Infrared Space Observatory

Développement

L'Agence spatiale européenne propose le projet ISO (Infrared Space Observatory) en mars 1979. Après plusieurs études, celui-ci est sélectionné en 1983. Il constitue une des « pierres angulaires » (missions principales) du programme scientifique Horizon 2000 de l'agence spatiale. Les instruments scientifiques embarqués font l'objet d'un appel à propositions en juillet 1984. Quatre instruments sont sélectionnés en juin 1985. Le développement de l'observatoire spatial est confié à la société Aérospatiale (Centre spatial de Cannes - Mandelieu) aujourd'hui Thales Alenia Space. L'équipe industrielle comprend 32 sociétés dont la DASA (Allemagne) responsable de la charge utile, Linde AG chargé du sous-système de refroidissement utilisant l'hélium liquide, Aérospatiale (France) pour le télescope, CASA (Espagne) pour la structure du module de service, le sous-système thermique et le câblage et Fokker (Pays-Bas) pour le contrôle d'attitude. Une dizaine de pays fournissent les différents composants des instruments scientifiques.

Phase opérationnelle

Le télescope ISO est placé sur son orbite le 17 novembre 1995 par un lanceur Ariane 4 de type 44P décollant depuis le Centre spatial guyanais. Le satellite fonctionne de manière nominale jusqu'à l'épuisement de ses réserves d'hélium liquide utilisés pour maintenir les instruments à une température inférieure à - 269 °C. La mission s'achève le 8 avril 1998 lorsque l'hélium s'est entièrement évaporé. Une fois celui-ci épuisé, des observations partielles sont encore réalisées durant encore 150 heures à l'aide de l'instrument SWS qui peut fonctionner sans source de froid. Différents tests sont réalisés avant l'extinction définitive du satellite le 16 mai. Le satellite doit effectuer une rentrée atmosphérique 20 à 30 ans après l'arrêt des opérations. Le télescope est resté opérationnel durant 30 mois, soit 12 mois de plus que prévu ce qui permet d'observer la région d'Orion/Taurus, très importante sur le plan scientifique, accessible seulement durant ce prolongement non planifié^,.

Les performances du satellite se révèlent bien meilleures que prévu avec une précision de pointage d'une seconde d'arc (dix fois mieux qu'exigé par le cahier des charges) et une instabilité de pointage au bout de 30 secondes de 2,7 secondes d'arc soit cinq fois mieux que les spécifications. 98 % des objectifs prioritaires sont observés et la disponibilité du télescope est de 98,3 % du temps affecté aux opérations scientifiques. Durant la mission, 27 000 observations individuelles sont effectuées^,.

Traitement postérieur des données

Le projet ne s'achève pas avec l'arrêt des opérations du satellite. Toutes les données sont traitées en utilisant l.ensemble des données de calibrage collectées durant la mission. Les données résultantes sont mises à la disposition de la communauté des astronomes en décembre 1998 et toutes les données sont entrées dans le domaine public en août 1999. De 2002 à 2006, les données sont de nouveau traitées pour constituer l'archive définitive d'ISO.

Plate-forme

La plate-forme (module de service) stabilisée sur trois axes comprend :

• un panneau solaire monté sur le pare-soleil fournissant au minimum 580 watts en fin de mission.
• un système de télécommunications qui assure un débit de 32 kilobits par seconde dont 24 sont alloués aux données scientifiques.
• un système de contrôle d'attitude qui maintient le pointage avec une erreur relative de 2,7 secondes d'arc et une erreur absolue de 11,7 secondes d'arc. L'orientation du télescope est contrôlée avec une combinaison de capteurs solaires, viseurs d'étoiles et de gyroscopes. L'orientation est corrigée principalement par quatre roues de réaction qui sont désaturées par un système de propulsion à ergols liquides utilisant de l'hydrazine.

Cryostat

Le cryostat permet de maintenir les instruments scientifiques et le télescope à une température comprise entre 1,8 et 4 K durant une période de 18 mois. Le cryostat contient 2 250 litres d'hélium 2 supercritique refroidi à une température de 1,8 K. Certains détecteurs des instruments sont directement reliés au réservoir d'hélium tandis que d'autres sont refroidis par les gaz produits par l'évaporation de l'hélium.

Optique

La charge utile comprend un télescope Ritchey-Chrétien avec une ouverture effective de 60 centimètres de diamètre et une focale de f/15. Le champ optique est de 20 minutes d'arc. La lumière qui frappe le miroir primaire est envoyée vers le miroir secondaire suspendu au-dessus du miroir primaire par un tripode. Ce dernier envoie à son tour le faisceau lumineux vers une ouverture située au centre du miroir primaire. Sur le revers de celui-ci se trouve un miroir de forme pyramidale qui découpe le faisceau lumineux en quatre sous-ensembles qui sont envoyés à 90° de l'axe optique vers les quatre instruments scientifiques montés en périphérie. Chaque instrument peut recevoir une image de 3 minutes d'arc centrée autour d'un axe situé à 8,5 minutes d'arc de l'axe du télescope. Les miroirs primaire et secondaire sont réalisés en silice fondue de manière à optimiser la diffraction.

