Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy ? SOFIA

Pour les articles homonymes, voir Sofia (homonymie) .

SOFIA ( acronyme de Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (en francais Observatoire stratospherique pour l' astronomie infrarouge ), est un telescope infrarouge aeroporte developpe conjointement par la NASA avec une participation de l' agence spatiale allemande . Le premier vol est effectue le 26 avril 2007 et le telescope est declare operationnel en 2014. La NASA annonce le 28 avril 2022 que SOFIA cessera ses operations d'ici le 30 septembre 2022 . Le dernier vol scientifique a eu lieu le 28 septembre 2022 ^{[ 1 ]} .

La partie optique de SOFIA est constituee d'un telescope de 17 tonnes dote d'un miroir de 2,7 metres de diametre. L'avion porteur, en circulant a une altitude de pres de 14 kilometres , permet l'observation du rayonnement infrarouge dans une gamme d'ondes qui va de l'infrarouge proche a l'infrarouge lointain (5 a 320 microns) qui ne peut etre observe par des telescopes terrestres car intercepte par l'atmosphere. Courant 2020, le telescope comporte six instruments dont une camera optique, un polarimetre et plusieurs spectrometres. L'instrument est utilise pour determiner la composition de l' atmosphere des planetes et de leur surface mais egalement pour etudier les cometes , la physique et la chimie du milieu interstellaire ainsi que la formation des etoiles .

Contexte : l'astronomie infrarouge [ modifier | modifier le code ]

L'astronomie infrarouge etudie la partie situee dans l' infrarouge du rayonnement emis par les objets astronomiques. La gamme de longueurs d’onde de l’infrarouge se situe entre 0,75 et 300 micrometres entre la lumiere visible (0,3 a 0,75 micrometre) et les ondes submillimetriques (a partir de 200 micrometres). L'astronomie infrarouge permet d'etudier des objets celestes qui ne sont pas observables en lumiere visible ainsi que des processus dont les caracteristiques sont en partie revelees par le rayonnement infrarouge qu'ils emettent. Les observations dans l'infrarouge portent en particulier sur les objets masques en lumiere visible par d'epais nuages de gaz ou de poussiere interstellaire (centre de notre galaxie , pouponnieres d'etoiles, proto-etoiles ) et sur les galaxies les plus lointaines dont le rayonnement subit un decalage vers le rouge du a l' expansion de l'univers qui les eloigne a des vitesses tres grandes de notre galaxie ^{[ 2 ]} .

La lumiere infrarouge emise par les objets celestes est en partie absorbee par la vapeur d’eau contenue dans l’atmosphere terrestre. L'infrarouge moyen et lointain (a compter de 8 microns) n'est pratiquement observable que depuis la tres haute altitude. Plusieurs methodes ont ete utilisees pour contourner cette contrainte : placer les telescopes a infrarouge a des altitudes elevees ( Observatoires du Mauna Kea , VISTA , ...), les placer en orbite ( Spitzer , IRAS (Infrared Astronomical Satellite), Herschel ) ou les installer a bord d'engins aeroportes (ballons, avions) volant a tres haute altitude.

Historique du projet [ modifier | modifier le code ]

Le telescope aeroporte Kuiper [ modifier | modifier le code ]

Le telescope SOFIA est le successeur du telescope aeroporte Kuiper developpe par la NASA et qui est reste operationnel entre 1974 et 1995. Celui-ci comprenait un telescope de 91,5 centimetres d'ouverture permettant d'observer l'infrarouge proche, moyen et lointain (1 a 500 microns). Il etait installe a bord d'un avion a reaction C-141 Starlifter qui est utilise en vol a une altitude de 14 kilometres , c'est-a-dire au-dessus de 99% de la vapeur d'eau contenu dans l'atmosphere. Il permet de decouvrir les anneaux d'Uranus en 1977 et la presence d'eau dans les atmospheres des planetes gazeuses geantes Jupiter et Saturne .

Developpement [ modifier | modifier le code ]

La NASA propose en 1984 de developper un telescope aeroporte ayant une ouverture de 3 metres et qui serait transporte par un Boeing 747. Les specifications sont detaillees en 1987 et l' Allemagne de l'ouest decide de partage a hauteur de 20%. Mais la reunification de l'Allemagne entraine une periode d'austerite budgetaire tandis que la NASA subit de son cote des coupes budgetaires. Le planning du projet SOFIA glisse de cinq annees. La NASA sous-traite le projet a l' USRA et la cooperation avec l'Allemagne est contractualisee en 1996. Les principaux composants du telescope sont assembles a Augsbourg ( Allemagne ) en 2002 et livres quelques mois plus tard aux Etats-Unis. Les premiers tests au sol du telescope ont lieu en 2004.

