Vue d'artiste des satellites Planck et Herschel. © ESA, Thales Alenia Space

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Planck et Herschel : retour en images sur les satellites les plus complexes d’Europe

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Il y a 10 ans, l'Agence spatiale européenne lançait les observatoires spatiaux Planck et Herschel. Le premier, conçu pour étudier les infimes variations de température du fond diffus cosmologique et le second, premier satellite à observer l'Univers jusque dans les rayonnements submillimétriques. Réalisés par Thales Alenia Space, ces deux satellites sont considérés comme les plus complexes jamais réalisés en Europe. Nous vous expliquons pourquoi.

Le 14 mai 2009, il y a 10 ans jour pour jour, un lanceur Ariane 5 lançait, depuis Kourou, Herschel et Planck. Ces deux observatoires spatiaux, réalisés par Thales Alenia Space (TAS) pour le compte de l'Agence spatiale européenne (ESA), ont été conçus pour dévoiler certains des secrets les mieux gardés de l'Univers, comme la formation des étoiles et des galaxies (Herschel) ou du Big Bang (Planck). À l'époque de leur réalisation, Thales Alenia Space s'était entourée d'une des plus grandes équipes industrielles jamais réunies pour un projet de cette nature avec 500 personnes et plus de 90 contractants dans 17 pays. 

Ces deux observatoires avaient contraint TAS à de réelles innovations technologiques. Planck a été le satellite le plus froid jamais lancé et Herschel, avec son miroir primaire de 3,5 mètres, était le plus grand observatoire spatial d'imagerie jamais réalisé. Ils restent à ce jour répertoriés parmi les satellites scientifiques les plus complexes jamais réalisés en Europe.

Le satellite Planck et son système de refroidissement passif. © Remy Decourt

Pour parvenir à observer le rayonnement fossile dont la température est de 2,725 K (-270,435 °C) et déceler les infimes variations de température qu'il comporte et qui n'excèdent pas 0,002 °C, Planck se devait d'être refroidi dans ce même ordre de grandeur. Or, à l'époque, l'industrie spatiale n'avait jamais construit de satellite aussi froid. Avec des températures de fonctionnement proches du zéro absolu, TAS a dû innover au niveau de la cryogénie et concevoir un système de refroidissement passif et actif qui faisait appel à des technologies complètement nouvelles.

Trois écrans thermiques et des refroidisseurs inédits pour l’époque

Le système passif du satellite se composait de trois écrans thermiques en aluminium situés entre le télescope et la plateforme. Ce concept, alors entièrement nouveau, avait été conçu spécifiquement pour Planck. De cette façon, la charge utile était installée sur la face qui pointait en permanence à l'opposé du Soleil. Elle était séparée du module de service par ces trois écrans de protection thermique, ce qui permettait de maintenir le télescope à moins de 60 K (-213 °C). Quant au refroidissement actif du satellite, il était « assuré par des refroidisseurs qui avaient pour mission de faire baisser encore plus bas cette température ». Jusqu'à 4 K, voire 0,1 K pour les bolomètres de l'Instrument à haute fréquence (HFI), fournis par l'ESA. Pour s'assurer du bon fonctionnement de toute cette chaîne cryogénique, TAS a utilisé les installations du Centre spatial de Liège où la température du satellite est descendue à -273,05 °C (à 0,1 °C du zéro absolu) pour la partie la plus froide. Une température maintenue durant deux semaines, ce qui avait représenté un défi technique. C'était en effet la seule fois que la chaîne complète de refroidissement du satellite Planck avait été testée sur Terre avant son lancement.

Quant à Herschel, son miroir primaire de 3,5 mètres était évidemment la pièce maîtresse. En 2009, il était le plus grand jamais réalisé à ce jour pour un satellite. Il a été réalisé en carbure de silicium, ce qui a permis de limiter son poids à seulement 350 kg. À titre de comparaison, Hubble est doté d'un miroir de seulement 2,4 mètres de diamètre qui pèse trois fois plus.