Instruments scientifiques

ISO emporte quatre instruments scientifiques construits chacun par un consortium d'instituts de recherche et d'industriels piloté par un Investigateur principal et financés par les budgets de chaque pays. Un seul instrument peut être mis en œuvre à un instant donné. Le télescope permet la réalisation d'images sur des portions étroites ou larges de la bande spectrale observée qui s'étend de 2,5 à 240 micromètres. Jusqu'à 120 micromètres, plusieurs diamètres de champ de vue peuvent être sélectionnés allant de 5 à 180 secondes d'arc. Pour la spectroscopie, la résolution peut aller de 50 à 30 000. La résolution spatiale des images va de 1,5 seconde d'arc pour les longueurs d'onde les plus courtes à 90 secondes d'arc pour les longueurs d'onde les plus longues. Chaque instrument dispose de plusieurs modes de fonctionnement.

Principales caractéristiques des instruments

Instrument	Investigateur principal	Laboratoire de recherche	Longueurs d'onde	Fonctions	Description	Résolution spectrale	Résolution spatiale
ISOCAM	C. Cesarsky	CEA Saclay	2,5 - 17 μm	Caméra et polarimètre	détecteur 1 (2,5-5 μm) : 32x32 pixels détecteur 2 (4,5-17 μm) : 32x32 pixels	1) 11 filtres avec 2≤R≤20 et 1 filtre circulaire (R∼40) 2) 10 filtres avec 2≤R≤14 et 1 filtre circulaire (R∼40)	Choix entre 1,5, 3, 6 ou 12 secondes d'arc
ISOPHOT	D. Lemke	MPI d'astronomie	2,5 - 240 μm	Photo-polarimètre	1) Photopolarimètre multi-bandes et multi ouvertures (3-120 μm) 2) Caméra infrarouge lointain 2x3 et 3x3 pixels 3) Spectrophotomètre (2,5-12 µm)	1) 14 filtres avec 2≤R≤15 2) 6 filtres avec 1≤R≤3 et 5 filtres avec 2≤R≤3	1) ouverture de 3 minutes d'arc 2) 43 ou 80 secondes d'arc 3) ouverture de 24 x 24 secondes d'arc
ISO-SWS	Th. de Graauw	Laboratoire de recherche spatiale	2,38 - 45,2 μm	Spectromètre	deux réseaux de diffraction (2,38 - 45,2 μm) et deux interféromètres de Fabry-Perot (11,4-44,5 μm)	1) R = ∼1000–2000 2) R = ∼3×104	1) 14x20, 14x27x 20x27 et 20 x 33 secondes d'arc 2) 10x39 et 17x40 seondes d'arc
ISO-LWS	P. Clegg	Queen Mary and Westfield College	43 - 196,7 μm	Spectromètre	Réseau de diffraction 2) deux interféromètres de Fabry-Perot	1) R = ∼200 2) R = ∼ 104	Ouverture de 1,65 minute d'arc

Orbite de ISO

Le télescope ISO circule sur une orbite terrestre haute de 24 heures avec un apogée de 70 500 km et un périgée de 1 000 km. À chaque orbite la position des stations au sol se présente donc toujours selon le même schéma. Lorsque le satellite se trouve proche de la Terre donc à l'intérieur des ceintures de Van Allen, les instruments ne sont pas utilisés car le rayonnement généré par les électrons et protons piégés par les ceintures rendent les instruments scientifiques inutilisables. Avant le lancement de la mission, il est déterminé que, sur une période de 24 heures, le télescope est utilisable durant 16 heures. Après le lancement et analyse des résultats, la période d'utilisation est étendue de 40 minutes (à partir de la révolution 66) mais réduite par la suite de 66 minutes (à partir de la révolution 204) pour l'instrument LWS plus fortement affecté par les radiations. Le télescope spatial est suivi successivement par les antennes paraboliques de deux stations de réception au sol : le Centre européen d'astronomie spatiale (Villanueva de la Cañada, Espagne) appartenant à l'ESA et la station de Goldstone de la NASA située en Californie. Une orbite parcourue en 24 heures comprend six phases :

• h 0 : passage au périgée.
• h 0 + 10 min : établissement de la liaison avec VILSPA et activation du satellite.
• h 0 + 4 h (altitude de 43 214 km) : début des opérations scientifiques avec VILSPA en vue.
• h 0 + 13 h 20 : décrochage VILSPA et prise en charge par Goldstone.
• h 0 + 13 h 35 : début des opérations scientifiques avec Goldstone en vue.
• h 0 + 20 h 56 : perte du signal de Goldstone.

