Herschel est un télescope spatial infrarouge développé par l'Agence spatiale européenne (ESA) opérationnel entre 2009 et 2013. Son objectif scientifique est de réaliser des observations astronomiques dans les domaines de l'infrarouge lointain et submillimétrique (longueurs d'onde 55 à ) pour étudier la naissance des étoiles, la formation et l'évolution des galaxies primitives ainsi que la chimie du milieu spatial.
Avec son miroir primaire de de diamètre, Herschel est à son lancement le plus grand des télescopes spatiaux à entrer en serviceRevue Les Défis du CEA , sur defis.cea.fr.. Il est équipé de trois détecteurs spécialisés PACS, SPIRE et HIFI fonctionnant à des températures très basses. Herschel, nécessitant une longue phase de maturation technique, est la dernière des missions larges du programme scientifique à long terme Horizon 2000, élaboré par l'agence spatiale dans les années 1980, à être lancée. Herschel succède, pour l'observation dans l'infrarouge au télescope européen ISO (1995-1998), à l'américain Spitzer (2003-2020) et au japonais ASTRO-F (2006-2011).
Herschel est lancé en 2009 par un lanceur , avec un autre observatoire spatial européen Planck, et placé en orbite héliocentrique autour du du système Soleil-Terre. Pour observer le rayonnement infrarouge lointain et submillimétrique, Herschel doit refroidir ses instruments avec de l'hélium liquide. Trois ans et demi après le lancement, l'hélium embarqué s'est entièrement évaporé, mettant fin comme prévu aux opérations du satellite, qui est en sur une orbite de rebut. Herschel remplit entièrement ses objectifs, en amassant d'observation dont l'exploitation débute tout juste, alors que la mission s'achève. Le coût de la mission est évalué en 2010 à en incluant les coûts de lancement ainsi que les coûts opérationnels.
Historique
En 1982, Herschel est proposé sous l’appellation FIRST () à l'Agence spatiale européenne. Celle-ci élabore en 1984, pour la première fois, un programme scientifique à long terme baptisé . L'agence, s'appuyant sur l'expertise de la communauté scientifique, identifie le développement d'une mission de spectroscopie hétérodyne comme l'une des quatre « pierres angulaires » (classe de mission la plus coûteuse) du programme. En 1986, FIRST est sélectionné pour ce rôle The First Mission: Baseline, Science Objectives and Operations, Authors: Pilbratt, G. Journal: The Far Infrared and Submillimetre Universe. 1997., . Le projet rentre alors dans une longue période de maturation technique, qui s'achève avec une étude industrielle en 1992-1993. Prenant en compte l'expérience gagnée avec son télescope infrarouge ISO, opérationnel entre 1995 et 1998, la conception de la mission est partiellement modifiée : l'agence spatiale décide que Herschel est placé en orbite autour du , plutôt que l'orbite terrestre basse. En 2000, FIRST est baptisé Herschel, d'après l'astronome William Herschel, qui a notamment découvert le rayonnement infrarouge des objets célestesDavid Fossé, « Planck et Herschel : deux satellites en quête des origines », dans Ciel & Espace, , avril 2009. Après la mise en suspens en 2000, la réalisation du télescope est lancée en 2001Herschel Space Observatory? An ESA facility for far-infrared and submillimetre astronomy, G.L. Pilbratt, J.R. Riedinger, T. Passvoge, G. Crone, D. Doyle, U. Gageur, A.M. Heras, C. Jewell, L. Metcalfe, S. Ott, and M. Schmidt.
Un télescope de l'infrarouge lointain
Herschel est un télescope de l’infrarouge lointain et est le premier à observer l'Univers jusque dans les rayonnements submillimétriquesJean-Pierre Largillet, « Thales Alenia Space : prêt pour la prodigieuse aventure spatiale de Planck et Herschel ! », dans WebTimeMedia, 19 février 2009, en ligne sur www.webtimemedias.com. Il est doté d'un miroir primaire de de diamètre (contre seulement pour le télescope spatial Hubble), ce qui en fait le plus grand télescope en orbite, jusqu’à l’arrivée du télescope spatial James-Webb en 2021.
Successeur de l'observatoire ISO, déjà réalisé par Aérospatiale et qui révolutionne l'astronomie infrarouge de 1995 à 1998, Herschel peut observer des régions de l'Univers, froides et chargées de poussières, inaccessibles aux autres télescopes. Il doit étudier en priorité 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 composés organiques complexes dans la chevelure des comètes.
Le satellite
Il est développé sous la maîtrise d'œuvre de Alcatel SpaceChristian Lardier, Anne Musquère, « Herschel et Planck à la conquête de l'Univers froid », dans Air et Cosmos, , ., dans son usine de Cannes, le directeur de programme Jean-Michel Reix, avec une équipe industrielle comprenant une centaine d'entreprises réparties dans européensJean-Pierre Casamayou, « Les satellites Herschel et Planck foncent vers », dans Air et Cosmos, , ..
La plate-forme : un développement commun pour Herschel et Planck
Un module de service (SVM) est conçu et fabriqué par Thales Alenia Space dans son usine de Turin, pour les deux satellites Herschel et Planck combinés dans un programme uniqueJean-Jacques Dechezelles (AAAF), « Les missions scientifiques Herschel et Planck - conférence de Bernard Collaudin et Thierry Banos (Thales Alenia Space) », dans La Lettre AAAF, 9, octobre 2006, , .
