Infrared Astronomical Satellite

Infrared Astronomical Satellite (IRAS) était un télescope spatial dont l'objectif était de réaliser un relevé des sources infrarouges thermiques de l'ensemble du ciel. IRAS était un projet développé conjointement par l'agence spatiale américaine, la NASA, l'Agence spatiale des Pays-Bas et le SERC (Royaume-Uni). Ce télescope spatial d'une tonne disposant d'une optique de 0,57 mètre de diamètre est placé sur une orbite polaire à une altitude de 900 km le 25 janvier 1983. Il reste opérationnel durant dix mois jusqu'à l'épuisement de l'hélium liquide indispensable pour permettre à ses détecteurs infrarouge de fonctionner.

InfraRed Astronomical Satellite
Télescope spatial

IRAS et les images du ciel obtenues dans les quatre bandes spectrales observées (vue d'artiste)

Données générales

Organisation	NASA NIVR, SERC
Constructeur	Fokker,Signaal Ball Aerospace
Autres noms	IRAS
Base de lancement	Vandenberg
Lancement	25 janvier 1983
Lanceur	Delta 3910
Fin de mission	21 novembre 1983
Identifiant COSPAR	1983-004A
Site	irsa.ipac.caltech.edu

Caractéristiques techniques

Masse au lancement	1 083 kg
Masse instruments	800 kg
Contrôle d'attitude	Stabilisé sur 3 axes
Source d'énergie	Panneaux solaires
Puissance électrique	> 500 watts

Orbite

Orbite	Héliosynchrone
Périapside	879 km
Apoapside	906 km
Période de révolution	102,8 min
Inclinaison	98,95°

Télescope

Type	Ritchey-Chrétien
Diamètre	0,57 m
Focale	5,45 m
Longueur d'onde	Infrarouge moyen (12, 25, 60 et 100 µm)

Jusqu'au lancement d'IRAS l'observation des sources célestes de rayonnement infrarouge était effectuée à l'aide de télescopes terrestres dont les capacités étaient fortement limitées par le blocage de la majorité de cette partie du spectre électromagnétique par l'atmosphère. Le télescope IRAS est le premier instrument qui permet de lever cette contrainte grâce à son positionnement dans l'espace. Il effectue ses observations dans les longueurs d'ondes 12, 25, 60 et 100 µm. Il a permis d'identifier 500 000 sources doublant ainsi le nombre connu et d'effectuer d'importantes découvertes scientifiques telles que l'observation du disque de débris autour de l'étoile Véga, les très fortes émissions en infrarouge générées par des interactions entre galaxies ainsi que la présence de nuages de poussière chaude (les cirrus) dans pratiquement toutes les directions de l'espace. Il a également permis de découvrir six comètes et quatre astéroïdes et de déterminer avec une grande précision le diamètre de près de 2 000 astéroïdes.

Contexte

L'observation du ciel dans l'infrarouge permet d'étudier des objets célestes qui ne sont pas observables en lumière visible (partie du spectre électromagnétique visible par l'œil). C'est le cas principalement des nombreuses régions de l'espace qui ne sont pas observables en lumière visible parce que ces longueurs d'ondes sont bloquées par d'épais nuages de gaz ou de poussière interstellaire, des objets trop froids et trop peu lumineux qui n'émettent que dans l'infrarouge et des galaxies les plus lointaines qui subissent un décalage vers le rouge du à l'expansion de l'univers. Pour les objets célestes observables en lumière visible, l'étude de leur émission dans l'infrarouge apporte des informations complémentaires notamment la nature des molécules et des atomes composant la matière de ces objets.

L'astronomie infrarouge est une science récente qui prend son essor après la Seconde guerre mondiale grâce à la mise au point de détecteurs réagissant au bombardement par des photons infrarouges à base de sulfure de plomb(II) puis de germanium. Pour détecter les sources célestes infrarouges le détecteur doit être maintenu à des températures très basses. La solution mise au point à l'époque consiste à le plonger dans un vase Dewar, une bouteille isotherme qui est remplie d'un liquide dont la température est très basse (azote liquide, hélium liquide). Avec ces détecteurs, les astronomes mesurent le rayonnement infrarouge des planètes du système solaire. Les résultats leur permettent d'identifier la signature spectrale des composants de leur atmosphère qui ne peuvent être identifiés en lumière visible. Ils découvrent ainsi la présence du dioxyde de carbone dans l'atmosphère de Mars et de Vénus et celle du méthane et de l'ammoniaque dans celle de Jupiter. Le liquide refroidissant est remplacé par la suite par de l'hydrogène liquide.