Contraintes d'observation

Pour réduire au minimum les changements thermiques affectant le télescope et permettre un fonctionnement optimal des panneaux solaires chargés de fournir l'énergie électrique, l'axe du télescope ISO est orienté de manière à maintenir un angle minimal par rapport aux principaux corps visibles ce qui limite à environ 10-15 % la portion du ciel observable à un instant donné :

• ISO doit être pointé dans une direction comprise entre 60 et 120° du Soleil.
• il ne doit pas être pointé à moins de 77° du limbe terrestre et pas à moins de 24° de la Lune.
• ISO doit être pointé à au moins de 7° de Jupiter à moins que cette planète ou une des lunes soit l'objet des observations.

Conduite des opérations

ISO ne dispose pas de mémoire de masse lui permettant de stocker les données recueillies par ses instruments et des instructions de pointage et d'utilisation des instruments. Le fonctionnement du satellite est donc commandé en temps réel depuis le centre de contrôle qui est installé à le Centre européen d'astronomie spatiale en Espagne près de la principale antenne de réception utilisée. Les instructions envoyées au télescope sont préparées à l'avance de manière à limiter les temps morts liés à l'orientation du télescope et en respectant les régions du ciel interdites du fait de la proximité de corps célestes de grande luminosité (Soleil, Terre, etc.).

Processus de mise à disposition du temps d'observation

Environ 45 % du temps est réservé aux équipes de scientifiques ayant développé les instruments scientifiques ainsi que les partenaires internationaux (NASA, ISAS) du projet. Le reste du temps d'observation est disponible pour la communauté des astronomes des pays membres de l'Agence spatiale européenne, du Japon et des États-Unis. Deux appels à propositions sont lancés avant (avril 1994) et après (août 1996) le lancement d'ISO. Environ 1 000 propositions comportant en moyenne 50 observations distinctes sont sélectionnés par un comité chargé de les sélectionner en fonction de leur intérêt scientifique. Les observations effectuées portent sur le Système solaire (10 % du temps), le milieu interstellaire (23 %), les étoiles de notre galaxie (29 %), les autres galaxies (27 %) et la cosmologie (11 %).

Bibliographie

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

Manuel ISO

• (en) Martin F. Kessler, Thomas G Muller et al., The ISO Handbook : ISO Mission and satellite overview, vol. I, Agence spatiale européenne, novembre 2003, 2^e éd., 352 p. (lire en ligne [PDF]) .
  Manuel du satellite ISO : description du satellite et de sa mission.
• (en) Joris Blommaert, Ralf Siebenmorgen et al., The ISO Handbook : CAM : the ISO camera, vol. II, ESA, juin 2003, 2^e éd., 152 p. (lire en ligne [PDF]).
  Manuel du satellite ISO : description de la caméra CAM.
• (en) Cécile Gry, Bruce Swinyard et al., The ISO Handbook : LWS : The Long Wavelength Spectrometer, vol. III, ESA, juin 2003, 2^e éd., 211 p. (lire en ligne [PDF]).
  Manuel du satellite ISO : description du spectromètre ondes longues LWS.
• (en) Rene J. Laureijs, Ulrich Klaas et al., The ISO Handbook : PHT - The imaging photo-polarimeter, vol. IV, ESA, juin 2003, 2.0.1 éd., 292 p. (lire en ligne [PDF]).
  Manuel du satellite ISO : description de l'imageur photopolarimètre PHT.
• (en) Kieron Leech, Do Kester et al., The ISO Handbook : SWS - le spectromètre à ondes courtes, vol. V, ESA, juin 2003, 2.0.1 éd., 219 p. (lire en ligne [PDF]).
  Manuel du satellite ISO : description du spectromètre ondes courtes SWS.

Résultats scientifiques

• (en) Joseph Cernicharo et Jacques Crovisier, « Water in space : the water world of ISO », Space Science Reviews, vol. 119,‎ 2005, p. 29-69
  Résultats obtenus avec ISO dans le domaine de la distribution spatiale et de l'abondance de la vapeur d'eau dans les nuages moléculaires, les étoiles évoluées, les galaxies et les corps du système solaire
• (en) Seb Oliver et Francesca Pozzi, « The european large area ISO survey », Space Science Reviews, vol. 119,‎ 2005, p. 411-423
  Résultats obtenus avec ISO : étude des galaxies obscures et quantification l'histoire de la formation récente des étoiles (projet ELAIS).

Articles connexes

• Astronomie infrarouge
• Infrared Astronomical Satellite (IRAS) prédécesseur et Herschel, successeur européen d'ISO.
• Télescope spatial
• Centre spatial de Cannes - Mandelieu

Liens externes

• Voir ISO sur le site CASPWiki
• (en) Le télescope spatial ISO sur le site de l'ESA
• (en) Site destiné aux astronomes utilisateurs du télescope

• Portail de l’astronomie
• Portail de l’astronautique
• Portail de l’Europe
• Portail des années 1990