Spitzer (télescope spatial)

Spitzer ou SIRTF (Space Infrared Telescope Facility) est un télescope spatial infrarouge développé par la NASA et nommé en l'honneur de l'astrophysicien américain Lyman Spitzer. Il est le dernier des quatre « Grands Observatoires » aux caractéristiques complémentaires réalisés par la NASA pour répondre aux grandes interrogations scientifiques de la fin du xx^e siècle dans le domaine de l'astrophysique. Son rôle est principalement d'observer les origines de l'Univers, la formation et l'évolution des galaxies primitives, la genèse des étoiles et des planètes et l'évolution de la composition chimique de l'Univers, qui sont tous des phénomènes principalement visibles dans l'infrarouge.

Spitzer
Télescope spatial

Vue d'artiste du télescope spatial Spitzer.

Données générales

Organisation	NASA
Constructeur	Lockheed Martin Space Ball Aerospace
Programme	Grands Observatoires
Domaine	Astronomie infrarouge
Type de mission	Télescope spatial
Statut	Mission achevée
Autres noms	Space Infrared Telescope Facility (SIRTF)
Lancement	25 août 2003
Lanceur	Delta II 7920H
Fin de mission	30 janvier 2020 (fin du mode froid : mai 2009)
Nommé d'après	Lyman Spitzer (astrophysicien américain)
Identifiant COSPAR	2003-038A
Site	spitzer.caltech.edu

Caractéristiques techniques

Masse au lancement	950 kg
Contrôle d'attitude	Stabilisé sur 3 axes

Orbite

Orbite	Héliocentrique

Télescope

Type	Ritchey-Chrétien
Diamètre	85 cm
Superficie	2,3 m²
Focale	10,2 m
Longueur d'onde	Infrarouge : 3,6 à 160 micromètres

Principaux instruments

IRAC	Caméra
IRS	Spectrographe
MIPS	Photomètre imageur

Ce projet de télescope infrarouge est lancé en 1984 par la NASA. Au cours de son développement, la taille de Spitzer est fortement revue à la baisse (masse abaissée de 5,7 tonnes à moins d'une tonne) pour faire face à des réductions budgétaires qui touchent l'agence spatiale. Ses capacités sont néanmoins nettement supérieures à ses prédécesseurs, IRAS (1983) et ISO (1995), grâce à plusieurs innovations techniques et aux progrès réalisés entre-temps dans le domaine des détecteurs infrarouges. Sa partie optique est constituée par un télescope de 85 cm de diamètre. Le rayonnement infrarouge collecté est analysé par trois instruments qui sont refroidis comme le télescope par de l'hélium liquide : un photomètre imageur en proche et moyen infrarouge (3 à 8 micromètres), un spectroscope (5 à 40 micromètres) et un spectrophotomètre pour l'infrarouge lointain (50 à 160 micromètres).

Lancé le 25 août 2003 et placé sur une orbite héliocentrique, le télescope fonctionne à pleine capacité jusqu'en mai 2009. À compter de cette date, ayant épuisé son hélium liquide qui le refroidissait, il continue à faire fonctionner une partie de son instrumentation en mode « chaud ». Le télescope est finalement mis à la retraite le 30 janvier 2020. Le projet a coûté 1,36 milliard de dollars depuis le début de sa conception jusqu'à la fin des opérations.

Historique

Les débuts tardifs de l'astronomie infrarouge

L'astronomie infrarouge ne prend son essor qu'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. Le détecteur doit être maintenu à des températures très basses et la solution mise au point à l'époque consiste à le placer dans un cryostat, une bouteille isotherme qui est remplie d'un liquide dont la température est très basse (azote liquide, hélium 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 placé dans l'espace.

Les prédécesseurs de Spitzer : IRAS et ISO (1983-1995)

Spitzer est, d'un point de vue chronologique, le troisième grand télescope spatial infrarouge : il est précédé par IRAS, développé par l'agence spatiale américaine, la NASA, en collaboration avec les Pays-Bas et le Royaume-Uni et lancé en 1983, ainsi que par ISO, conçu par l'Agence spatiale européenne et lancé en 1995.

Le premier télescope spatial infrarouge, baptisé IRAS, est développé conjointement par l'agence spatiale américaine, la NASA, l'Agence spatiale des Pays-Bas et le SERC (Royaume-Uni). Le télescope de 57 centimètres d'ouverture refroidi par de l'hélium liquide est placé en 1983 sur une orbite polaire à une altitude de 900 km et fonctionne durant 10 mois jusqu'à l'épuisement de son liquide cryogénique. Il réalise une cartographie de 96% du ciel infrarouge dans les longueurs d'onde 12, 25, 60 et 100 micromètres qui permet d'identifier plusieurs centaines de milliers d'objets dont la moitié étaient jusque là inconnus. Durant les deux décennies suivantes, des milliers d'articles scientifiques utilisant les données d'IRAS sont publiés posant le socle de tous les programmes d'observation infrarouge ultérieurs. IRAS détecte des disques de poussière en orbite autour d'étoiles (identifié par la suite comme des systèmes planétaires en formation) et la présence de nuages infrarouge (poussière) dans la Voie Lactée. Il découvre une nouvelle classe de galaxie, les galaxies à sursauts de formation d'étoiles, caractérisées par leur luminosité élevée dans l'infrarouge due principalement à un taux de formation élevé d'étoiles jeunes et massives.

De son côté l'Agence spatiale européenne lance fin 1995 le télescope spatial infrarouge ISO qui emporte quatres instruments observant dans les longueurs d'onde comprises entre 2,5 et 240 microns. Il utilise une optique de 60 centimètres d'ouverture refroidi par de l'hélium liquide et emporte pour la première fois des détecteurs multipixels. Placé sur une orbite haute qu'il parcourt en 24 heures il fonctionne durant 30 mois. Contrairement à IRAS, il est utilisé pour observer des cibles individuelles. Il effectue 28 000 observations distinctes. Parmi les principales réalisations d'ISO figurent la découverte la présence de quantité abondante dans toute notre galaxie, l'identification de nouvelles molécules dans l'espace interstellaire ainsi que la confirmation et une investigation plus poussée des disques protoplanétaires.

Utiliser la navette spatiale américaine ?

Historique du projet

Date	Evénement	Scénario
1971	Début des études portant sur un télescope infrarouge installé dans la soute de la navette spatiale américaine
Mai 1983	La NASA lance un appel à propositions pour un télescope infrarouge	Télescope dans la soute de la navette spatiale
Juin 1984	Sélection de l'équipe scientifique	Télescope autonome en orbite polaire
Avril 1987	Flotte mixte	Lancement par une fusée Titan
1990	Caractéristiques figées	Masse 5,7 tonnes ; coût > 2 milliards US$
1991	Rapport Bahcall : Spitzer projet de télescope prioritaire
Mars 1991	Annulation de Spitzer
Mai 1992	Réactivation du projet	Lancement par une fusée Atlas
Septembre 1993	Cout doit être inférieur à 500 millions US$	Scénario télescope chaud ; Masse 2,5 tonnes ; coût ~1 milliard US$
Avril 1994	Transfert de l'instrument IRAC vers mission japonaise
Juin 1995	Abandon du transfert d'IRAC	Lancement par une fusée Delta ; Masse 750 kg ; coût 450 millions US$
Mars 1996	Déblocage des premiers fonds pour la construction
Aout 2003	Lancement en orbite de Spitzer
Mai 2009	Fin mission froide, début mission chaude
Janvier 2020	Décommissionnement de Spitzer

À la fin des années 1960, la NASA attend beaucoup de la navette spatiale américaine, qui doit effectuer ses premiers vols au début de la décennie suivante. Pour justifier son développement particulièrement couteux l'agence spatiale a décidé d'imposer son usage dans tous les domaines. Se basant sur le fait que la navette revient au sol en fin de mission et qu'elle est capable d'effectuer un vol par semaine, la NASA propose en 1969 de développer un télescope spatial infrarouge doté d'une optique de 1 mètre de diamètre qui serait installé dans la soute de la navette pour des missions dans l'espace qui pourrait durer jusqu'à 30 jours). Néanmoins cette architecture partait du principe que la contamination du télescope par la navette spatiale (vapeurs, petites particules, émission infrarouge) étaient négligeables. Le coût de ce télescope, baptisé Shuttle Infrared Test Facility (« Installation d'essai infrarouge de la navette ») abrégé en SIRTF, est évalué à l'époque de 120 millions de dollars américains. Ce projet reçoit en 1979 l'appui de l'Académie nationale des sciences des États-Unis. La NASA lance en 1983 un appel d'offres pour la construction de ce télescope spatial qui revient au sol à la fin de chaque mission avec une date de premier vol programmé en 1990.

