jeudi 23 avril 2015

25 ans du télescope Hubble et de ses missions spatiales habitées



Le 24 avril 1990, la navette spatiale Discovery s’envole pour la mission STS-31. A son bord, cinq astronautes :

- Loren Shriver, Commandant (2ème vol)
- Charles Bolden, Pilote (2ème vol)
- Kathryn Sullivan, Mission Specialist (2ème vol)
- Bruce McCandless, Misson Specialist (2ème vol)
- Steven Hawley, Mission Specialist (3ème vol)

L’objectif principal de la mission est la mise en orbite du télescope spatial Hubble (HST = Hubble Space Telescope). 
La NASA et la communauté scientifique attendent depuis de longues années la mise en service de ce télescope qui doit révolutionner l’observation et la compréhension spatiales.

Son énorme taille, ainsi que son grand miroir (2,4 mètres de diamètre) lui permettent d’avoir une résolution exceptionnelle (on parle d’une résolution angulaire inférieure à 0,1 seconde d’arc). Mais c’est surtout le fait qu’il soit dans l’espace, en dehors de l’atmosphère terrestre, qui le rend si précieux. Il s’affranchit de tout ce qui gêne les plus grands instruments d’observation sur Terre en étant à une altitude d’environ 600 km. Et le fait de pouvoir observer en lumière visible, en infrarouge et en ultraviolet ont fait que, depuis 25 ans, les découvertes apportées par Hubble ont complètement bouleversées la science astronomique, astrophysique, cosmologique.

Au début des années 1970, le programme navette spatiale voit le jour. Et le projet d’un télescope spatial géant mis en place par la navette prend vie. Les caractéristiques de ce télescope vont dépendre des caractéristiques de la soute de la navette spatiale : Hubble - même s’il n’avait pas encore reçu ce nom au début du projet – n’aurait pas vu le jour sans la navette spatiale. Dans le projet, il était convenu dès le départ que la maintenance se ferait avec la navette – ce qui a été fait à 5 reprises en 1993 et 2009.

On pense à un télescope spatial depuis le début des années 1920. Hermann Oberth en parle dans un de ses ouvrages, mais c’est surtout l’astronome américain Lyman Spitzer, Jr (1914-1997) qui développe dans un article, en 1946, le concept d’un télescope spatial. Il argumente en disant qu’un télescope en orbite n’est plus gêné par les turbulences atmosphériques et qu’il peut observer en infrarouge et en ultraviolet,  ce qui est impossible sur Terre pour les télescopes.

En 1965, l’Académie des Sciences américaine charge Spitzer de définir quels seront les objectifs d’un grand télescope spatial. Mais dès 1962, la NASA a déjà envoyé des petites plateformes d’observations du soleil (en ultraviolet, rayons X et Gamma pour les OSO = Orbiting Solar Observatory) et en 1966, elle envoie son premier télescope spatial : OAO (Orbiting Astronomical Observatory). Trois autres suivront jusqu’en 1972.
Et c’est les excellents résultats obtenus par ces OAO qui font pencher la balance en faveur d’un très grand télescope spatial.
Même si décidé dès 1970, ce projet a eu beaucoup de mal à naître. La première raison est une raison financière, comme souvent dans ce genre de projet. Le coût était réellement astronomique.
La NASA modifie un peu le projet du télescope, avec une taille moindre du miroir (qui passe de 3 à 2,4 mètres de diamètre). Et elle fait appel à l’ESA (Agence Spatiale Européenne) pour être partenaire. Nous sommes en 1974-1975.
L’ESA, en contrepartie de sa participation qui consiste à fournir les panneaux solaires, à fournir l’instrument FOC (voir plus bas) et aussi à donner des fonds, l’ESA a donc le droit à une utilisation de 15% du temps d’observation.
En 1977, la situation financière se débloque avec les fonds nécessaires qui sont accordés par le Congrès. La construction de ce qui est pour le moment le Large Space Telescope (LST) débute.
(Vues d'artistes en 1980 et en 1984)
Dès le début, le télescope spatial Hubble est conçu pour être transporté, mis en orbite, et rejoint pour la maintenance par la navette spatiale, et même redescendu à Terre si besoin. La navette avait aussi pour rôle de le rehausser en altitude du fait de la perte de celle-ci causée par le frottement atmosphérique.
La durée de vie annoncée était de 15 ans avec une visite tous les deux ou trois ans.
Il est aussi entièrement conçu et pensé pour être réparé et maintenu par les astronautes. L’astronaute Bruce McCandless a consacré une grande partie de sa carrière à l’étude de cette maintenance par les équipages de la navette.

