DE L'ASTRONOMIE : le télescope spatial Hubble

     Les grands télescopes d’observation de l’Univers existent depuis assez longtemps puisqu’ils ont commencé à apporter leurs lots de découvertes dès 1904 avec celui du Mont Wilson, aux USA : ce premier grand télescope permit notamment à l’astronome Edwin Hubble, dans les années 1920, de mettre en évidence le fait que des galaxies comme la Voie lactée existent en grand nombre et que l’Univers est en expansion. Vint ensuite, en 1949, celui du Mont Palomar, toujours aux USA, encore plus grand et encore plus précis (pour ce dernier, j’ai conservé en mémoire la photo du camion transportant, à travers le désert et vers le site prévu, le miroir principal, camion suivi par l’impressionnante file de voitures des scientifiques veillant jalousement sur leur futur joujou). Ces événements en définitive pas si lointains furent, certes, des avancées spectaculaires dans l’observation de nos cieux mais tous ces merveilleux outils avaient un défaut rédhibitoire : situés au sol, ils ne pouvaient s’affranchir des turbulences de l’air qui brouillent les images… On avait donc depuis longtemps envisagé de déplacer les observatoires au delà de l’atmosphère terrestre mais faire décoller une fusée, mettre en orbite et exploiter même un « petit » télescope resta longtemps du domaine du phantasme jusqu’à ce qu’en 1990…

L’idée

     Pouvoir observer l’Univers en s’affranchissant des contraintes terrestres remonte aux années 1920 (une idée avancée des 1923 par le physicien allemand Hermann Oberth) mais c’est en 1946 que l’astronome américain Lyman Spitzer en évoque fermement le concept. Ce scientifique met en avant deux arguments fondamentaux : d’abord, comme cela a déjà été signalé, la présence dans l’espace d’un télescope permettrait de s’affranchir des turbulences atmosphériques et d’obtenir en conséquence une précision d’observation bien supérieure et, d’autre part, cela permettrait également d’étudier dans les domaines de l’infrarouge et de l’ultraviolet ce qui est impossible au sol à cause de l’atmosphère qui intercepte la plus grande partie de ces rayonnements.  Manquaient à l’évidence les compétences techniques qui permettaient un financement acceptable… On se contenta donc de quelques caméras embarquées dans les premières fusées du début de l’ère spatiale.

     En 1970, la NASA crée un comité chargé de l’étude de faisabilité d’un projet de télescope spatial mais les fonds tardent à venir ou, s’ils existent, ils sont rapidement amputés. Au début des années 1980, le projet se dessine enfin : pour en limiter le coût, la taille du miroir du télescope est revue à la baisse (mais reste acceptable) et, surtout, l’agence spatiale européenne, l’ESA, est invitée à se joindre à l’opération en échange d’une participation de 15% dans le financement global. C’est la grande époque des navettes spatiales américaines et le projet de télescope s’appuie sur elles afin que, une fois mis en orbite, l’entretien et d’éventuelles réparations puissent être régulièrement pratiqués : tous les instruments embarqués dans le laboratoire spatial sont donc pensés pour être remplacés manuellement par des astronautes.

La mise en service

     Le télescope est lancé le 24 avril 1990 par l’intermédiaire de la navette spatiale Discovery.  C’est un véritable petit observatoire astronomique de 11 tonnes puisque, outre le miroir principal de 2,4 m, il est couplé à plusieurs spectromètres et trois caméras (la première à champ étroit destinée à observer les objets peu lumineux, la seconde pour les observations à champ large et enfin la troisième pour l’infrarouge). Puisque pour des raisons politico-écologiques il a été décidé de ne pas utiliser de source d’énergie d’origine nucléaire, la production d’électricité destinée à faire fonctionner le module est assurée par deux ensembles de panneaux solaires moins polémiques mais probablement plus difficiles à manipuler.