Adoption d'un télescope spatial indépendant

Toutefois les résultats spectaculaires obtenus par le télescope spatial infrarouge IRAS développé par la NASA, lancé en 1983 et dont la mission n'a duré que dix mois, poussent la communauté des astronomes à demander le développement d'un successeur fonctionnant de manière similaire (c'est à dire transporté en orbite dans la soute de la navette spatiale mais ensuite largué définitivement dans l'espace). La NASA accepte de modifier ses plans en 1984. Elle sélectionne un groupe de travail, le Science Working Group (SWG), constitué par une équipe de scientifiques présidé par Mike Werner, qui est chargé de définir les objectifs scientifiques et les spécifications des instruments. Ce changement d'architecture est confortée par la découverte que le petit télescope infrarouge IRT (InfraRed Telescope), embarqué dans la soute de la navette spatiale en juillet 1985 (mission STS-51-F), doit faire face à d'importants problèmes de contamination par les émissions infrarouge produites par ce véhicule. Malgré ce changement d'architecture l'acronyme SIRTF est conservé mais il signifie désormais Space Infrared Telescope Facility (Installation de télescope spatial infrarouge).

Le rapport Bahcall, rédigé en 1991 dans le but d'identifier les projets astronomiques prioritaires, pronostique que la décennie 1990 sera celle de l'infrarouge et donne la priorité dans le domaine spatial au développement d'un télescope infrarouge. Il donne la priorité à un télescope spatial par rapport aux autres projets envisagés pour l'astronomie infrarouge à savoir le télescope terrestre Gemini de 8 mètres de diamètre et le télescope aéroporté SOFIA.

Le télescope infrarouge SIRTF/Spitzer est le dernier des quatre « Grands Observatoires » développé par la NASA pour répondre aux principales interrogations dans le domaine de l'astrophysique .

La réalisation du télescope est pilotée par le centre JPL (établissement de la NASA). Le projet initial évolue vers un engin beaucoup plus ambitieux : d'une masse de 5,7 tonnes emportant 3 800 litres d'hélium liquide (pour refroidir les détecteurs) il doit être placé en orbite terrestre haute par un lanceur Titan.

Révision à la baisse des spécifications

En cours de conception la taille de SIRTF/Spitzer' a dû être fortement réduite pour faire face à des contraintes budgétaires mais le télescope est resté un engin performant.

Mais à la même époque le climat économique américain se dégrade et plusieurs missions spatiales de la NASA sont des échecs. Peu après la publication du rapport Bahcall en 1991 le budget de la NASA subit une forte diminution qui entraîne l'annulation de plusieurs projets et une réduction des objectifs et performances des projets qui sont maintenus. Spitzer subit ainsi en cinq ans deux coupes budgétaires qui font passer les sommes allouées au projet de 2,2 milliards à 500 millions de dollars. Malgré cette réduction de budget, un projet viable est mis sur pied en acceptant cinq contraintes : le télescope sera placé sur une orbite héliocentrique qui le maintiendra à grande distance de la Terre, le télescope sera lancé à température ambiante et refroidi dans l'espace, tous les instruments seront conçus sans possibilité d'ajuster leur fonctionnement en orbite, les parties mobiles seront éliminées dans la mesure du possible et un seul instrument donné pourra fonctionner à un instant donné. Malgré cette réduction drastique, SIRTF/Spitzer dispose, grâce aux derniers progrès dans le domaine de l'observation infrarouge et plusieurs optimisations, d'une sensibilité de 10 à 100 fois plus grande que celle de ses prédécesseurs. En effet, dans les années 1980, le département de la Défense américain a investi des centaines de millions de dollars dans le développement de détecteurs infrarouges. Les avancées technologiques qui en résultent se sont progressivement diffusées vers les applications civiles, permettant la mise au point pour l'astronomie infrarouge de détecteurs beaucoup plus sensibles : alors que les détecteurs du satellite IRAS ne comportent que 62 pixels ceux de la caméra IRAC de Spitzer en comportent 65 000.

Développement

Spitzer est un instrument de taille modeste comparé aux autres grands observatoires de la NASA.

Contrairement aux pratiques usuelles pour des projets de ce type, les industriels impliqués dans la réalisation de Spitzer sont consultés dès le début de la conception. Lockheed Martin a la responsabilité globale du développement du satellite et des tests. Ball Aerospace développe l'ensemble cryogénique comprenant le cryostat et la partie optique. Les trois instruments embarqués sont réalisés respectivement par le centre de vol spatial Goddard de la NASA (instrument IRAC), l'université Cornell à Ithaca (État de New York), l'instrument IRS et l'université de l'Arizona (instrument MIPS). Les opérations du télescope sont pilotées par le Spitzer Science Center implanté sur le campus du California Institute of Technology à Pasadena (Californie).

Objectifs scientifiques

Tous les objets dans l'Univers produisent en continu des émissions dans l'ensemble du spectre électromagnétique (lumière visible, infrarouge, ultraviolet, ondes radio, rayons gamma et rayons X), qui fournissent des informations sur leur structure et les processus qui les affectent. Une grande partie de ces émissions, notamment les émissions infrarouges, ne peut être observée que de l'espace car elles ne parviennent pas jusqu'au sol de la Terre, étant interceptées par l'atmosphère terrestre. Le rayonnement infrarouge est particulièrement intéressant car il est émis par tout objet dont la température est supérieure à 0 kelvin (−273,15 °C). Cette caractéristique permet aux télescopes infrarouge comme Spitzer d'observer des phénomènes invisibles dans d'autres longueurs d'onde comme :

• la naissance des étoiles avant que celles-ci ne soient suffisamment massives pour que la fusion thermonucléaire s'amorce. La lumière infrarouge émise durant cette première phase parvient jusqu'aux observatoires spatiaux malgré l'épais voile de poussière présent ;
• la mort des étoiles productrice de matière sous forme de poussière qui sert de matériau de base pour la formation de nouvelles étoiles. L'observation dans l'infrarouge des étoiles en fin de vie fournit des informations essentielles sur la composition de cette poussière. Ces informations doivent permettre aux astronomes de reconstituer l'origine de la poussière au tout début de l'Univers ;
• le processus de formation des planètes. Spitzer n'est pas capable d'observer les exoplanètes, mais il peut observer le disque protoplanétaire constitué par des nuages de poussière. En mesurant la température du disque le télescope permet de connaître la structure et l'âge du disque et de déterminer si des planètes sont en cours de formation ou déjà formées ;
• Spitzer est le premier télescope qui parvient à observer directement la lumière émise par une exoplanète. Le télescope peut déterminer la température, les vents et la composition de planètes lointaines lorsque celles-ci répondent à certaines caractéristiques (taille, éloignement).
• les naines brunes, qui constituent la majorité des étoiles peuplant l'Univers, ne sont pas suffisamment massives pour amorcer la fusion thermonucléaire. Ces étoiles ne produisent pas de lumière visible mais émettent dans l'infrarouge. Une partie de la matière noire, que les astronomes cherchent à identifier, peut être constituée de naines brunes. La sensibilité des instruments de Spitzer permet d'en effectuer le recensement dans le voisinage du Système solaire et de les étudier ;
• les caractéristiques des trois sources de rayonnement à l'oeuvre dans les galaxies : les étoiles, le milieu interstellaire et la poussière interstellaire. Spitzer peut ainsi identifier les galaxies qui produisent à un rythme rapide de nouvelles étoiles (les pouponnières d'étoiles) et identifier l'origine de cette genèse. L'observation de notre propre galaxie, la Voie lactée, permet de localiser les régions dans lesquelles se forment encore des étoiles. Enfin, Spitzer doit permettre de mieux comprendre les galaxies lumineuses en infrarouge dont la caractéristique est d'émettre plus de 90 % de leur lumière dans l'infrarouge ;
• les gigantesques nuages moléculaires situés dans l'espace interstellaire. Ils sont constitués principalement d'hydrogène et constituent le réservoir de matière première à partir duquel les étoiles se forment. L'étude de la densité et de la température de ces nuages par Spitzer fournit des informations importantes sur les conditions physiques et la composition chimique qui permet de produire les protoétoiles ;
• les trous noirs supermassifs dont un ou plusieurs représentants sont présents au centre de la plupart des galaxies. Spitzer est particulièrement bien équipé pour observer ces objets lorsqu'ils sont actifs (en train d'absorber de la matière). Ces trous noirs sont observés par Spitzer grâce au rayonnement infrarouge émis par la matière lorsqu'elle est attirée par ceux-ci ;
• la lumière des galaxies les plus anciennes apparues il y a 13 milliards d'années soit de près d'un milliard d'années après le Big Bang est visible depuis la Terre dans le domaine de l'infrarouge du fait du phénomène du décalage vers le rouge. Spitzer permet d'étudier ces galaxies et ainsi de déterminer comment et quand ces premiers objets de l'Univers se sont formés. Le télescope permet également d'étudier le fond diffus cosmologique infrarouge qui résulte des émissions de galaxies et d'étoiles trop peu visibles pour pouvoir être distinguées ;

