant.
Pour éviter le rayonnement infrarouge parasite émis par ses propres instruments ultrasensibles, rayonnement qui aurait pour conséquence de perturber les mesures réalisées par le télescope, (le télescope comme tout autre objet émet de l'infrarouge), il a fallu recourir aux techniques cryogéniques de manière à maintenir, de façon constante, la température de la charge utile d'ISO à quelques degrés du zéro absolu, dès qu'il sera en orbite. C'est la raison pour laquelle, l'ensemble de la charge utile a été placée dans un cryostat de 2,3 m de diamètre et d'une masse de 1,5 tonne, sorte de grand Thermos de 2 200 litres d'hélium superfluide à 3° K, c'est-à-dire à la température extrême de -270° C, quasiment la plus basse que l'on puisse atteindre dans la pratique.
Les concepteurs ont également été confrontés à la difficulté d'obtenir à l'intérieur du cryostat un degré d'obscurité encore plus poussé que dans la région la plus obscure de l'Univers, afin d'éviter de perturber les mesures effectuées par le télescope qui doit présenter une très haute précision et la plus grande stabilité quelles que soient les circonstances.
Cela revient à dire que la mission du CSL fut de caractériser ( calibrer, étalonner, certifier) ce même ensemble dans les mêmes conditions, ou dans des conditions de température aussi proches que possible de celles qui seront les siennes en orbite. Etant donné la taille du télescope, cette condition impérative a nécessité le développement d'un certain nombre de technologies peu courantes, voire uniques, de très haut niveau, tels des senseurs thermiques à très basses température.
Comme tient à le préciser Antonio Cucchiaro, ces recherches ont pu être menées à bien grâce à l'aide du Laboratoire des basses températures de l'Université de Liège et à la collaboration précieuse de Robert Blanpain, chargé de cours associé honoraire de notre Alma Mater.
L'ensemble de l'infrastructure de test a dû être créé et, ensuite réalisé, en partie en sous-traitance, par un certain nombre de PME liégeoises, comme Amos, La Précision liégeoise, Britte, Les Ateliers de la Meuse. Cet ensemble a dû, lui aussi, être certifié avant son utilisation.
" En fait, explique Antonio Cucchiaro, quand on assemble ce type de télescope, c'est à température ambiante, parce qu'on ne peut intervenir quand il est à -270°. Une modélisation est donc nécessaire pour la bonne raison que la structure bouge en fonction de la température à laquelle elle est soumise. Il faut donc vérifier que l'agencement de départ conduit bien à son bon agencement pour la température à laquelle il devra fonctionner en vol. C'est la condition essentielle pour obtenir une image de qualité exceptionnelle. "
Il est un autre défi dont le Centre Spatial de Liège s'est acquitté avec la plus parfaite maîtrise. Placé dans le caisson de simulation spatiale Focal 5, le télescope qui devait être testé lui aussi à des températures cryogéniques, reposait sur un support qui lui, par contre, devait rester à température ambiante et parfaitement stable.
" Nous avons imaginé, poursuit Antonio Cucchiaro, des interfaces mécaniques pour empêcher des fuites thermiques. Il s'agit d'une conception tout à fait originale, qui a fait l'objet de plusieurs publications, et qui fait appel à des supports en quartz. Cela n'était pas évident, car il a fallu vaincre un autre problème de taille, celui de la fragilité. Imaginez un système pesant 150 kg, reposant sur des tubes en quartz de 1,5 mm d'épaisseur, d'un diamètre de 16 cm... ".
Autre défi tout aussi essentiel: éviter durant les tests et leurs préparatifs la contamination particulaire ou moléculaire des miroirs du télescope qu'une simple respiration humaine peut rendre à jamais inutilisable.
Comme nous l'a expliqué le " test-directeur " du CSL, " il était impératif de travailler dans ce qu'on appelle un environnement de classe 100, c'est-à-dire dans un environnement 100 fois plus propre en particules que celui habituel de la chambre blanche où se trouve Focal 5, et 10 000 fois plus propre que l'environnement d'un bureau qui est de classe 3 à 4 millions! Ce n'est pas facile à imaginer. Cet impératif a exigé une méthode et une philosophie de travail d'une rigueur extrême. "
Cet ensemble de défis dont les essais de qualifications optiques aux températures cryogéniques menés à bien par le Centre spatial de Liège constitue véritablement une grande première européenne qui ne peut que susciter notre admiration.
A Liège, le programme ISO a démarré en 1988, il y a donc sept ans. Il s'est terminé avec le plus grand succès le mardi 6 juillet 1993 par le dernier test du modèle de vol du télescope. Le CSL a d'abord procédé à des tests d'identité séparée: le miroir primaire seul, le miroir primaire sur sa structure métallique, puis l'ensemble du télescope sans ses expériences scientifiques, puis l'ensemble du télescope avec toutes ses expériences.
Cela représente quelque 15 000 heures de travail par an, pour les scientifiques et pour les techniciens liégeois. L'équipe de base comportait six à sept scientifiques et trois ou quatre techniciens. Cette équipe avait en charge la préparation des tests, la conception des instruments de test, leur réalisation, leur suivi quand le travail était sous-contracté.
En période de tests, c'est la moitié des effectifs du CSL, soit 22, 23 personnes, qui fut mobilisée, pour la bonne raison qu'un test se poursuit non-stop, jour et nuit, du début à la fin. Au niveau budgétaire, on peut estimer qu'un test représente un coût d'une dizaine de millions de francs belges. Si l'on comprend le matériel de tests, l'enveloppe globale est de l'ordre de 400 millions. Ce n'est pas négligeable, même en face du budget total consenti par l'ESA et l'ensemble de ses membres, soit quelque 20 milliards de francs belges. Il n'est pas inutile de le rappeler, le programme scientifique fait partie des programmes obligatoires de l'Agence.
ISO sera le seul satellite d'observation scientifique dans l'infrarouge fonctionnant en orbite pendant les dix prochaines années au moins, voire plus. En effet, la réalisation du projet américain similaire, le SIRTF (Space Infra-Red Telescope Facility) a été repoussée sine die, faute de crédits.
C'est non sans quelque fierté amplement justifiée que le CSL a quitté son " ère de glaciation ". A présent, il prépare l'arrivée toute prochaine du télescope du satellite astronomique XMM (X-RAY MULTI-MIRRO), deuxième " pierre angulaire " du programme scientifique " Horizon 2 000 " de l'ESA.
Destiné à l'observation dans le rayonnement X, XMM va donc s'intéresser aux objets très chauds, violents, voire cataclysmiques, comme les quasars et certains noyaux galactiques, les étoiles à neutrons, les trous noirs. Le CSL va passer au torride. Nous y reviendrons.
Grâce à ISO, il lui reste l'expérience acquise dans le domaine de la cryogénie. Le Centre liégeois poursuit actuellement un programme de recherche fondamentale pour la mise au point de détecteurs à 0,3° Kelvin (-272,80 C) destinés à réaliser de futurs tests spatiaux pour le compte de l'ESA.
En cryogénie aussi, le Centre spatial de Liège est devenu un centre d'excellence.
Le don de l'absolu.
Pierre Bastin
(Cet article a été publié dans la revue "Le Ciel", bulletin de la Société astronomique de Liège, de juin 1995)