     Le lancement est une réussite mais la joie des scientifiques est de courte durée : on se rend compte immédiatement que les premières images obtenues sont de qualité médiocre et que, même après traitement des dites-images, celles-ci restent floues. Il faut se rendre à l’évidence : une infime erreur de calcul dans la taille du miroir a rendu l’instrument « myope » ! Il faudra attendre une mission de sauvetage en 1993 avec à nouveau Discovery pour enfin corriger ce défaut « de jeunesse » (et au passage changer quelques autres instruments). Le télescope est alors pleinement opérationnel et il va bientôt changer notre perception de l’Univers.

Une moisson de découvertes

     Depuis la première mission de réparation par Discovery en 1993, Hubble verra les navettes revenir quatre fois pour assurer sa bonne marche. Chaque fois, les instruments défaillants sont remplacés et ceux devenus obsolètes changés. Toutefois, la dernière « mission » d’une navette (Atlantis) remonte maintenant à 2009 et c’était la dernière possible puisque le système de ces vaisseaux spatiaux réutilisables a été depuis abandonné par la NASA. En réalité, Hubble continuera à fonctionner de nombreuses années, même après le lancement réussi du télescope spatial James Webb, fin 2022, dont la vision dans l'infrarouge permet l'obtention d'images extraordinaires… qui viennent compléter et approfondir celles de son illustre prédécesseur toujours actif !

     La NASA avait assigné trois tâches à Hubble, tâches qui furent parfaitement accomplies :

* étudier le proche milieu intergalactique afin d’en décrire la composition ainsi que celle des galaxies ;

*  étudier les champs profonds afin d’observer les premiers instants de l’Univers et

* déterminer la constante de Hubble qui est, rappelons-le, la constante de proportionnalité entre distance et vitesse de récession apparente des galaxies ou, pour le dire plus simplement, la constante qui permet de déterminer le taux d’expansion de l’Univers.

    Mais ce ne fut pas tout : Hubble nous a ébloui par la qualité et la beauté des photographies qu’il a prises et, surtout, par des découvertes essentielles. Revenons brièvement sur quelques unes d’entre elles :

* En juillet 1994, Hubble était en parfait état de marche lorsque la comète Shoemaker-Levy s’écrasa sur Jupiter. Il participa donc à cette première observation directe de la collision hors de notre planète d’objets du système solaire, événement confirmant au passage le rôle « protecteur » de la géante gazeuse puisque la forte influence gravitationnelle de celle-ci « détourne » un grand nombre de petites comètes et astéroïdes qui, autrement, iraient s’écraser sur d’autres cibles potentielles dont la Terre… avec les conséquences que l’on imagine.

* C’est Hubble qui, parmi les premiers, apporta la confirmation qu’il existe bien des exoplanètes, c'est-à-dire des planètes tournant autour d’autres systèmes solaires que le nôtre, une notion évoquée depuis des siècles mais jamais encore prouvée (première détection du transit secondaire sur l’étoile HD 209458, voir le sujet dédié : planètes extrasolaires).

* Hubble fut un élément déterminant dans la consécration du modèle actuel de l’accélération de l’Univers puisque ses observations ont permis de l’affiner.

* Contrairement aux télescopes terrestres (mais cela change rapidement), Hubble est capable d’observer les étoiles des autres galaxies, donc dans des milieux différents de la Voie lactée, ce qui a permis de compléter notre connaissance du cycle stellaire.

* C’est encore le télescope spatial qui, grâce à des observations répétées, a confirmé le fait que la plupart des galaxies (dont la nôtre) recèlent un trou noir géant en leur centre. Rappelons pour la petite histoire qu’il y a à peine quelques années, une majorité de scientifiques doutaient de ce que les trous noirs – notion théorique s’il en est – puissent réellement exister…

*  Depuis l’astronome suisse Fritz Zwicky, on sait que la quantité visible de matière ne peut à elle seule expliquer le ballet des galaxies dans le ciel : le calcul de l’action des forces gravitationnelles qui régissent leurs mouvements sous-entend obligatoirement la présence d’une « matière invisible » appelée, faute de mieux, matière noire ou matière sombre. Inutile de dire que, durant des années, cette idée insolite divisa profondément la communauté scientifique. Hubble apporta la preuve que cette matière noire ne pouvait pas être due à la seule existence des naines brunes (étoiles avortées car de trop petites tailles) ou noires (évolution possible, mais non prouvée, des naines blanches) : d’après les observations du télescope spatial, leur nombre est en effet trop faible pour expliquer les grandes divergences des chiffres.