Architecture de la mission

Orbite

Le télescope infrarouge doit se tenir écarté autant que possible de toute source de chaleur et pouvoir maintenir ses instruments à une température proche de zéro kelvin sans consommer trop rapidement l'hélium utilisé pour les refroidir. Les concepteurs de la mission choisissent, contrairement aux télescopes infrarouges qui précèdent, de ne pas mettre Spitzer en orbite autour de la Terre, comme cela avait été le cas pour tous les autres télescopes spatiaux l'ayant précédé, car celle-ci réfléchit une partie de la chaleur émise par le Soleil, mais de le placer sur une orbite héliocentrique parallèle à celle de la Terre, qu'il parcourt en 372 jours. Une orbite autour du point de Lagrange L2 (bénéficiant des mêmes conditions thermiques) mais cette solution avait été écartée car son incidence sur le cout, la masse et la complexité étaient incompatibles avec les contraintes que devaient respecté le projet. Sur l'orbite choisie, la température du télescope chute de manière passive à 34 kelvins, ce qui permet d'économiser l'hélium pour le refroidissement initial. De plus, étant éloigné de la Terre, Spitzer dispose d'un champ d'observation beaucoup plus étendu : 30 % du ciel est observable à n'importe quel moment tandis que le reste du ciel peut être vu deux fois par an durant des périodes consécutives d'environ 40 jours. Le pointage du télescope est encadré par deux contraintes : son axe ne doit pas se rapprocher de plus de 80° de celui du Soleil, car au-delà le panneau solaire/pare-soleil ne peut plus empêcher son échauffement, et il ne doit pas s'écarter de l'axe du Soleil de plus de 120°, pour que les cellules solaires puissent produire suffisamment d'énergie. Sur son orbite, Spitzer s'écarte progressivement de la Terre (il tourne moins vite autour du Soleil) au rythme d'un dixième d'unité astronomique par an. Cet éloignement progressif entraîne une diminution progressive du débit dans les échanges avec la Terre.

Instruments

Les instruments du télescope ont été les principales victimes de la réduction drastique de la taille de Spitzer intervenue au cours de la conception. Alors que leur taille initiale était proche de celle d'un placard, le volume des instruments emportés par Spitzer est plus proche de celui d'un carton à chapeau. Au cours de la phase de développement de nombreuses fonctionnalités ont été abandonnées telles que les mécanismes permettant d'utiliser plusieurs filtres ou des pans entiers d'instrumentation telles que la spectographe fonctionnant dans l'infrarouge lointain ou le photomètre capable d'observer les ondes submillimétriques (au-dela de 160 micromètres). Les trois instruments qui ont survécu à cette cure d'amaigrissement ont été simplifiés avec des capacités étroitement liées aux quatre objectifs scientifiques :

• IRAC réalise des images uniquement dans les quatre bandes de fréquence (3,6, 4,5, 5,8 et 8 micromètres) optimales pour les observation des galaxies lointaines (décalage vers le rouge compris entre 1 et 5). Le pic d'émission des étoiles brunes se trouve également dans cette plage de fréquences. Pour réduire la taille de l'instrument, l'obtention des images dans une fréquence donnée n'est pas obtenue via une roue à filtres mobile mais par la démultiplication des détecteurs.
• MIPS n'observe que trois longueurs d'ondes (24, 70 et 160 micromètres) avec une petite capacité de spectrométrie entre 50 et 100 micromètres. Ces bandes spectrales sont choisies pour l'observation des propriétés des galaxies lointaines dans le cadre de relevés de l'espace profond et l'étude des disques de débris entourant les étoiles.
• Le spectrographe IRS est composé de quatre mini-instruments effectuant l'analyse spectrale dans les longueurs d'ondes 5,2-14, 10-19,5 14-40 µm et 19-37 micromètres avec une résolution basse entre 5 et 38 µm et une résolution entre 10 et 37 µm. Ces caractéristiques ont été choisies pour permettre la détermination de la composition des disques de débris et une mesure plus précise du décalage vers le rouge des galaxies lorsque celui-ci ne peut être mesuré par les observatoires terrestres. IRS est également utilisé pour identifier des lignes d'émission d'atomes ou de molécules simples caractéristiques des noyaux de galaxies actives ou des pouponnières d'étoiles situées dans notre galaxie ou dans d'autres galaxies particulièrement lumineuses. L'architecture d'IRS reflète particulièrement bien la simplification imposée au cours du développement de Spitzer. Habituellement un spectographe utilise des éléments d'optique mobile pour permettre à ce type d'instrument de couvrir toute la plage de fréquence. L'utilisation de quatre mini-instruments distincts mais identiques dans leur fonctionnement a permis de supprimer toute pièce mobile sans véritable surcout.

Déroulement de la mission

Lancement de Spitzer par un lanceur Delta II le 25 août 2003.

Le télescope Spitzer est placé en orbite fin aout 2003 et commence à recueillir des données scientifiques trois mois plus tard. Durant une première phase (mission froide) qui s'étend jusqu'en mai 2009, l'ensemble de l'instrumentation fonctionne grâce à l'hélium liquide qui permet de la maintenir à la température souhaitée. En mai 2009 l'hélium s'est entièrement évaporé et un seul instrument est en mesure de fonctionner sur une plage de longueurs d'onde restreinte (3,6 et 4,5 microns). C'est la mission chaude à laquelle la NASA met fin en janvier 2020.

Lancement

Spitzer est placé en orbite le 25 août 2003 par un lanceur Delta II 7920H depuis la base de lancement de Cap Canaveral en Floride. Baptisé SIRTF pour Space Infrared Telescope Facility avant son lancement, il est renommé Spitzer quatre mois plus tard en l'honneur du scientifique américain, Lyman Spitzer, astrophysicien américain qui a joué un rôle moteur dans les premiers projets de télescope spatial. Spitzer est lancé « chaud » ce qui permet de réduire sa masse. Durant les trois mois qui suivent, les instruments immergés dans l'hélium liquide se refroidissent progressivement tandis que la température de la partie optique est abaissée par les vapeurs de l'hélium qui s'évapore. Le télescope entame alors la phase cryogénique de sa mission.

Mission froide (2003 - mai 2009)

Les premières images capturées par le télescope sont destinées à démontrer les capacités du nouveau télescope : il s'agit d'images d'une pouponnière d'étoiles, d'un disque de débris d'une planète en formation et des matériaux organiques d'un univers lointain. Une des observations les plus remarquables est effectuée en 2005 lorsque le télescope parvient à réaliser les premières images d'exoplanètes, les Jupiter chauds HD 209458 b et TrES-1b. En septembre 2006, le télescope participe à un relevé du ciel de la ceinture de Gould située à environ 3 000 années-lumière du Soleil. Le stock d'hélium doit permettre de refroidir les instruments durant 2,5 ans, mais finalement celui-ci ne s'épuise que le 15 mai 2009, soit 5,5 ans après le lancement. La mission primaire a une durée de 2,5 ans mais elle va être prolongée à plusieurs reprises pour s'achèver 15 ans après son lancement.

Une campagne d'observation dure typiquement une semaine au cours de laquelle le télescope exécute de manière autonome les activités pré-programmées qui ont été transmises préalablement : observations scientifiques, étalonnages et opérations de maintenance comme la désaturation des roues de réaction. La semaine est découpée en 12 à 14 périodes de 12 à 24 heures entre lesquelles est insérée une session de transmission des données d'une durée de 30 à 60 minutes. Durant ces sessions l'antenne principale, qui est fixe, est orientée vers la Terre en faisant pivoter le télescope ce qui interrompt les observations scientifiques. Les données sont envoyées vers la station terrienne du Deep Space Network visible (Canberra, Madrid ou Goldstone). En mode de fonctionnement dégradé Spitzer peut fonctionner sans contact avec la Terre durant une semaine. Durant une campagne d'observation, la température du télescope et des instruments varie entre 6 et 12 kelvin en fonction de l'activité des instruments (qui génère de la chaleur) et de la quantité d'hélium qui est vaporisée (celle-ci génère du froid). Les observations avec MIPS dans la plus grande longueur d'ondes (160 micromètres) nécessite une température de 6 kelvin. Pour faire descendre la température à cette valeur, une résistance chauffante située dans le réservoir d'hélium accélère la vitesse d'évaporation

Mission chaude (juillet 2009 - janvier 2020)

Le télescope spatial entame une nouvelle mission après l'épuisement de son hélium en juillet 2009 lorsque la température se stabilise à 28 kelvins. Deux des instruments ne fonctionnent plus mais les caméras infrarouge IRAC continuent de fonctionner de manière optimale dans ces nouvelles conditions. Elles permettent d'observer les longueurs d'onde 3,6 et 4,5 micromètres. Durant cette nouvelle phase de sa mission, le télescope cartographie les sources infrarouges de larges portions du ciel, observe les comètes et astéroïdes de notre système solaire, observe des exoplanètes et réalise des observations des galaxies les plus lointaines de notre univers.