Le telescope doit etre monte a bord d'un B-747 d' United Airlines modifie pour permettre l'emport du telescope et sa mise en œuvre. Mais trois fournisseurs successifs de la porte mobile qui doit permettre au telescope de faire ses observations en vol font successivement faillite ce qui entraine un report en 2001. La compagnie aerienne United Airlines fait elle-meme faillite et se retire du projet alors qu'elle devait prendre en charge la mise en œuvre du telescope. En fevrier 2006, le cout du telescope aeroporte ayant cru de 185 a 330 millions US$, le projet est reexamine mais finalement la NASA donne son feu vert pour le poursuivre.

Le telescope aeroporte effectue son premier vol le 26 avril 2007 a l'usine L-3 Integrated System (L-3 IS) a Waco (Texas) ^{[ 3 ]} . Le comportement en vol avec la porte ouverte et fermee est longuement teste et les premieres observations scientifiques de routine debutent en 2010. Le fonctionnement a pleine capacite est atteint en 2014.

Fin de carriere [ modifier | modifier le code ]

L'utilisation du telescope SOFIA est en 2020 loin d'atteindre les objectifs fixes par ses concepteurs. Selon un audit effectue par un organisme independant, alors que les responsables s'etaient donnes comme objectif la production de 150 articles scientifiques par an, l'utilisation du telescope aeroporte sur la periode 2014-2018 n'a produit en moyenne que 21 articles scientifiques par an. Les responsables du projet tentent d'optimiser l'exploitation de l'instrument en demarrant de nombreux projets mais seules 40% des propositions retenues comme prioritaires ont pu etre menees a bien. SOFIA se classe en avant-derniere position parmi 29 observatoires terrestres (plus Hubble) pour la production de papiers scientifiques et en derniere position pour le nombre de citations. Avec un cout annuel de 85 millions US$, c'est par ordre de cout le deuxieme instrument d'astrophysique operationnel de la NASA juste derriere le telescope spatial Hubble. L'administration Trump a propose d'arreter le projet en fevrier 2020 mais le Congres n'a pas donne son accord ^{[ 4 ]} . La NASA annonce finalement le 28 avril 2022 que SOFIA cessera ses operations d'ici le 30 septembre 2022 , d'un commun accord avec l'agence spatiale allemande ^{[ 5 ]} . Le dernier vol scientifique a lieu du 29 au 30 septembre 2022. Il a effectue un total de 732 nuits d'observation ^{[ 6 ]} .

Il effectue son dernier vol le 13 decembre 2022 pour rallier la base de Davis-Month a Tucson dans l' Arizona . Il sera expose au Pima Air and Space Museum ^{[ 7 ]} .

Description [ modifier | modifier le code ]

La partie optique du telescope SOFIA comprend un miroir primaire de 2,7 metres de diametre dont 2,5 metres sont frappes par le rayonnement. Il permet de collecter le rayonnement compris entre 0,3 et 1600 microns. Sa masse est de 17 tonnes. Il est concu pour combler le trou existant entre le futur telescope spatial JWST qui permet d'observer jusqu'a 28 microns et le telescope Alma qui observe le rayonnement micro-ondes a compter de 320 microns. Le telescope est construit par un consortium pilote par l'agence spatiale allemande DLR et son miroir principal est concu et realise par la societe francaise Reosc ^{[ 8 ] , [ 9 ]} .

En 2020, les instruments de SOFIA sont ^{[ 9 ]}  :

• La camera optique FPI+ ( Focal Plane Imager Plus ) qui prend des images en lumiere visible et dans le proche infrarouge (0,36-1,1 micron),
• Le spectrometre a grisme FORCAST ( Faint Object Infrared Camera for the SOFIA Telescope ) qui observe dans l'infrarouge moyen et lointain (5-40 microns) avec une resolution spectrale comprise entre 100 et 300.
• Le spectrometre haute resolution EXES ( Echelon-Cross-Echelle Spectrometer ) qui observe dans l'infrarouge moyen et lointain (4,5-28,3 microns) avec une resolution spectrale comprise entre 10 ³ et 10 ⁵ .
• La camera, bolometre et polarimetre HAWC+ ( High -resolution Airborne Wideband Camera Plus ) qui observe dans l'infrarouge lointain (50-240 microns) avec une resolution spectrale comprise entre 2,3 et 8,8,
• Le spectrometre echelle FIFI-LS ( Far Infrared Field-Imaging Line Spectrometer ) qui observe dans l'infrarouge lointain (51-203 microns) avec une resolution spectrale comprise entre 600 et 2000,
• Le spectrometre heterodyne GREAT ( German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies ) qui observe dans l'infrarouge lointain (63-612 microns) avec une resolution spectrale comprise entre 10 ⁶ et 10 ⁸ .