Le partage des tâches de construction et de supervision est réparti entre le Marshall Space Flight Center et le Goddard Space Flight Center, de la NASA. Lockheed s’occupera de du corps du télescope tandis que Perkin-Elmer s’occupe de l’optique.
(Polissage et contrôle du miroir primaire)
La partie optique va être extrêmement difficile à réaliser. Le début du polissage de la lentille commence en 1979. Le miroir primaire doit être poli avec une précision de 10 nanomètres, chose qui n’avait jamais été faite auparavant. Le polissage ne sera terminé qu’en 1981. Mais le projet se révèle plus coûteux qu’annoncé (on passe des 475 millions de $ en 1977 à 1,2 milliards en 1983), et les retards, essentiellement techniques, vont s’accumuler. De plus, il faut aussi prévoir les pièces de rechanges en avance, même si dans le projet, le cahier des charges prévoyaient de justement limiter ces rechanges).
(Flammes philatéliques commémoratives)

Toujours en 1983, le télescope est officiellement baptisé Hubble en hommage à Edwin P. Hubble, astronome américain (voir article de Space Relics ci-dessous / cliquez sur le lien en jaune).

Avec la catastrophe de la navette Challenger, cela laisse paradoxalement le temps aux équipes de construction d’Hubble de le terminer. Il est prêt dès 1989. Mais le coût a explosé : il est maintenant de 2 milliards de $.
(Hubble chez Lockheed peu de temps avant son envoi au Kennedy Space Center)
Un exemplaire à l'échelle 1 a été construit en 1975 par Lockheed afin de faire des tests sur la conception et la mise en place des instruments scientifiques sur Hubble (voir en fin d'article).

Description d’Hubble

Hubble est un télescope réflecteur à deux miroirs : le primaire de 2,4 mètres de diamètre et d’un miroir secondaire de 30 cm de diamètre. Architecture de type Cassegrain que connaissent bien les passionnés d’astronomie – cela lui permet d’avoir une très grande focale (de 57,6 mètres)
Adapté à la soute de la navette spatiale, il mesure 13,2 mètres de long, et pèse 11 tonnes. Avec évidemment un diamètre de 2,4 mètres correspondant à son miroir primaire, qui lui seul pèse 818 kg (il est fabriqué en nid d’abeilles)

Le miroir primaire est couplé avec trois caméras (large champ pour objets peu lumineux, en infrarouge et en champ étroit pour l’observation planétaire) ainsi que divers spectromètres.

Il y a aussi des radiateurs qui permettent de garder une température constante du miroir primaire.

Hubble possède deux grands panneaux solaires qui produisent l’électricité suffisante pour le fonctionnement des instruments à bord (voir plus bas) et systèmes d’orientation et de stabilisation du télescope. Ces panneaux fournis par l’ESA ont été remplacés en 1993 (mission STS-61) puis en 2002 (mission STS-109). Les derniers en date mesurent 7,1 x 2,6 alors que les premiers mesuraient 12,1 x 3,3 – cela est dû à de nouvelles technologies qui augmentent l’énergie fournie en abaissant la taille (5 200 watts contre 4 600).

Le rôle du télescope Hubble étant l’observation avec un pointage très précis d’objets célestes, il lui faut donc rester fixe par rapport aux objets observés. Le contrôle d’orientation est donc primordial. Pour ce faire, Hubble utilise trois capteurs de pointage fin (FGS = Fine Guidance Sensors) pour se maintenir pointé vers les objets observés et quatre capteurs qui déterminent la position du soleil. Il y a également deux magnétomètres qui aident à l’orientation par rapport au champ magnétique terrestre et six gyroscopes (dans trois systèmes de 2) pour des mouvements de rotations sur trois axes.