En 2014, un arrêt de la mission est envisagé pour des raisons budgétaires mais le chef de projet parvient à abaisser le coût annuel des opérations de 17 millions US$ à 11 millions US$. En 2016, la NASA décide de prolonger la mission car Spitzer sort particulièrement bien classée d'une comparaison avec cinq autres missions spatiales d'astrophysique lorsque les coûts et les résultats sont rapprochés. Les responsables de l'agence spatiale américaine décident de prolonger la mission jusqu'au lancement du prochain télescope spatial infrarouge JWST qui est prévu en 2018. Lorsque le lancement de celui-ci est repoussé à 2021, l'agence spatiale, après avoir tenté de trouver des sources de financement extérieures, décide de ne pas prolonger la mission de Spitzer que jusqu'à janvier 2020.

Fin de mission

Spitzer a été placé au lancement sur une orbite héliocentrique proche de celle de la Terre et à environ 0,2 Unités Astronomiques derrière la Terre. Du fait de sa distance du Soleil légèrement supérieure à celle de la notre planète (période de 373,1 jours et excentricité de l'orbite de 0,0113) le télescope s'est éloigné de 0,1 U.A. par an de cette dernière et en 2020 le télescope se situait à 1,77 U.A. de la Terre (260 millions de kilomètres de la Terre, soit plus de 700 fois la distance Terre-Lune). Alors qu'en début de mission le débit des liaisons atteignait 2,2 mégabits par seconde, en 2020 il avait chuté à 550 mégabits/seconde. Par ailleurs du fait de la position relative du télescope par rapport à la Terre, l'orientation de ses panneaux solaires durant les séances de télécommunications est de plus en plus défavorable sollicitant les batteries et le module de service se voit en partie exposé au rayonnement solaire ce qui n'était pas prévu.

Après 16 ans d'opérations, la NASA décide de mettre fin à la mission le 30 janvier 2020. Des commandes sont envoyées par le centre de contrôle pour que Spitzer se place en mode survie avec ses panneaux solaires maintenus pointés vers le Soleil. Le télescope spatial va continuer de s'éloigner progressivement de la Terre avant de s'en rapprocher de nouveau et passer à proximité de celle-ci (8 fois la distance Terre-Lune) en 2053. Le signal radio sera tellement faible à ce moment-là qu'il faudra un équipement spécialement conçu pour le capter. Le coût de la mission en incluant le lancement, la conduite des opérations et l'analyse des données est évalué à 1,19 milliard de dollars sur la durée de la mission primaire et à 1,36 milliard US$ en incluant les opérations jusqu'à la mise hors service en 2020.

Bilan

Le choix de l'orbite et d'un télescope chaud au lancement, une isolation thermique et un système de dissipation de chaleur par rayonnement particulièrement efficaces ont permis au télescope de fonctionner en mode froid durant 2030 jours en emportant seulement 49 kg d'hélium liquide. L'hélium liquide s'est évaporé en moyenne au rythme de 0,24 milligramme par jour pour dissiper 5,1 milliwatts de chaleur produite par les instruments et l'usage de la résistance chauffante activée pour diminuer la température lors des observations de MIPS en ondes longues. Par comparaison le télescope infrarouge IRAS qui emportait 73 kg d'hélium mais circulait sur une orbite terrestre basse a fonctionné durant 10 mois avant d'épuiser son liquide cryogénique.

L'orbite choisie ne permettait pas de bénéficier de la protection de la magnétosphère terrestre contre le rayonnement cosmique. Des mesures précises de l'impact de ces derniers sur les détecteurs d'IRAC (256 x 256 pixels soit 65 536 pixels) ont démontré qu'en moyenne 5 pixels étaient touchés chaque seconde. La fluctuation peu élevée du nombre d'impacts au fil du cycle solaire a démontré que les rayons cosmiques étaient d'origine principalement galactiques.

A la fin de la mission en 2020, il restait 40 % du gaz froid utilisé pour désaturer les roues de réaction (avec en moyenne 1 opération de désaturation tous les deux jours). Malgré un centre de poussée de la pression de radiation décalé par rapport au centre de masse du télescope et le déplacement de ce dernier au fur et à mesure de l'évaporation de l'hélium (de 5 centimètres) ainsi que l'absence de prise en compte de l'impact des régions du ciel observées dans la planification des observations, la quantité de gaz emportée n'a pas constitué un facteur limitant la durée de vie du télescope.

Caractéristiques techniques

Spitzer est le plus petit des Grands Observatoires de la NASA : il mesure un tiers de la longueur du télescope spatial Hubble pour un onzième de sa masse. C'est un engin de forme cylindrique de 4,45 mètres de long pour 2,1 mètres de diamètre. Sa masse est de 950 kg en incluant les 15,6 kg d'azote utilisés pour la désaturation des roues de réaction et les 360 litres d'hélium (50,4 kg) maintenir la température des instruments et le télescope à une température suffisament basse pour permettre leur fonctionnement. il est composé de trois sous-ensembles :

• le télescope avec ses instruments scientifiques refroidis par de l'hélium liquide qui est protégé par une enveloppe. L'ensemble forme le CTA (Cryogenic Telescope Assembly) ;
• le module de service, situé à l'extrémité inférieure du télescope, qui abrite l'électronique des instruments scientifiques, les antennes, les propulseurs et les ordinateurs chargés de faire fonctionner le télescope et de l'orienter ;
• les panneaux solaires qui produisent l'énergie électrique mais qui jouent également le rôle de pare-soleil.

Schéma de Spitzer et vue en coupe

A Partie optique : 1 - miroir secondaire ; 2 - enveloppe externe ; 3 - miroir primaire ; 11 opercule anti-poussières ; B Cryostat : 4 - compartiment instruments ; 10 - réservoir d'hélium ; C Module de service : 5 - bouclier module de service ; 6 - viseurs d'étoiles ; 7 - batteries ; 8 - antenne grand gain ; 9 - réservoir d'azote ; 12 - entretoises ; 13 - centrale à inertie ; D Panneaux solaires : 14 - bouclier panneaux solaires.

Module de service

Le module de service.

Le module de service est une structure à huit côtés réalisée en composite carbone et en aluminium en nid d'abeilles. L'énergie est fournie par de panneaux solaires fixes qui produisent 500 watts en début de mission stockés dans des batteries ayant une capacité de 16 ampères-heures. La consommation électrique maximale est de 375 Watts.

Contrôle d'attitude

L'engin spatial est stabilisé sur 3 axes avec une précision de pointage de 0,5 seconde d'arc et une stabilité de 0,03 seconde d'arc pour une exposition d'une durée de 600 secondes. L'orientation et la vitesse de rotation du télescope sont déterminées à l'aide de gyroscopes et d'un viseur d'étoiles. Le champ de vue de ce dernier contient généralement environ 40 étoiles de magnitude 9 ou supérieure qu'il compare à un catalogue interne de 87 000 étoiles pour déterminer l'orientation absolue. Le pointage du télescope est effectué en utilisant quatre roues de réaction positionnées en forme de pyramide pour assurer une redondance. Sous leur action, le télescope met 8 minutes pour pivoter de 90 degrés. Le télescope est soumis à trois couples de force qui doivent être compensés : la pression de radiation, le vent solaire et la poussée produite par l'expulsion de l'hélium gazeux. L'impact des deux premiers couples est limité grâce à l'alignement du centre de leur poussée avec le centre de masse du télescope tandis que l'évacuation des gaz s'effectuent par deux sorties positionnées de manière à limiter le couple généré. Les roues de réaction sont désaturées en utilisant tous les deux jours la poussée produite par deux groupes de six propulseurs à gaz froid utilisant de l'azote (ne générant pas de particules). Il n'est pas prévu de corriger l'orbite au cours de la mission.