Les structures des deux modules de service sont très semblables, de forme octogonale. Chaque panneau est destiné à des équipements thermiques, des réchauffeurs, prenant en compte les dissipations thermiques des expériences et des équipements du satellite voisin. De plus, une conception commune est retenue pour l'avionique des deux satellites, le système de mesure et de contrôle d'attitude, le système de contrôle et de gestion des données, le sous-système de télémesure et télécommande. Tous les équipements de la plate-forme sont redondants.
Puissance électrique
Sur chaque satellite, la puissance est fournie par des panneaux solaires équipés de cellules photovoltaïques à triple jonction, d'un accumulateur, et d'un système de contrôle gérant la charge de l'accumulateur et distribuant une tension régulée de aux divers équipements. Sur Herschel, le panneau de cellules solaires est fixé en bas du pare-soleil dont la fonction principale est de mettre le cryostat à l'ombre du soleil. Sa partie supérieure est couverte de miroirs en silice pure (OSR, ) réfléchissant 98 % de l'énergie solaire, évitant donc une entrée d'énergie dans cette zone contenant le cryostat. Ce générateur solaire est constamment dirigé vers le Soleil, grâce au système de contrôle d'attitude à trois axes.
Système de mesure et de contrôle d'attitude
Le contrôle d'attitude est effectué par un calculateur prenant en compte les mesures des senseurs d'attitude et commandant les couples de contrôle pour répondre aux spécifications de pointage et de basculement des charges utiles de Herschel et de Planck. Le satellite Herschel est stabilisé selon trois axes, respectant une spécification de pointage de d'arc. Le senseur d'attitude principal pour les deux satellites est un capteur stellaire. Sur Herschel, l'attitude est estimée à partir des mesures du capteur stellaire et d'un gyroscope très précis. Les couples de contrôle sont fournis par des roues de réaction.
Charge utile
La charge utile réalisée par EADS Astrium Satellites (Allemagne) repose sur un télescope Ritchey-Chrétien avec un miroir primaire de de diamètre réalisé en carbure de silicium par Boostec à Bazet, France, près de Tarbes. C'est le plus grand miroir construit pour l'astronomie spatiale.
La charge utile comprend trois instruments scientifiques :
PACS
PACS () est une caméra à bolomètre et un spectromètre de moyenne résolution à photoconducteurs fonctionnant sur les longueurs d'onde de . Le spectromètre permet l'analyse de la signature spectrale du carbone et de l'oxygène. Il est fourni par l'Institut Max-Planck de physique extraterrestre de Garching bei München et Kayser-Threde, grâce à un financement de l'Agence spatiale allemande (DLR). Les bolomètres sont conçus et réalisés par le Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (CEA-Leti) puis testés et intégrés à l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (CEA-Irfu) ; les cryogénérateurs, développés par le CEA-IRIG, abaissent leur température de 2 à .
SPIRE
SPIRE () est une caméra et un spectromètre de moyenne résolution fonctionnant sur les longueurs d'onde de . Il possède cinq bolomètres pour mesurer trois couleurs et la plus grande longueur d'onde d'une source. Il est fourni par l'université de Cardiff au Pays de Galles, avec la France en co-investisseur. Spire est refroidi par les cryogénérateurs.
HIFI ()
HIFI () est un spectromètre hétérodyne à très haute résolution, fonctionnant sur les longueurs d'onde de 157 à , destiné à l'étude de la composition chimique, la cinématique et l'environnement physique des sources. Il est fourni par le Institut néerlandais de recherche spatiale (SRON), avec des participations de la France, de l'Allemagne et des États-Unis.
Le très grand froid Le satellite réutilise la technique embarque un imposant cryostat à hélium liquide () qui enserre le plan focal du télescope et les parties sensibles des trois instruments à l'intérieur d'un espace froid à . La lente ébullition contrôlée de l’hélium liquide embarqué permet de maintenir cette température cryogénique pendant les trois ans et demi de la mission.
Lancement, orbite et durée vignette|Les cinq points de Lagrange du système Terre-Soleil.
Le télescope spatial Herschel arrive le en Guyane, à bord d'un Antonov, puis rejoint le centre spatial guyanais de Kourou pour ses derniers préparatifs en vue d'un lancement prévu pour le . Il est finalement lancé (conjointement avec le satellite Planck) le à , depuis Kourou, par un lanceur -ECA, le vol 188, sur une orbite très elliptique de de périgée et d'apogée le menant aux alentours du second point de Lagrange du système Terre-Soleil (dénommé )Jean Etienne, « En bref et en vidéo : lancement réussi de Herschel et Planck - Le lanceur européen Ariane 5 ECA a parfaitement décollé ce jeudi 14 mai 2009 à 13 h 12 TU depuis la base européenne de Kourou, emmenant sous sa coiffe les deux télescopes spatiaux Herschel et Planck », dans Futura-Sciences, 14 mai 2009, en ligne sur www.futura-sciences.com Lancement sur videocorner.tv« Dernières nouvelles d'Herschel », en ligne sur Herschel Latest News. Le , une première correction importante de trajectoire accélère Herschel de par allumage de ses propulseurs à hydrazine pendant .
Le , le couvercle du cryostat est ouvert. Le télescope prend sa première image de la galaxie M51 apparaissant avec une netteté inégalée ce qui laisse présager des futures images que Herschel doit prendre« Première image de Herschel ! », communiqué de presse Thales Alenia Space, 22 juin 2009, en ligne dans www.thalesgroup.com. Vers le , au voisinage du point , il se place suivant une trajectoire appelée orbite de Lissajous. Le satellite doit y fonctionner pendant au moins , la durée définitive étant essentiellement soumise aux fuites du système de refroidissement, ( d'hélium liquide superfluide).
Phase opérationnelle