Il y a aussi plusieurs instruments scientifiques, qui ont tous été déjà changés, retirés au moins une fois, et certains même deux fois – actuellement en service :

Caméra Grand Champ WFC3 (Wide Field Camera 3).
L’actuelle en place est la troisième caméra (d’où le 3) et a été installée en 2009 (mission STS-125). Allant de l’ultraviolet, à l’infrarouge, en passant par la lumière visible, la WFC3 est dédiée à l’observation des galaxies très lointaines, les planètes du système solaire et le milieu interstellaire.
Caméra et spectromètre infrarouge NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectometer).
Elle fonctionnait (car en panne depuis 2013) dans le proche infrarouge et servait à l’observation des objets très lointain en en déterminant le spectre électromagnétique. Elle avait été installée en 1997 (mission STS-82).
Caméra ACS (Advanced Camera for Surveys).
Ce groupe de trois caméras (grand champ, haute résolution et ultraviolet) permet de faire des images à très haute résolution de régions stellaires où se forment les étoiles et planètes. Installée en 2002 (mission STS-109), il a été réparé en 2009 (mission STS-125) suite à une panne en 2007.
Caméra et spectromètre STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph).
Utilisation pour obtenir le spectres des galaxies grâce à des observations en ultraviolet, en proche infrarouge et en lumière visible. Installé en 1997 (mission STS-82), l’ensemble a été réparé en 2009 (mission STS-125).
Spectromètre ultraviolet COS (Cosmic Origins Spectrograph)
Etude des structures de l’Univers ainsi que de la composition des nuages de gaz et des atmosphères planétaires. Installé en 2009 (mission STS-125).

Concernant toutes les découvertes et photos de Hubble depuis son lancement, je vous renvoie vers le site officiel de la NASA :

Le dernier chapitre de cet article concerne les missions de maintenance d’Hubble.

Voir aussi, les missions Hubble par les patchs (cliquez sur le lien en jaune)


Mission STS-31

Discovery décolle donc le 24 avril 1990 pour la mission STS-31. L’équipage place sur orbite le télescope Hubble le lendemain. C’est l’astronaute Steven Hawley qui le manipule avec le bras robotique. McCandless et Sullivan sont prêt à effectuer une EVA en cas de problème de mise en place des panneaux solaires. Mais tout se passe bien. Le télescope se dirige normalement vers son point d’orbite.
Le reste de cette mission STS-31 se passe normalement avec plusieurs expériences effectuées (PCG / IPMP / APM / RME = voir sur internet les expériences de STS-31). A bord se trouvent également deux caméras IMAX. Une des caméras était dans la soute et à filmer le déploiement et mise en orbite d’Hubble.

L’équipage revient sur Terre le 29 avril après une mission de 5 jours 01 heures et 16 minutes.
(Cartes et photo signées par Steven Hawley qui a largué Hubble)
(Bruce Mccandless lors de la mission STS-31)




Tout semble aller bien, mais rapidement, on va s’apercevoir qu’Hubble a un ENORME PROBLEME … Les premières images sont FLOUES … c’est incroyable. Le télescope le plus cher du monde a une mauvaise vision – pire, ses images ne sont pas aussi bonnes que certains télescopes au sol !
Une commission d’enquête est créée et la cause est rapidement trouvée : Il y a une aberration sphérique d’un des deux miroirs, voire des deux – pour résumer, le polissage de la courbure des miroirs a été fait selon des informations erronées, et il n’y a donc pas de convergences des rayons réfléchis entre les deux miroirs … une véritable catastrophe pour la NASA et son image de marque !

On trouve une solution via un dispositif optique spécial qui présente la même anomalie mais inversée, ce qui rétablit une vision correcte – c’est le COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement). Mais son installation se fera au détriment d’un instrument qui sera enlevé. Pour éviter que cela ne se reproduisent, les futurs instruments qui seront amenés en rechange sur Hubble possèderont cette spécificité optique, et le COSTAR d’origine pourra être enlevé afin de rendre sa place à un instrument (ce qui sera fait avec la mission STS-109 en 2002).

Entre 1990 et 1993, en plus de ce problème optique, Hubble connait une série de défaillances importantes comme la panne de trois gyroscopes, de la mémoire de masse de l’ordinateur, etc …
La première mission de maintenance est décidée – ce sera STS-61.