Le miroir primaire (3,5 mètres) d'un seul tenant, réalisé par les équipes d'Airbus sous la maîtrise d'œuvre de Thales Alenia Space. © ESA, S. Corvaja

L'autre point dur a été le cryostat. Large et haut de trois mètres, il était alors identique dans son principe à celui d'ISO, un satellite précurseur d'Herschel. À la différence que si le télescope ISO avait pu être entièrement logé à l'intérieur du cryostat grâce aux 70 centimètres de son miroir, cela n'a pas été le cas avec le miroir de 3,5 mètres d'Herschel, situé à l'extérieur et face au cryostat. La difficulté a été de rendre le cryostat plus efficace, en ligne avec les spécifications et les objectifs de la mission. Sa durée de vie contractuelle devait être plus longue, 4 ans contre 18 mois pour ISO. Au final, la durée de vie d'Herschel aura été augmentée de six mois.

Même s'il y a moins d'innovations qu'avec Planck, Herschel est aussi un satellite très innovant. Sa conception globale répondait à une multitude de contraintes comme celles imposées par les panneaux solaires, dont la mise au point a posé quelques problèmes liés à des températures élevées (jusqu'à 130 °C) au niveau de la tenue mécanique et des cellules solaires. Autre souci, il a fallu s'assurer que le miroir primaire soit à la température la plus basse possible avec le moins de lumière parasite possible.

Pour Thales Alenia Space, le programme Herschel/Planck a permis de consolider des compétences préexistantes. Cela lui a permis de remporter le programme Euclid (2022) de détection et d'étude de la matière et de l'énergie noire et une contribution à Plato (2024), une mission inédite de recherche d'exoplanètes dont un millier de planètes telluriques semblables à la Terre parmi lesquelles une centaine dans la zone d'habitabilité de leur étoile. Ces deux missions de l'Agence spatiale européenne ont des exigences et des orbites similaires à celles d'Herschel/Planck. Euclid est fortement inspiré d'Herschel/Planck, dont le design a été transposé avec évidemment une charge utile très différente. Quant à Plato, l'héritage d'Herschel/Planck se situe au niveau du système de gestion de la stabilité et du contrôle du satellite dont les 34 télescopes de 12 centimètres nécessiteront une stabilité parfaite. Enfin, Herschel/Planck est aussi un atout pour Thales Alenia Space qui concourt à la réalisation d'Ariel, une mission ESA conçue pour étudier l’atmosphère d’un millier d’exoplanètes (à l'horizon 2030).

Les satellites Planck (gauche) et Herschel. Planck est vu au Centre spatial de Liège en vue de ses essais environnementaux grands froids. Quant à Herschel, il est ici préparé aux tests acoustiques réalisés à l'Estec. © Remy Decourt

Des avancées scientifiques significatives

Herschel, le télescope spatial, a su observer des régions de l'Univers, froides et chargées de poussières, inaccessibles aux autres télescopes de cette période. Il a notamment pu étudier la genèse des galaxies et l'évolution des étoiles en formation, ainsi que les nuages de gaz et de poussières où naissent les étoiles, les disques protoplanétaires et les molécules organiques complexes dans la chevelure des comètes. Il a notamment été le premier satellite à étudier le spectre complet des longueurs d'onde de l'infrarouge lointain. Planck, l'observatoire scientifique, a quant à lui permis l'étude du « bruit de fond cosmologique », autrement dit le rayonnement fossile de la toute première lumière de l'Univers, qui a été émise 380.000 ans après le Big Bang, il y a donc 13,8 milliards d'années. Planck a fourni des informations essentielles sur la création de l'Univers et de notre propre Système Solaire. Planck a décelé de nombreuses zones où des étoiles sont sur le point de naître ou entament tout juste leur cycle de développement.

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