Les télescopes observant dans l'infrarouge basés sur Terre sont limités dans leurs observations à certaines longueurs d'onde même lorsque les observatoires sont construits en haute altitude. Les ballons et les fusées-sondes qui sont également utilisés pour transporter des télescopes à haute altitude permettent d'observer ces longueurs d'onde mais le temps d'observation est limité. Pour réaliser des observations prolongées, la seule solution est d'utiliser un télescope spatial. Le développement d'un premier télescope spatial infrarouge est entrepris par l'agence spatiale américaine, la NASA, au cours de la décennie 1970 et au début des années 1980.

Histoire du projet et de la mission

Le télescope spatial IRAS presque complètement assemblé dans une salle blanche du Jet Propulsion Laboratory.

IRAS était un projet développé conjointement par l'agence spatiale américaine, la NASA, de l'Agence spatiale des Pays-Bas et du SERC (Royaume-Uni). L'agence spatiale des Pays-Bas est chargée de la conception et du développement de l'observatoire et de l'intégration du satellite ainsi que du segment sol et du contrôle en vol. Le satellite est construit et intégré par un consortium industriel réunissant les sociétés hollandaises Fokker et Signaal avec comme sous-traitant le Laboratoire national aérospatial néerlandais. Les instruments LRS et CPC sont développés par le Laboratoire de recherche spatiale de l'université de Groningue. La NASA de son côté est responsable du développement du télescope, fournit le lanceur spatial Delta et assure le traitement final des données. Le télescope est construit par Ball Aerospace, les miroirs par Perkin Elmer et le plan focal et ses détecteurs par l'établissement JPL de la NASA avec l'assistance des laboratoires infrarouges de l'Université Cornell. Le SERC est responsable du développement de suivi du satellite dont il est également l'opérateur.

IRAS est lancé le 26 janvier 1983 par une fusée Delta 3910 décollant de la base de Vandenberg en Californie et est placé sur une orbite quasi polaire de 900 km avec une inclinaison orbitale de 99°. Il est maintenu sur une longitude proche du terminateur. Six jours après le lancement, l'obturateur qui protégeait le télescope de toute contamination est éjecté et il commence à effectuer ses observations le 9 février de la même année. La mission s'achève le 22 novembre 1983 suite à l'épuisement de l'hélium qui refroidit les détecteurs et leur permet ainsi de fonctionner.

Le 30 janvier 2020, IRAS, dont la trajectoire n'est plus contrôlée depuis la fin de sa mission en 1983, passe à moins de 30 mètres du satellite américain GGSE-4 (en).

Caractéristiques techniques

IRAS est un satellite de 1 083 kilogrammes de forme cylindrique stabilisé sur trois axes. Il est haut de 3,86 mètres pour une diamètre de 2,16 mètres avec ses panneaux solaires repliés. A l'époque de son lancement il s'agissait du plus gros satellite construit en Europe. Il comprend d'une part la plateforme regroupant les équipements assurant le support (contrôle d'attitude, production d'énergie, télécommunications , etc. et d'autre part le télescope proprement dit d'une masse de 800 kilogrammes. Les panneaux solaires fournissent 500 watts dont au minimum 250 W sont utilisés en permanence. L'énergie électrique est stockée dans une batterie nickel-cadmium.

IRAS ne dispose pas de système de propulsion. Le système de contrôle d'attitude repose sur trois roues de réaction qui permettent d'effectuer les corrections d'orientation. Elles sont désaturées à l'aide de bobines magnétiques qui exploitent le champ magnétique terrestre. L'attitude et les variations de celles-ci sont détectées à l'aide d'un capteur d'horizon de Terre, d'un capteur solaire l et de trois gyroscopes. L'observatoire spatial dispose de deux ordinateurs embarqués pour assurer la redondance. Ceux-ci disposent d'une mémoire vive (RAM) de 32 000 mots de 16 bits et d'une mémoire non modifiable (ROM) de 3 000 mots. Cette dernière contient les programmes assurant l'exécution des commandes envoyées par le contrôle de mission, la génération des télémesures, l'envoi et la réception des données ainsi que les instructions permettant d'assurer la sécurité d'IRAS.