Mission STS-61 / 1st HST servicing mission

C’est un équipage de sept astronautes très expérimentés qui s’envole à bord de la navette spatiale Endeavour ce 2 décembre 1993 pour la première mission de maintenance d’’Hubble :

- Dick Covey, Commandant (4ème vol)
- Ken Bowersox, Pilote (2ème vol)
- Kathryn Thornton, Mission Specialist (3ème vol)
- Claude Nicollier, Mission Specialist (2ème vol) / ESA-Suisse
- Jeffrey Hoffman,  Mission Specialist (4ème vol)
- Story Musgrave, Mission Specialist (5ème vol)
- Tom Akers, Mission Specialist (3ème vol)
Cette mission avait trois objectifs principaux qui ont tous été réalisés :

Remplacement des panneaux solaires
Mise en place du système de correction optique COSTAR
Installation d’une caméra grand champ
Les gyroscopes ont été changés avec succès.
(Un morceau d'un des panneaux solaires ramenés sur Terre en exposition à l'ESTEC aux Pays-Bas)
(Crédit : Spacemen1969 / Stéphane Sebile / Space Quotes - Souvenirs d'espace)
Il a fallu 5 sorties extravéhiculaires pour faire tout cela :
1ère EVA : Jeffrey Hoffman et Story Musgrave d’une durée de 07h54 min le 5 décembre -
2ème EVA : Tom Akers et Kathryn Thornton d’une durée de0 6h36 min le 6 décembre
3ème EVA : Jeffrey Hoffman et Story Musgrave d’une durée de 06h47 min le 7 décembre
4ème EVA : Tom Akers et Kathryn Thornton d’une durée de 06h50 le 8décembre
5ème EVA : Jeffrey hoffman et Story Musgrave d’une durée de 07h21 le 9 décembre
(Le COSTAR après son retour sur Terre par STS-109 et exposé au NASM)
(Avant et après la correction COSTAR)
(Litho NASA signée par Stiry Musgrave)
L’équipage revient sur Terre le 13 décembre après un vol intensif de 10 jours 19 heures et 58 min.
(Excellent livre suisse sur la mission STS-61)
Mission STS-82 / 2nd HST servicing mission

Discovery s’envole le 11 février 1997 avec encore sept astronautes très expérimentés :

- Ken Bowersox, Commandant (4ème vol / il était le pilote de la première mission de maintenance)
- Scott Horowitz, Pilote (2ème vol)
- Steven Hawley, Mission Specialist (4ème vol / il était présent lors de la mise sur orbite d’Hubble)
- Joe Tanner, Mission Specialist (2ème vol)
- Greg Harbaugh, Mission Specialist (4ème vol)
- Mark Lee, Mission Specialist (4ème vol)
- Steven Smith, Mission Specialist (2ème vol)
Cette mission permet de changer des instruments et d’améliorer Hubble dans ses performances tant techniques que de durée de vie.

Il faudra 4 sorties extravéhiculaires pour cela :

1ère EVA : Steven Smith et Mark Lee d’une durée de 06h42 le 14 février
2ème EVA : Joe Tanner et Greg Harbaugh d’une durée de 07h27 le 15 février
3ème EVA : Steven Smith et Mark Lee d’une durée de 07h11 le 16 février
4ème EVA : Joe Tanner et Greg Harbaugh d’une durée de 06h34 le 17 février

L’équipage revient sur Terre le 21 février après un vol de 9 jours 23 heures et 37 min.

Après la mission STS-82, la prochaine maintenance d’Hubble est prévue pour juin 2000, mais la panne de trois des six gyroscopes en 1999 oblige la NASA à avancer la mission de maintenance. C’est la mission STS-103. En fait, elle effectuera qu’une partie de la maintenance prévue pour juin 2000 (la deuxième partie sera effectuée par STS-109 = d’où la confusion dans le nombre annoncé de missions de maintenance).