Système de de gestion des commandes et des données

Le système de gestion des commandes et des données est responsable de la réception des commandes envoyées par les contrôleurs au sol, de leur stockage et de leur exécution, de la surveillance du fonctionnement de l'engin spatial, de la collecte des données scientifiques, de leur traitement et de leur transmission ainsi que de la gestion du mode survie. Il est constitué de 13 cartes électroniques pilotées par deux microprocesseurs RAD6000 (cadencés à 20 MHz et disposant de 128 mégaoctets de mémoire vive) tournant sous le système d'exploitation VxWorks. Le logiel, écrit en langage C, comprend 125 000 lignes de code.

Télécommunications

Les échanges entre le satellite et la Terre ne se font pas en continu car l'antenne parabolique grand gain utilisée pour les communications est fixe et n'est pas pointée vers la Terre lorsque le télescope fonctionne. Une fois toutes les 12 à 24 heures, l'orientation du télescope est modifiée pour permettre le pointage de l'antenne vers la Terre et les données sont transférées avec un débit moyen de 85 kilooctets par seconde. Le débit maximum est de 2,2 mégaoctets/seconde durant la mission froide lorsqu'une antenne de 70 mètres de diamètre est utilisée. Si, pour une raison ou une autre, une session de communications ne peut être réalisée, le télescope dispose d'une mémoire de masse d'une capacité de huit gigabits pour éviter de perdre les données enregistrées (48 heures de données peuvent être stockées). Spitzer dispose par ailleurs de deux antennes à faible gain (40 octets par seconde) qui sont utilisées pour transmettre les télémesures (surveillance du fonctionnement du télescope) et lorsque le télescope est en mode survie. Fixées sur le module de service, elles couvrent chacune 180 degrés et sont orientées perpendiculairement aux panneaux solaires.

Isolation thermique

Le télescope doit être maintenu aussi froid que possible pour que les objets observés ne soient pas confondus par les instruments avec d'autres sources de chaleur (infrarouge). La chaleur est produite par le rayonnement solaire, qui frappe les panneaux solaires (à droite sur le schéma ci-contre) et par l'électronique du module de service (en bas sur le schéma). La partie de la charge utile de Spitzer qui doit être maintenue à des températures très basse est baptisée CTA (Cryogenic Telescope Assembly). Le satellite est orienté de manière que le Soleil ne frappe jamais le CTA. Le CTA comprend quatre sous-ensembles : le télescope, le compartiment contenant les instruments scientifiques (hors électronique), le cryostat et l'enveloppe externe chargée d'isoler cet ensemble sur le plan thermique. Le télescope emporte de l'hélium liquide qui, en s'évaporant, permet d'évacuer la chaleur, mais pour que la mission dure il est essentiel que la chaleur excédentaire soit évacuée ou arrêtée en isolant au mieux les parties froides du télescope et ses instruments.

• Isolation thermique
• 
  Modélisation des échanges thermiques du télescope spatial infrarouge Spitzer.
• 
  Le cryostat de Spitzer en cours de test surmonté par une pièce simulant la masse de l'optique du télescope. L'intérieur qui est sous vide comprend le compartiment contenant les instruments (hors électronique) et le réservoir d'hélium.

La chaleur se diffuse vers le télescope et ses instruments par conduction (via les entretoises qui solidarisent les différents composants) et par rayonnement. Le CTA est attaché au module de service par des entretoises conçues pour limiter les transferts thermiques. Deux boucliers thermiques, situés d'une part entre le CTA et le module de service et d'autre part entre le CTA et les panneaux solaires, interceptent et évacuent dans le vide par rayonnement la majeure partie de la chaleur produite. L'enveloppe externe du CTA, réalisée en nid d'abeilles d'aluminium, est peinte en noir sur la face opposée à celle du Soleil pour évacuer le maximum de chaleur vers l'espace. Elle est brillante sur l'autre face pour réfléchir le rayonnement du Soleil. Le cryostat est constitué par une enceinte dans laquelle le vide est fait et contient l'hélium liquide : les vapeurs produites par évaporation refroidissent l'ensemble à une température d'environ cinq kelvins en compensant la faible quantité de chaleur (modélisée à 4 mW) qui parvient jusqu'au cœur du télescope ou qui est produite par les détecteurs des instruments. Le CTA est fermé à son extrémité supérieure par un opercule pour limiter l'évaporation de l'hélium au début du vol. Cette pièce du télescope est éjectée pour permettre à la lumière de parvenir jusqu'au miroir primaire lorsque la température de l'ensemble est tombé en dessous de 35 kelvins.

Charge utile

La partie optique avec le miroir primaire surmonté par une tourelle à l'extrémité de laquelle est fixé le miroir secondaire.

La charge utile de Spitzer est constituée par le télescope (la partie optique), le cryostat contenant le compartiment contenant les instruments scientifiques hors électronique (MIP pour Multiple Instrument Chamber) et le réservoir d'hélium permettant de maintenir la température nécessaire au fonctionnement du télescope et enfin l'essentiel de l'électronique des instruments logée dans le module de service pour limiter l'échauffement des détecteurs. L'ensemble formé par le cryostat et le télescope sont encapsulés dans une coque, l'OS (Outer Shell) fermée à son extrémité supérieure par un opercule qui est largué dans l'espace pour permettre les observations. La face de l'OS située du côté des panneaux solaires agit comme un réflecteur rejetant tous les photons incidents tandis que sa face opposée (jamais éclairée), qui est peinte en noir, fait office de Radiateur (échangeur de chaleur) et dissipe la chaleur par rayonnement .

Optique

L'optique de Spitzer est un télescope de type Ritchey-Chrétien avec un miroir primaire de 85 centimètres de diamètre. Le miroir secondaire de 12 cm de diamètre est fixé à l'extrémité d'une tourelle qui solidarise les deux miroirs. Une fois le télescope en orbite, un mécanisme permet d'ajuster la distance entre le miroir primaire et le miroir secondaire. Pour la longueur d'ondes de 6,5 micromètres le diamètre du champ de vue de l'optique est de 30 minutes d'arc et l'erreur de front d'onde (résolution spatiale) est de 0,646 micromètres (λ/14). La longueur focale est de 10,2 mètres (ratio de f/12). Toutes les parties du télescope, sauf les supports qui sont en titane, sont réalisées en béryllium. Ce métal présente l'avantage d'être léger, solide, peu sensible aux changements thermiques et de se refroidir 20 fois plus vite que le verre. La masse totale du télescope est de 55 kg pour une hauteur de 90 cm. La longueur focale est de 10,2 mètres.

Instruments scientifiques

Le rayonnement infrarouge collecté par le télescope peut être analysé par trois instruments (IRAC, IRS et MIPS) mais contrairement au télescope spatial Hubble, un seul instrument peut fonctionner à un instant donné. Ceux-ci sont placés dans un compartiment en aluminium de 84 cm de diamètre et 20 cm de haut qui reçoit par un orifice situé au milieu de sa partie supérieure le rayonnement infrarouge collecté par le télescope. Le compartiment est placé directement au-dessus du cryostat rempli d'hélium liquide qui maintient ainsi les instruments à une température proche de 0 kelvin. L'électronique des instruments, source de chaleur, est placée dans le module de service.

• Compartiment des instruments (MIC)
• 
  Les instruments scientifiques sont placés dans un compartiment en aluminium situés sous le télescope et au-dessus du réservoir d'hélium. Les instruments sont distribués à la périphérie et capturent le rayonnement infrarouge grâce à des miroirs situés au centre du compartiment.
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  Les trois instruments intégrés dans la chambre cryogénique MIC.

Caméra IRAC

Réponse des quatre filtres de la caméra IRAC en électron/photon.

IRAC (Infrared Array Camera) est une caméra permettant d'observer l'infrarouge proche et moyen. Elle génère simultanément quatre images de l'espace de 5,2 x 5,2 minutes d'arc dans les longueurs d'ondes 3,6 µm, 4,5 µm, 5,8 µm et 8 µm. Deux régions de l'espace adjacentes séparées de 1,52 minutes d'arc sont observées chacune dans deux longueurs d'ondes : la première dans les longueurs d'ondes 3,6 et 5,8 micromètres (µm), la seconde dans les longueurs d'ondes 4,5 et 8 µm. Un séparateur de faisceau dichroïque permet d'alimenter deux détecteurs simultanément. Les quatre détecteurs sont constitués de matrices de 256 × 256 pixels avec une taille du pixel de 1,2 x 1,2 seconde d'arc qui conditionne la résolution spatiale des images. Les détecteurs utilisés pour les longueurs d'onde courtes (3,6 et 5,5 µm) sont réalisés en antimoniure d'indium tandis que ceux destinés aux longueurs d'onde longues (5,8 et 8 µm) sont en silicium dopés à l'arsenic. La seule partie mobile de l'instrument est l'obturateur qui devait permettre de mesurer le courant de fuite des détecteurs mais qui jamais été utilisé durant la mission. IRAC est le seul instrument capable de fonctionner au moins partiellement après l'épuisement de l'hélium utilisé pour refroidir les instruments : la température est alors devenue trop élevée pour les détecteurs 5,8 et 8 µm, mais les deux autres détecteurs restent opérationnels.