Les données collectées par le télescope (environ 6 kilobits de données par seconde) sont stockées sur deux enregistreurs à bande magnétique utilisés alternativement. Elles sont transmises, via une antenne faible gain fonctionnant en bande S, en 10 minutes lors du survol de la station terrestre typiquement toutes les 10 à 14 heures.

Schéma d'IRAS. 1 Panneaux solaires déployables - 2 Capteur solaire fin - 3 Gyroscopes - 4 Magnétomètres - 5 Système de gestion des télémesures et des commandes - 6 Système de télécommunications - 7 Répéteur - 8 Ordinateur de bord - 9 Antenne faible gain en bande S - 10 Régulateur - 11 Système de contrôle électrique - 12 Transformateur - 13 Roues de réaction - 14 Batterie - 15 Électronique du système de contrôle d'attitude - 16 Électronique des roues de réaction - 17 Bobine magnétique - 18 Enregistreur- 19 Capteur solaire grossier - 20 Miroir secondaire - 21 Bouclier protégeant du rayonnement réfléchi par la Terre - 22 Miroir primaire - 23 Plan focal - 24 Électronique des expériences hollandaises - 25 Capteur d'horizon - 26 Plateforme / Bus - 27 Valves du système de refroidissement cryogénique - 28 Expériences hollandais - 29 Électronique expérimentale - 30 Réservoir d'hélium superfluide - 31 Déflecteur optique - 32 Pare-soleil.

Instrumentation

Principales caractéristiques des détecteurs

Longueur d'ondes	Nombre	Champ de vue¹	Matériau	Sensibilité²
Détecteurs utilisés pour le relevé
12 µm	16	0,75 x 4,5'	Si:As	0,7 Jy
25 µm	13	0,75 x 4,6'	Si:Sb	0,7 Jy
60 µm	15	1,5 x 4,7'	Ge:Ga	0,7 Jy
100 µm	15	3x5'	Ge:Ga	0,7 Jy
Instrument CPC
100 µm	1	1,2'	Ge:Ga	7 Jy
50 µm	1	1,2'	Ge:Ga	7 Jy
Spectrographe LRS
8-13 µm	3	5'	Si:Ga
11-23 µm	3	7,5'	Si:As
¹ en minute d'arc - ² en Jansky

Optique

L'optique d'IRAS est un télescope Ritchey-Chrétien doté d'un miroir de 0,57 mètre de diamètre avec une longueur focale de 5,45 m (f/9,56). Pour effectuer le relevé systématique des sources infrarouges, le télescope balaye une zone du ciel de 30 minutes d'arc. Les détecteurs infrarouge placés au plan focal analysent la lumière collectée dans quatre bandes spectrales infrarouges centrées sur les longueurs d'onde de 12, 25, 60 et 100 µm. Les 62 détecteurs infrarouge utilisés pour le relevé sont disposés dans le plan focal de manière à ce que chaque source passe au moins successivement au-dessus de deux d'entre eux dans chacune des quatre longueurs d'ondes lorsque le télescope balaye le ciel. Chaque détecteur est recouvert par une superposition de matériaux permettant de sélectionner le rayonnement émis dans les longueurs d'ondes souhaitées et d'une lentille convergente. Les détecteurs utilisent différents couples de matériau : Si:As, Si:Sb, Ge:Ga, Si:Ga, Si-As. La résolution spatiale va de 0,5 minute d'arc à 12 µm à 2 minutes d'arc à 100 µm.

Détecteurs

Les détecteurs utilisés pour le relevé sont complétés par deux instruments. Le spectrographe sans fente d'entrée LRS (Low Resolution Spectromètre) décompose le rayonnement infrarouge entre 7,5 et 23 µm sur une partie du champ de vue avec une résolution spectrale de 20. L'instrument CPC (Chopped Photometric Channel) est utilisé lorque le télescope est maintenu pointé dans une direction donnée pour cartographier le rayonnement infrarouge dans les longueurs d'ondes 50 et 100 µm avec une résolution spatiale plus importante.

• Plan focal du télescope IRAS
• 
  Schéma du plan focal montrant la position et la dimension des différents détecteurs.
• 
  Les petits rectangles sont les détecteurs utilisés pour le relevé.