Mission STS-103 / 3rd HST servicing mission (nommée 3A)

 Comme toujours, c’est un équipage très expérimenté qui décolle à bord de Discovery ce 20 décembre 1999 :

- Curtis Brown, Commandant (6ème vol)
- Scott Kelly, Pilote (1er vol)
- Steven Smith, Mission Specialist (3ème vol / présent lors de la mission STS-82)
- Jean-François Clervoy, Mission Specialist (3ème vol) / ESA-France
- Claude Nicollier, Mission Specialist (4ème vol / présent lors de la mission STS-61) / ESA-Suisse
- John Grunsfeld, Mission Specialist (3ème vol)
- Michael Foale, Mission Specialist (5ème vol)

L’objectif principal est de changer les six gyroscopes d’Hubble. On profitera de cette maintenance pour changer l’ordinateur, une nouvelle antenne de réception/transmission, des senseurs de guidage, etc …
C’est l’astronaute français Jean-François Clervoy qui est chargé de capturer Hubble avec le bras manipulateur et de guider ses collègues lors des EVA.
Trois sorties extravéhiculaires seront nécessaires :

1ère EVA : Steven Smith et John Grunsfeld d’une durée de 08h15 le 22 décembre
2ème EVA : Michael Foale et Claude Nicollier d’une durée de 08h10 le 23 décembre
3ème EVA : Steven Smith et John Grunsfeld d’une durée de 08h08 le 24 décembre
L’équipage revient sur Terre le 28 décembre après un vol de 7 jours 23 heures et 11 minutes.

Il faut lire absolument le récit de Jean-François Clervoy sur cette mission dans son livre paru en 2009 :
Histoire(s) d’espace – Mission vers Hubble

(Photo signée par John Grunsfeld et Scott Kelly)
(Déploiement d'Hubble après sa remise en état)


La durée de vie d’Hubble étant annoncé pour une quinzaine d’année, la dernière mission de maintenance est prévue pour 2002 avec la mission STS-109. Mais comme nous le verrons plus tard, ce ne sera pas la dernière.


Mission STS-109 / 4st HST servicing mission (nommée 3B)

Cette fois-ci, c’est la navette spatial Columbia qui va s’occuper de la maintenance d’Hubble. Elle s’envole le 1er mars 2002 avec  sept astronautes à bord :

- Scott Altman, Commandant (3ème vol)
- Duane Carey, Pilote (1er vol)
- John Grunsfeld, Mission Specialist (4ème vol / présent lors de la mission STS-103)
- Nancy Currie, Mission Specialist (4ème vol)
- James Newman, Mission Specialist (4ème vol)
- Richard Linnehan, Mission Specialist (3ème vol)
- Mike Massimino, Mission Specialist (1er vol)
(Photo signée par James Newman et John Grunsfeld)
Les objectifs de cette maintenance sont ambitieux. Il  faut changer, entre autres choses,  les panneaux solaires, une nouvelle unité d’énergie, un système de gyroscopes, et un nouveau système d’aération et de température qui permettra de faire refonctionner des instruments HS depuis 1999 (un spectromètre et une caméra infrarouge).
Il ne faudra pas moins de cinq sorties extravéhiculaires pour cela :

1ère EVA : John Grunsfeld et Richard Linnehan d’une durée de 07h01 le 4 mars
2ème EVA : James Newman et Mike Massimino d’une durée de 07h16 le 5 mars
3ème EVA : John Grunsfeld et Richard Linnehan d’une durée de 06h48 le 6 mars
4ème EVA : James Newman et Mike Massimino d’une durée de 07h18 le 7 mars
5ème EVA :  John Grunsfeld et Richard Linnehan d’une durée de 07h20 le 8 mars

L’équipage revient sur Terre le 12 mars après un vol de 10 jours 22 heures et 10 minutes. Ce sera le dernier retour sur Terre de la navette Columbia qui sera détruite lors de sa rentrée dans l’atmosphère à la mission suivante, STS-107, le 1er février 2003.
(Richard Linnehan et John Grunsfeld)
(Photo signée par James Newman)


Mission STS-125 / 5th HST servicing mission (nommée 4)

La mission STS-125 est bien la cinquième mission de maintenance vers Hubble après STS-61, 82, 103 et 109. On voit beaucoup de logos marqués 4ème mission mais c’est inexact (voir à STS-103).