La sensibilité de l'instrument se compare favorablement avec celle des instruments similaires montés sur les plus grands télescopes terrestres. Les images prises dans la longueur d'ondes 3,6 µm permettent l'observation d'objets d'une magnitude apparente de 19 après une durée d'exposition de 1 heure. La partie cryogénique de l'instrument a une masse de 11,1 kg, mesure 28 centimètres dans sa plus grande largeur et est est haute de 15 centimètres et consomme 3 milliWatts. L'électronique, située dans la baie numéro 5 du module de service et dont les dimensions sont de 46x38x23 centimètres, a une masse de 24,5 kg et consomme 56 Watts. IRAC a été développé par le Centre de vol spatial Goddard sous la responsabilité scientifique du Smithsonian Astrophysical Observatory.

• Instrument IRA
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  Schéma montrant les principaux composants de la partie cryogénique de l'instrument.
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  Photo de la partie cryogénique de l'instrument.

Spectrographe IRS

Le spectographe IRS.

IRS (Infrared Spectrograph) est un spectrographe produisant des spectres du rayonnement entre 5 µm et 38 µm. Il est constitué de quatre sous-ensembles fonctionnant en parallèle : spectre d'ondes courtes à haute résolution entre 10 et 19,5 µm, spectre d'ondes courtes à faible résolution entre 5,3 et 14 µm, spectre d'ondes longues à faible résolution entre 14 et 40 µm, spectre d'ondes longues à haute résolution entre 19 et 37 µm. Tous les détecteurs font 128 × 128 pixels, ceux utilisés pour les ondes courtes sont en silicium dopés à l'arsenic (Si:As) tandis que ceux pour les ondes longues sont faits de silicium dopés à l'antimoine (Si:Sb). L'instrument ne comporte aucune partie mobile.

• Spectographe IRS
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  Schéma d'IRS.
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  Un des quatre détecteurs de IRS.

Caméra MIPS

La caméra MIPS avant son intégration dans le MIC.

MIPS (Multiband Imaging Photometer for Spitzer) est comme IRAC, une caméra imageur mais spécialisée dans l'infrarouge lointain (24 µm, 70 µm et 160 µm) et avec une capacité à faire de la spectrométrie simple. Le détecteur 24 µm comporte 128 × 128 pixels et est réalisé en silicium dopé à l'arsenic. Le détecteur de 70 µm est réalisé avec deux barrettes en germanium dopé avec du gallium de 16 pixels aboutées pour former une matrice 32 × 32. Le détecteur 160 µm comprend deux rangées de 20 pixels réalisés avec les mêmes matériaux. Ces caractéristiques sont nettement supérieures à celles des capteurs du télescope infrarouge européen ISO : PHOT C-100 (l'équivalent de 70 µm) qui n'a que 3 × 3 pixels et C-200 qui n'a que 2 × 2 pixels. Le champ observé est de 5 × 5 minutes d'arc pour la longueur d'onde 24 micromètres mais chute à 0,5 × 6 minutes d'arc à 1 600 µm. Le détecteur à 70 µm permet de produire un spectre simple entre 50 et 100 µm. L'instrument ne comporte qu'une seule partie mobile : il s'agit d'un miroir rotatif permettant de cartographier des portions du ciel plus importantes. Les détecteurs de MIPS sont refroidis à 1,7 K.

• Instrument MIPS
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  Mirroir de balayage de MIPS.
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  Un des détecteurs de MIPS

Contrôle de la mission et traitement des données

Le centre de contrôle de mission qui pilote les opérations est géré par le Jet Propulsion Laboratory (Pasadena, Californie) en s'appuyant pour les communications avec Spitzer sur le réseau d'antennes du Deep Space Network. Le Spitzer Science Center (SSC), sous-ensemble du Infrared Processing and Analysis Center (IPAC) et géré par le California Institute of Technology traite les données, les archive et les met à disposition quelques heures après qu'elles étaient été collectées. Ce centre est également chargé d'évaluer et de sélectionner les propositions d'observation soumises par les chercheurs. Il intervient également en tant que support scientifique lorsque l'observatoire spatial rencontre des problèmes de fonctionnement.

Attribution du temps d'observation

Répartition du temps d'observation par programme.

Durant la phase froide 25% du temps d'observation était réservé aux équipes scientifiques ayant participé au développement de l'observatoire (voir ci dessous). Le temps restant était alloué chaque année, via un processus de sélection, aux projets proposés par la communauté scientifique internationale. Les propositions, réparties dans six thèmes scientifiques, sont évaluées par autant de comités formés de spécialistes du domaine. Il y a eu en tout 14 cycles de sélection dont 5 pour la période froide et 9 pour la période chaude avec un nombre de projets retenus à chaque cycle passant en moyenne d'environ 300 à 60. Le temps d'observation consacré à la collecte de données scientifiques, a été au total de 36 534 heures durant la phase froide de la mission et de 81 188 heures durant la phase chaude. Il a été réparti entre plusieurs catégories de projet :

• Guaranteed Time (GTO) : un temps d'observation de 5% est alloué d'une part à chacune des trois équipes ayant développé les instruments (composée chacune de deux à trois douzaines de scientifiques) et d'autre part collectivement aux autres membres du Groupe de travail scientifique Spitzer (6 personnes). Cette allocation courrait initialement sur 2,5 ans mais elle a été prolongée sur toute la phase froide de la mission pour les équipes instrumentales.
• Director’s Discretionary Time (DDT) : le directeur du centre scientifique Spitzer (SSC) dispose de 5% du temps d'observation qu'il alloue à des projets qui doivent être executés en urgence sans attendre la planification du prochain cycle d'observations.
• Programme Legacy Science (nouveauté introduite par l'observatoire Spitzer) : le temps d'observation est alloué à des programmes traitant de questions scientifiques critiques nécessitant des données de qualité et des durées d'observation importantes. Lors de la sélection du premier cycle en 2000, six projets totalisant 3160 heures d'observation ont été retenus. Durant la phase froide de la mission 32 projets ont totalisé 8691 heures d'observation. Durant la phase chaude, ce type de projet a été repris par les programmes Exploration Science et Frontier Legacy.
• Projets General Observer (GO) : l'ensemble des heures qui n'ont pas été allouées aux autres programmes rentrent dans cette catégorie. Les projets concernés portent sur un grand nombre de domaines et peuvent être exécutés conjointement avec d'autres observatoires de la NASA. Durant la phase froide ils ont représenté la fraction la plus importante du temps d'observation : les projets de 747 scientifiques de 38 pays différents ont été sélectionnés au cours des 5,7 années. Durant la phase chaude les projets de 335 scientifiques de 22 pays ont été sélectionnés.
• Programmes Exploration Science : cette catégorie créée pour la phase chaude (à partir du cycle 6) est dédiée aux projets nécessitant plus de 500 heures de temps d'observation. 42 projets totalisant 38 412 heures d'observation ont été réalisés dans le cadre de ce programme.
• Programmes Frontier Legacy : cette catégorie est créée à partir du cycle 13 pour des projets traitant de sujets scientifiques importants ne rentrant pas dans les objectifs initiaux de l'observatoire et nécessisant encore plus d'heures que les projets de la catégorie précédente. Trois projets ont été réalisés totalisant 8545 heures d'observation (5286 heures pour le projet le plus important).
• Programmes Snapshot : cette catégorie a été créée pour répondre aux contraintes créées d'une part par la distance croissante de la Terre (chute du débit des télécommunications) et d'autre part par la multiplication des observations dédiées aux exoplanètes. Les projets rentrant dans cette catégorie devaient être faciles à reprogrammer, générer un faible volume de données et accepter que seul un sous-ensemble des observations puissent être executées.

Résultats

Publications

Fin 2020 9 304 articles scientifiques exploitant des données produites par Spitzer ont été publiés dans des revues à comité de lecture. Ces articles ont été au total cités 475 142 fois.

Découvertes et observations

La nébuleuse Trifide vue en infrarouge en combinant les longueurs d'onde de 3,6, 8 et 24 micromètres.