Régulation thermique

Pour pouvoir observer le rayonnement infrarouge, le télescope et ses détecteurs doivent être refroidis à des températures très basses. Pour y parvenir le satellite utilise un système de contrôle thermique à la fois passif et actif. Le refroidissement passif est obtenu par différents moyens : un bouclier entourant la base du télescope bloque le rayonnement réfléchi par la Terre, un pare-soleil externe et un déflecteur interne écartent le rayonnement solaire. Le pointage du télescope évite des azimuts proche du Soleil (angle minimum 60°) et de la Lune et prend en compte le rayonnement infrarouge émis par la Terre. Le système de refroidissement actif repose sur l'évaporation de l'hélium superfluide qui permet d'obtenir une température de 1,6 kelvins. L'hélium est contenu dans un réservoir de forme toroïdal constituant un dewar entourant à la fois l'optique et le plan focal et isolés de l'environnement par de nombreuses couches d'isolant thermique (57 couches réparties en quatre sous-ensembles séparés par du vide. Grâce à ce dispositif les miroirs en béryllium sont maintenus à une température inférieure à 10 kelvins (−263 °C) et le plan focal où sont situés les détecteurs à 3 kelvin. La durée de vie d'IRAS est limitée par ce système de refroidissement. IRAS dispose d'un réservoir contenant 720 litres (soit 77 kg) d'hélium. Quand la totalité de l'hélium est épuisée, le satellite devient incapable de se maintenir à une température lui permettant d'effectuer ses observations.

Résultats

Les données collectées durant les dix mois de fonctionnement du télescope ont permis un très grand nombre de découvertes majeures touchant pratiquement tous les domaines de l'astronomie. IRAS a détecté environ 500 000 sources infrarouges célestes doublant le nombre répertorié jusque là.

Étoiles et formation stellaire

Les principales découvertes portant sur les étoiles et leur formation sont les suivantes :

• La découverte la plus marquante concerne Véga. Cette jeune étoile très brillante de couleur bleutée émet une quantité d'infrarouge bien supérieure à ce qui était prévu par la théorie. Quelques étoiles présentent la même anomalie en particulier Beta Pictoris visible depuis l'hémisphère sud. Un an après cette découverte, les astronomes Bradford Smith et Richard Terrile, travaillant à l'observatoire de Los Campanas (Chili), parviennent à obtenir une image du système stellaire Véga en bloquant la lumière de l'étoile. Celle-ci montre la présence d'un disque de poussières entourant l'étoile produit par la collision d'objets rocheux de la taille de planétésimaux, qui constitue un stade intermédiaire aboutissant à la formation des planètes.
• Des disques de débris sont découverts autour d'autres étoiles éventuellement en train d'évoluer en système planétaire.
• IRAS a découvert que certains globules de Bok (amas sombre de poussières et de gaz du milieu interstellaire), abritent des étoiles en cours de formation.
• Le télescope spatial a dressé un catalogue de milliers de noyaux chauds et denses au centre de nuages de gaz et de poussière qui pourraient être des étoiles en cours de formation.
• IRAS a dressé un catalogue de plus de 12 000 étoiles variables constituant la plus important recensement de ce type d'astre à cette date.

Voie lactée (notre galaxie)

Les principales découvertes portant sur notre galaxie (la Voie lactée) sont les suivantes :

• IRAS a produit les premières images du centre galactique, impossible à observer dans le domaine visible du fait de l'absorption considérable du milieu interstellaire.
• Première observation de structures astronomiques filamentaires visibles en lumière infrarouge provoqués par de la poussière chaude, les cirrus infrarouge visibles dans toutes le directions de l'espace.
• Les données fournies par IRAS ont permis de déterminer que la Voie lactée était une galaxie spirale barrée, une catégorie de galaxie caractérisée par des bras spiraux n’émergeant pas du centre de la galaxie, mais d’une bande d’étoiles traversant ce centre.

Galaxies

Les principales découvertes portant sur les autres galaxies sont les suivantes :

• ISO a découvert environ 75 000 galaxies à sursauts de formation d'étoiles. Ces galaxies sont très brillantes dans l'infrarouge parce qu'elles sont caractérisées par un taux de formation d'étoiles très élevé. Ce type de galaxie était parcouru par des vents très puissants générés par le grand nombre d'explosions de supernovæ.
• Détection d'émissions infrarouge de forte intensité émise par des interactions entre certaines galaxies.
• Première observation de la galaxie IRAS F10214+4724 qui à l'époque de sa découverte était l'objet le plus lumineux de l'univers par un facteur deux. Il a été découvert par la suite que sa luminosité était sans doute amplifiée d'un facteur 30 par la lentille gravitationnelle d'une galaxie spirale située en avant-plan.