Atlantis s’envole le 11 mai 2009 avec sept astronautes à bord :

- Scott Altman, Commandant (4ème vol / déjà le commandant lors de la mission STS-109)
- Greg C. Johnson, Pilote (1er vol)
- John Grunsfeld, Mission Specialist (5ème vol / déjà présent lors de STS-103 et 109)
- Mike Massimino, Mission Specialist (2ème vol / présent lors de STS-109)
- Andrew Feustel, Mission Specialist (1er vol)
- Megan McArthur, Mission Specialist (1er vol)
- Michael Good, Mission Specialist (1er vol)
Ce sera la dernière mission de maintenance du télescope Hubble. Suite à l’accident de Columbia, il a été décidé d’accélérer le retrait du service des navettes pour 2011 (la dernière mission d’une navette est celle de juillet 2011 avec STS-135).

Il avait été envisagé un temps de ramener Hubble sur Terre mais son successeur (le James Webb) ne sera pas opérationnel avant la fin de cette décennie, donc on préféra organiser une dernière mission de maintenance afin de le prolonger au moins jusqu’en 2018. Ce sera cette mission STS-125.

Une mission de secours avait été mis en place, STS-400, en cas de problème. Suite à l’accident de Columbia, de nouvelles mesures de précautions avaient été prises, notamment une inspection extérieure depuis la station spatiale internationale. Mais comme Atlantis avait une inclinaison particulière avec Hubble, il lui aurait été impossible de regagner la station en cas de problème, d’où la mission dite de secours.
Il faudra cinq sorties extravéhiculaires pour effectuer la dernière maintenance d’Hubble et le préparer pour tenir encore une dizaine d’années :

1ère EVA : John Grunsfeld et Andrew Feustel d’une durée de 07h20 le 14 mai
2ème EVA : Mike Massimino et Michel Good d’une durée de 07h56 le 15 mai
3ème EVA : John Grunsfeld et Andrew Feustel d’une durée de 06h36 le 16 mai
4ème EVA : Mike Massimino et Michel Good d’une durée de 08h02 le 17 mai
5ème EVA : John Grunsfeld et Andrew Feustel d’une durée de 07h02 le 18 mai

Un système d’amarrage a été installé à l’arrière du télescope afin d’une prise en charge par un engin automatique pour contrôler sa rentrée atmosphérique prévue d’ici une dizaine d’années. Et lors de la dernière EVA, un revêtement extérieur (sorte de couverture) a été mise en place, ce qui change l’aspect connu d’Hubble.

L’équipage revient sur Terre le 24 mai 2009 après un vol de 12 jours 21 heures et 38 minutes.
(Enveloppe signée par John Grunsfeld)

Hubble avec cette dernière mission de maintenance peut donc espérer encore de continuer de fonctionner encore quelques années – la communauté scientifique s’est mise d’accord pour lui confier trois grands programmes d’observation :

Cartographie de la Galaxie d’Andromède pour environ 1/3 des étoiles de celle-ci
Etude des amas de grandes tailles afin de déterminer la matière noire qu’elles peuvent présenter grâce à un effet de loupe gravitationnelle
Photographies du ciel profond et des galaxies, pour en savoir plus sur la formation des trous noirs, la formation des galaxies…
(Pièce commémorative émise par Palau en 2008 / on y voit une lentille)
Un exemplaire à l'échelle 1 a été construit en 1975 par Lockheed afin de faire des tests sur la conception et la mise en place des instruments scientifiques sur Hubble (voir en fin d'article). Il a servi également à des simulations de réparations et de maintenance. Cet exemplaire pris le nom de SDTV pour Hubble Space Telescope Structural Dynamic Test Vehicle.
Cet exemplaire a été offert au National Air and Space Museum (NASM) de Washington DC en 1987. Il a d'abord été restauré dans sa configuration d'origine de 1976 et exposé dans le Hall Espace (Space Hall) du NASM à partir de mars 1989.
En 1996, il est de nouveau restauré mais cette fois dans la configuration de mise en place par la navette spatiale. Le public peut l'admirer dans cette configuration depuis 1997.
(crédit : Stéphane Sebile / spacemen1969 / Space Quotes - Souvenirs d'espace)

Les Piliers de la Création (version 2014) considérée comme une des plus belles photos si ce n'est la plus belle photo prise par Hubble.

Crédit : Collection Stéphane Sebile / Spacemen1969
             Space Quotes - Souvenirs d'espace
             NASA / ESA



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