Le télescope Spitzer a permis d'observer pour la première fois de nombreux phénomènes :

Système solaire

• Découverte en février 2009 du plus grand des anneaux de Saturne : l'anneau de Phœbé est à la fois très éloigné de la planète géante (circonférence interne située à 6 millions de kilomètres) et très large (20 fois le diamètre de Saturne). Très peu dense il est de ce fait peu visible. Sa présence explique sans dout l'aspect particulier du satellite de Saturne Japet dont une face est noire et l'autre très blanche, les poussières de l'anneau percutant la surface de Japet.
• Spitzer fait partie (avec Hubble et Chandra) des télescopes utilisés pour déterminer les éléments chimiques et les composants plus complexes présents dans les débris soulevés par l'impact volontaire de la sonde spatiale Deep Impact sur la surface de la comète Tempel 1. L'objectif de cette collision était de pouvoir analyser à distance les constituants de la comète considérés comme proches de la composition de la nébuleuse à partir de laquelle le système solaire s'est formé. Parmi les éléments découverts figurent des composant attendus comme des silicates et des grains de sable mais également des composants beaucoup plus surprenants comme de l'argile et des carbonates. Des éléments jamais observés jusque là dans des comètes ont été également identifiés comme des hydrocarbures aromatiques et des composants du fer. Les données recueillies permettent d'affiner la modélisation du processus de formation des planètes.

Formation des planètes

• le processus de formation des planètes : la dissolution du disque de poussière et de gaz et sa concentration aboutissant à la formation des planètes. Les observations effectuées autour d'étoiles similaires au Soleil dans différentes phases donnent à penser que le disque de poussière et de gaz dont sont issues les planètes terrestres disparaît en quelques millions d'années et que donc le processus de formation est très rapide ;

Étoiles et nébuleuses

• Rho Oph est une des pouponnières d'étoiles les plus proches de notre système solaire. Des images réalisées à l'aide de la caméra de Spitzer ont permis d'identifier au sein du nuage de poussière plus de 300 jeunes étoiles (age moyen 300 000 ans) à un stade très précoce de leur formation. Grâce à leur très bonne résolution spatiale ces images contribuent à mieux comprendre le processus de formation d'une étoile et de son système planétaire.
• Spitzer peut étudier les naines brunes qui sont des étoiles avortées (la fusion thermonucléaire ne s'est pas amorcée) du fait de leur petite taille (moins de 0,08 fois la taille du Soleil) mais qui émettent dans l'infrarouge. D'après ces observations, les naines brunes comme les étoiles présentent des disques de poussière et de gaz qui peuvent donc donner naissance à des planètes ;

Voie Lactée

• Les images prises par Spitzer au début de sa mission ont identifié une concentration d'environ 30 millions d'étoiles, généralement agées, situées au centre de notre galaxie. Elles ont permis de confirmer ce qui n'était juste là qu'une hypothèse à savoir que celle-ci était une galaxie spirale barrée c'est à dire que ses bras spiraux n’émergaient pas du centre de la galaxie mais d’une bande d’étoiles traversant celui-ci. Ce bras est long de 27000 années-lumières (7000 années-lumières de plus que prévu) et fait un angle de 45 degrés par rapport au plan galactique
• En 2014 la NASA a publié une carte de notre galaxie réalisée à partir de 2 millions d'images prises par Spitzer principalement dans le cadre du projet Galactic Legacy Mid-Plane Survey Extraordinaire (GLIMPSE) et ayant nécessité 4142 heures d'observation. L'infrarouge permet notamment de distinguer les étoiles présentent en arrière-plan des nuages de poussière particulièrement denses au coeur de la Voie lactée. En utilisant cette carte les astronomes ont pu affiner les contours de la galaxie, affiner les caractéristiques de la barre centrale qui s'est avérée légèrement plus grande que prévue et identifier des étoiles peu lumineuses situées dans les régions périphériques. Cette carte a également mis en évidence la présence de bulles un peu partout au sein de notre galaxie constituées de cavités creusées par le vent stellaire et le rayonnement d'étoiles massives

Galaxies

• Spitzer effectue ses observations dans une une gamme d'ondes très large qui lui permet de détecter des phénomènes très différents au sein des galaxies allant de l'atmosphère des étoiles jusqu'aux nuages interstellaires froids. Cette capacité jointe avec un champ optique de 5 × 5 minutes d'arcs permet de réaliser des images frappantes des galaxies voisines comme M81 ;
• Spitzer observe les galaxies infrarouges, siège de formation très intense d'étoiles (« galaxies à sursauts de formations d'étoiles ») et mis en évidence les processus particuliers associés ;
• Spitzer a observé pour la première fois des molécules fullerènes de type graphène à l'état solide dans les Nuages de Magellan (ces molécules avaient déjà été observées dans des météorites).

Univers

La sensibilité de Spitzer lui a permis de détecter des galaxies particulièrement lointaines avec un décalage vers le rouge de 6 donc apparues un peu moins d'un milliard d'années après le Big Bang ;

• En 2011 Spitzer a contribué avec d'autres observatoires à caractériser l'amas de galaxies en formation COSMOS-AzTEC3 situé à 12,6 milliards de notre galaxie, le plus lointain jamais observé jusque là. Le télescope infrarouge a été utilisé pour estimer sa masse (400 millions de Soleil) et qu'il existe en son centre une galaxie massive caractérisée par un taux de formation d'étoiles particulièrement élevé

Autres

La galaxie d'Andromède (M31) photographiée par MIPS en 24 micromètres le 25 août 2004.

Exoplanètes

Bien que l'observation des exoplanètes n'ait pas fait partie des objectifs initiaux de la mission Spitzer, le télescope spatial a effectué des découvertes importantes dans ce domaine grâce à sa capacité d'observation dans l'infrarouge et la précision de son système de pointage.

• le télescope spatial peut capter pour la première fois la lumière émise par une exoplanète chaude et ainsi analyser les variations de températures à sa surface ;
• En mai 2009, Spitzer fournit la première carte météorologique d'une exoplanète en mettant en évidence des variations de température à la surface de la planète géante gazeuse HD 189733 b. Les observations mettent également en évidence la présence de vents violents parcourant l'atmosphère.
• Spitzer découvre cinq des sept planètes rocheuses gravitant autour de l'étoile TRAPPIST-1 dans le cadre d'une campagne d'observation de 500 heures. Les caractéristiques de Spitzer étaient idéales pour observer cette étoile beaucoup plus froide que notre Soleil et déterminer la taille et la masse des planètes.
• En 2010, Spitzer parvient à détecter une exoplanète située à 13 372 années-lumière, beaucoup plus éloignée que toutes celles découvertes jusque-là. La détection est effectuée en utilisant la technique de la microlentille gravitationnelle avec l'assistance d'un télescope terrestre.
• Cette technique est de nouveau mise en œuvre avec l'aide d'astronomes sud-coréens pour détecter une planète de la taille de la Terre tournant autour d'une étoile naine située à 12,7 années-lumière de la Terre.
• En combinant des données de Spitzer et du télescope spatial Kepler, une première cartographie des nuages d'une exoplanète géante de la taille de Jupiter a pu être établie. Spitzer a permis de déterminer que la température de Kepler-7 b variait de 1100 à 1300 kelvin et d'en déduire que l'hémisphère ouest était en permanence nuageuse tandis que l'hémisphère est présentait une atmosphère dégagée.
• Une observation d'une durée de 8 heures de la planète 55 Cancri e a permis de déterminer que cette planète de type superterre (deux fois plus grande que la Terre) connait des températures particulièrement élevées. Cette planète, qui subit un verrouillage gravitationnel (la même face est toujours tournée vers l'étoile), a une température de surface de 2 400 °C côté jour et de 1 120 °C côté nuit. Cela suggère que sa surface est recouverte de lave.
• En 2007, Spitzer capture suffisamment de lumière d'une exoplanète pour identifier la présence de certaines molécules dans son atmosphère. En utilisant la technique de l'éclipse secondaire, le spectrographe du télescope spatial établit que les deux planètes géantes HD 209458 b et HD 189733 b étaient à la fois plus sèches et plus nuageuses que prédit. Contrairement à ce qui était prévu, aucune trace d'eau n'a été trouvée dans leur atmosphère. L'atmosphère de HD 209458 b contient de petits grains de sable (des silicates) dont la présence dans une planète de ce type constitue une nouveauté.
• Spitzer a permis de confirmer et de préciser les découvertes d'exoplanètes effectuées par d'autres instruments, notamment Kepler. Une campagne d'observation de dix Jupiter chauds réalisée en 2015 avec le télescope spatial Hubble a permis d'expliquer l'absence apparente d'eau dans l'atmosphère de ces planètes. L'eau était en réalité masquée par des nuages et des brouillards.
• Spitzer a utilisé ses capacités infrarouges pour observer la poussière provenant de restes d'astéroïdes gravitant autour de six naines blanches. Les données collectées indiquent que cette poussière contient de l'olivine, un matériau abondant sur notre Terre. Ceci suggère que les constituants de notre Terre et des autres planètes rocheuses du système solaire sont communs dans l'univers et que donc les planètes rocheuses abondent également.
• Spitzer observe entre août 2012 et janvier 2013 une brusque augmentation de la quantité de poussière présente autour de l'étoile NGC 2547-ID8. Il s'agissait sans doute du résultat d'une collision entre deux grands astéroïdes qui donne un aperçu du processus violent à l'origine de la formation des planètes rocheuses comme la Terre.