Système solaire

Les principales découvertes sur notre système solaire sont les suivantes :

• Les comètes sont plus poussiéreuses que prévu et cette poussière est présente partout dans le système solaire.
• Détection de bandes de poussière zodiacale qui ceinturent le systèle solaire et qui résultent sans doute de collisions entre astéroïdes.
• Collecte de données infrarouges de 2 004 astéroïdes.
• Découvertes de plusieurs astéroïdes, dont (3200) Phaéton (un astéroïde géocroiseur responsable de la pluie d'étoiles filantes des Géminides) et de six comètes dont la comète périodique 126P/IRAS.

Petits corps découverts par IRAS

Type	Désignation	Date découverte
Astéroïde	(3200) Phaéton	11 octobre 1983
	(3728) IRAS	23 août 1983
	(10714) 1983 QG	31 août 1983
	(100004) 1983 VA	1er novembre 1983
Comète	(3200) Phaéton	25 avril 1983
	C/1983 H1 (IRAS-Araki-Alcock)	18 mai 1983
	C/1983 N1 (IRAS)	14 juillet 1983
	126P/IRAS	28 juillet 1983
	C/1983 O2 (IRAS)	4 août 1983
	161P/Hartley-IRAS	4 novembre 1983

Cartographie du ciel infrarouge

Un atlas du ciel infrarouge (ISSA ou IRAS Sky Survey Atlas) a été dressé en agrégeant les données obtenues à partir d'un instrument optimisé pour détecter des sources ponctuelles. La résolution spatiale est de 5 minutes d'arc et l'intensité lumineuse est encodée sur 16 à 32 bits.

Carte des sources infrarouges de l'ensemble du ciel réalisée à partir des relevés effectués sur six mois par IRAS dans trois longueurs d'ondes : 12 µm (couleur bleu), 60 µm (vert) et 100 µm (rouge). Les zones les plus chaudes apparaissent en blanc ou bleu. Les principales sources infrarouge sont situées dans la Voie lactée qui forme la barre horizontale au milieu de l'image. Des pouponnières d'étoiles sont visibles au-dessus du milieu de la Voie lactée (constellation d'Ophiuchus) et sous celle-ci à l'extrême droite (constellation d'Orion).

Successeurs

Les résultats scientifiques obtenus à partir des données collectées par IRAS ont démontré tout le potentiel des observations dans l'infrarouge effectuées depuis l'espace. Aussi plusieurs successeurs ont été développés au cours des décennies suivantes : ce sont principalement la mission ISO de l'Agence spatiale européenne lancée en 1995 et les missions de la NASA Spitzer (2003) et JWST (2021).

Notes et références

Sources

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

• (en) C. A. Beichman, G. Neugebauer, H. J. Habing, P. E. Clegg et T. J. Cheste, Infrared astronomical satellite (IRAS) Catalogs and Atlases. Volume 1: Explanatory supplement, NAsA, 1988, 466 p. (lire en ligne).  — Caractéristiques techniques du télescope, contraintes et architecture de mission, traitement des données, contenu des catalogues produits.
• (en) G. Neugebauer, H.J. Habing, R. van Duinen, B. Baud, C.A. Beichman et al., « The Infrared Astronomical Satellite (IRAS) mission », The Astrophysical Journal, vol. 278,‎ avril 1984, L1-L6 (DOI 10.1086/184209, lire en ligne). 

Voir aussi

Articles connexes

• Astronomie infrarouge.
• ISO, Spitzer, WISE, JWST successeurs d'IRAS.

Liens externes

• Site officiel
• Ressources relatives à l'astronomie :
  • National Space Science Data Center
  • Satellite Catalog Number
• Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes :

  • Britannica
  • Store norske leksikon
  • Universalis
• Notices d'autorité :

  • VIAF
  • LCCN
  • GND
  • Israël
• (en) Site IRAS à la NASA.
• (en) Description d'IRAS sur le site d'IPAC laboratoire de CalTech.
• (en) Page dédiée à IRAS sur le site de son constructeur Ball Aerospace.

Vidéo

• (en) 40 Years of Infrared Astronomy: Through the Eyes of IRAS