L'avion porteur est un Boeing 747SP , une version courte du quadrireacteur qui est concu pour effectuer des vols particulierement longs et qui a ete obtenu a partir de la version standard en raccourcissant le fuselage et en modifiant fortement d'autres elements pour reduire le poids de l'avion. Livre a la compagnie Pan Am en 1977 , il est revendu a United Airlines en 1986. La NASA, qui l'achete en 1997 , a la responsabilite des importantes modifications effectuees pour installer le telescope dans la partie arriere du fuselage ^{[ 10 ]} . Le telescope est pointe a travers une porte coulissante amenagee entre les ailes et l'empennage arriere. Celle-ci, haute de 5,5 metres et large de 4,1 metres, peut etre ouverte en vol. Le telescope est installe dans la partie arriere du fuselage. Il est separe du reste de l'avion par une paroi etanche qui permet de maintenir le reste de la cabine pressurise. Le point focal du telescope se trouve avec les instruments du cote pressurise du fuselage. Au milieu de la cabine se trouve le centre de controle de la mission et la section destinee aux operations scientifiques. La partie avant permet d'accueillir des visiteurs. Le fait que le fuselage soit en partie expose au vide n'a pas d'influence sur les qualites de vol et l'aerodynamique de l'avion ^{[ 11 ] , [ 12 ] , [ 13 ] , [ 14 ] , [ 15 ] , [ 16 ] , [ 10 ]} .

Exploitation [ modifier | modifier le code ]

SOFIA doit fonctionner durant 20 ans. L'avion est base au Dryden Aircraft Operations Facility de Palmdale en Californie et de maniere temporaire a Christchurch en Nouvelle-Zelande pour des observations dans l'hemisphere sud. En 2021, l'appareil opere a partir de la Polynesie francaise , du fait de la fermeture de l'espace aerien neozelandais en raison de la pandemie de Covid-19 ^{[ 17 ]} . Les conditions d'observation sont meilleures en hiver (moins de vapeur d'eau). L'ete (aux Etats-Unis) est soit consacre a des observations dans l'hemisphere sud soit aux operations de maintenance.

De fevrier a fin mars 2021, apres une renovation par Lufthansa Technik a Hambourg en partenariat avec le DLR (Deutsches Zentrum fur Luft), il fait une premiere campagne en Europe depuis l’ aeroport de Cologne . Une vingtaine de sorties de nuit sont prevues ^{[ 18 ]} .

Les vols d'observation sont programmes a une altitude comprise entre 12 000 et 13 000 metres (39 000 et 43 000 pieds), evitant ainsi 99 % de la vapeur d'eau de l'atmosphere, particulierement nocive a la qualite des images infrarouge. En vol, le telescope doit etre pointe avec une elevation comprise entre 23 et 60°, par contre l'azimut est determine uniquement par la trajectoire de l'avion et est donc modifiable. Un vol doit durer moins de 10 heures (limite imposee par la charge de travail de l'equipage).

Principaux resultats [ modifier | modifier le code ]

Le 26 mai 2010 , SOFIA observe la chaleur degagee par Jupiter , ce qui n'avait pas encore ete realise ^{[ 19 ]} .

Le 10 juillet 2017 , SOFIA cherche a observer un asteroide dans la ceinture de Kuiper , pour le compte du projet New Horizons . Mais la tentative de mesure de l'occultation d'une etoile par l'asteroide (pour en mesurer son diametre) est un echec.

En 2020, les observations de SOFIA permettent de confirmer la presence de molecules d’eau dans le cratere Clavius , sur la Lune .

Notes et references [ modifier | modifier le code ]

Annexes [ modifier | modifier le code ]

Liens internes [ modifier | modifier le code ]

• (239672) SOFIA , asteroide nomme d'apres ce programme.

Liens externes [ modifier | modifier le code ]

• (en) Presentation du telescope SOFIA, de sa mise en œuvre et de quelques-uns de ses resultats (document NASA de juin 2020)
• (en) SOFIA Science Center sur le site de l'USRA.
• (en) SOFIA mission sur le site de la NASA avec galerie de photos et videos.

• Portail de l’astronautique
• Portail de l’aeronautique
• Portail de l’astronomie