• Images prises par les instruments de Spitzer
• 
  La Nébuleuse Hélix. Bleu : infrarouge entre 3,6 et 4,5 micromètres ; vert : entre 5,8 et 8 micromètres ; rouge : 24 micromètres.
• 
  Dans le sens des aiguilles en partant d'en haut à gauche : vue en infrarouge de M81 ; objet Herbig-Haro HH contenant une protoétoile ; plusieurs protoétoiles mis en évidence dans le globule obscur IC 1396 ; la Comète Schwassmann-Wachmann 1.
• 
  Spitzer permet de découvrir l'anneau de poussière extérieur qui entoure Saturne.

Postérité et successeurs

Les données produites par Spitzer sont utilisées pour la conception des missions Euclid (2023-) de l'Agence spatiale européenne et Nancy-Grace-Roman (2026-) de la NASA qui toutes deux réalisent des cartes à grande échelle du ciel infrarouge. Plusieurs télescopes infrarouge succèdent à Spitzer. L'Agence spatiale européenne lance en 2009 le télescope infrarouge Herschel. Doté d'un miroir de 3,5 mètres il effectue jusqu'en 2013 (date de l'épuisement du liquide cryogénique) ses observations entre 55 et 300 microns. Le télescope spatial James Webb de la NASA prend la suite en 2021. Il couvre une plage de fréquences plus réduite que Spitzer (0,6 à 28 microns contre 3 à 160 microns) mais son miroir primaire cinquante fois plus grand lui permet de produire des images de meilleure résolution spatiale et d'observer des objets beaucoup plus éloignés. C'est le premier télescope infrarouge à observer l'infrarouge moyen sans être tributaire d'un liquide cryogénique. A plus long terme l'agence spatiale américaine a sélectionné en 2026 le télescope PRIMA qui observera dans l'infrarouge lointain (entre 24 et 261 micromètres) à l'aide d'une optique de 1,8 mètre de diamètre.

Comparaison des caractéristiques des principaux télescopes spatiaux observant dans l'infrarouge moyen et lointain

Caractéristique	Spitzer	JWST	Herschel	PRIMA
Agence spatiale	NASA		ESA	NASA
Début et fin de mission	2003-2020	2021-	2009-2013	2033-
Bande spectrale infrarouge	3,6 – 160 µm	0,9 – 28 µm	55 - 300 µm	24 – 261 µm
Type télescope	Ritchey-Chrétien	Anastigmatique à trois miroirs	Cassegrain	Korsch
Ouverture	0,85 m	6,5 m	3,5 m	1,8 m
Longueur focale	10,2 m	131,4 m	27 m
Champ de vue	0,007 deg²	0,0032 deg²	0,0017 deg² (PACS)	0,62 deg²
Résolution spatiale	1,6 à 40 secondes d'arc	0,063 seconde d'arc	5 secondes d'arc (PACS)
Résolution spectrale	64 à 600 (IRS)	150-2 700	1000 à 4000 (PACS)	85 à 4400 (FIRESS)
Instruments	Imageur, spectrographe	Imageur, spectrographe dont multi-objets, coronographe	Imageur, spectrographe	Imageur (stand, hyperspectral, polarimètre), spectrographe
Détecteurs	256 × 256 pixels (IRAC)	16 mégapixels (NIRCam)	32 × 64 pixels (PACS)
Masse	0,95 t	6,2 t	3,4 t	~3 t
Orbite	Orbite héliocentrique	Point de Lagrange L2
Maintenance	Non	Non	Non	?
Coût approximatif phase opérationnelle comprise jusqu'à la date indiquée	1,36 milliards US$²	10 milliards € (2026)	1,1 milliards €²	1,2 milliards US$¹
¹Hors cout de lancement ; ²Jusqu'à la fin de la mission.

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

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

Dossier de presse de la NASA

• (en) NASA, « Présentation à la presse de la mission (press kit NASA) », sur jpl.nasa.gov, août 2003. .

Description de la mission

• (en) R. D. Gehrz, T. L. Roellig, M. W. Werner, G. G. Fazio, J. R. Houck, F. J. Low, G. H. Rieke, B. T. Soifer, D. A. Levine et E. A. Romana, « The NASA Spitzer Space Telescope », Review of Scientific Instruments, vol. 78,‎ janvier 2007, p. 011302-1 à 38 (DOI 10.1063/1.2431313, lire en ligne). .
• (en) M. W. Werner, T. L. Roellig, F. J. Low, G. H. Rieke, M. Rieke, W. F. Hoffmann, E. Young, J. R. Houck, B. Brandl, G. G. Fazio et al., « The Spitzer space telescope mission », The Astrophysical Journal Supplement Series, vol. 154,‎ septembre 2004, p. 1-9 (lire en ligne).
• (en) M. W. Werner, « The Spitzer space telescope », Optical Engineering, vol. 51,‎ janvier 2012, p. 1-9 (lire en ligne). .

Description technique détaillée (user book)

• (en) JPL NASA et al., Spitzer Space Telescope Handbook v 2.1, 8 janvier 2021, 82 p. (lire en ligne). .
• (en) G. G. Fazio et al., « The infrared array camera (IRAC) for the Spitzer space telescope », The Astrophysical Journal Supplement Series, vol. 154,‎ septembre 2004, p. 10-17 (lire en ligne). .
• (en) J. R. Houck et al., « The infrared spectrpograph (IRS) on the Spitzer space telescope », The Astrophysical Journal Supplement Series, vol. 154,‎ septembre 2004, p. 18-24 (lire en ligne). .
• (en) G. H. Rieke et al., « The multiband imaging photometer for Spitzer », The Astrophysical Journal Supplement Series, vol. 154,‎ septembre 2004, p. 25-29 (lire en ligne). .
• (en) Michael W. Werner, Patrick J. Lowrance, Tom Roellig, Varoujan Gorjian, Joseph Hunt, Charles M. Bradford et Jessica Krick, « On-Orbit Performance of the Spitzer Space Telescope: Science Meets Engineering », Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems, vol. 8, n^o 1,‎ janvier 2022, p. 014002-1 à 27 (lire en ligne). .

Histoire du programme Spitzer

• (en) George H. Rieke, The Last of the Great Observatories: Spitzer and the Era of Faster, Better, Cheaper at NASA, University of Arizona Press, 2021, 234 p. (ISBN 9780816547104). 
  Histoire du projet Spitzer de la conception à son lancement par le responsable d'un des instruments.
• (en) Renee M. Rottner et al., Making the invisible visible - A History of the Spitzer Infrared Telescope Facility (1971–2003), NASA, coll. « Monographs in aerospace history; #47 », 2017, 212 p. (ISBN 9781626830363, lire en ligne).
• (en) Elena Scire, Luisa Rebull et Seppo Laine, « Spitzer Publication Statistics », Publications of the Astronomical Society of the Pacific, vol. 134,‎ 2022, p. 1-99 (DOI 10.1088/1538-3873/ac4959, lire en ligne). 
  Analyse des publications scientifiques utilisant les données produites par Spitzer (jusqu'à 2020).

Articles connexes

• Astronomie infrarouge.
• IRAS télescope infrarouge lancé par la NASA en 1983.
• ISO télescope infrarouge lancé par l'Agence spatiale européenne en 1995.
• Programme des Grands observatoires dont fait partie Spitzer.
• JWST (2021), successeur de Spitzer
• Herschel (2009), successeur de Spitzer

Liens externes

• (en) « Site officiel », Jet Propulsion Laboratory (consulté le 19 octobre 2027)
• (en) « Spitzer Documentation & Tools », sur Infrared Science Archive, IPAC/NASA/JPL (consulté le 19 octobre 2027)
• (en) « Spitzer Space Telescope Archive », sur Infrared Science Archive, IAC/NASA/JPL (consulté le 19 octobre 2027)