* L’étude de ce que l’on appelle aujourd’hui « le champ profond de Hubble » est également une contribution remarquable du télescope. Il s’agit de la photographie d’une région couvrant un trente millionièmes du ciel, région minuscule certes mais contenant déjà plusieurs milliers de galaxies. Cette photographie confirma ce que l’on soupçonnait auparavant, à savoir que, quelle que soit la direction dans laquelle on regarde, on trouve des galaxies semblables à la nôtre à n’en plus finir mais pas seulement… Puisque regarder si loin, c’est regarder dans un passé très ancien, reflétant les premiers instants de l’Univers, Hubble a ainsi repoussé les limites de l’observation et, surtout, prouvé que des galaxies importantes étaient présentes bien plus tôt qu’on ne le pensait. Ajoutons à cela que cette étude fut également effectuée dans le ciel austral avec les mêmes résultats, démontrant de façon irréfutable l’homogénéité de l’Univers à grande échelle : il ne s’agit pas là d’une observation banale mais de la confirmation du bien fondé de la théorie du Big bang et de son inflation initiale (voir le sujet : Big bang et origine de l'Univers).

     On voit donc que l’apport de ce télescope malgré la taille modeste de son optique (comparée à celle des télescopes au sol) fut et est encore fondamental. Mais ce qui est peut-être le plus remarquable et le plus émouvant dans la moisson de ce petit engin, c’est la qualité et la beauté des photographies de l’Univers qu’il nous a données : galaxies, amas globulaires, nébuleuses, rémanents de novas, couples binaires, cocons stellaires, etc. On ne peut que s’extasier devant l’extraordinaire album illustré par le télescope Hubble : pour s’en convaincre, il suffit de faire un saut sur le site officiel du télescope à l’adresse suivante : http://hubblesite.org/ et choisir de visualiser une des centaines d’images extraordinaires de la collection. L’astronome du siècle dernier Camille Flammarion (et bien d’autres) aurait certainement donné des années de sa vie pour voir ça !

Les temps changent

     Si tout va bien pour lui (et c’est bien le cas actuellement), le télescope spatial Hubble continuera à fonctionner sans problème majeur durant encore quelques années. Le temps que son successeur, actuellement en phase d’assemblage, soit lancé dans l’espace. Toutefois, celui-ci ne sera pas comparable à Hubble pour une raison très simple : depuis le lancement de notre télescope spatial, il y a un peu plus de vingt ans, les temps ont changé. En effet, les grands télescopes « terriens » sont devenus tout à fait compétitifs car l’avancée des techniques a pu combler leur principal défaut : malgré l’atmosphère, ils peuvent à présent voir aussi bien que Hubble ! C’est que, entretemps, l’informatique est passée par là : les nouveaux engins sont maintenant aidés par un ordinateur qui calcule les imprécisions engendrées par les turbulences de l’air et les corrige en temps réel. On parle alors « d’optique adaptative » qui consiste à braquer un faisceau laser dans la haute atmosphère, vers 90 km de hauteur, sur la mince pellicule d’atomes de sodium laissée par les météorites lors de leur entrée dans l’atmosphère. Du coup, ce sodium se met à briller et crée une image artificielle qui permet au système de calculer l’instabilité de l’air et d’adapter l’optique de l’instrument plus de mille fois par seconde… De ce fait, par exemple, bien que situé au sommet du Cerro Paranal (à 2600 m d’altitude), au Chili, le télescope VLT de l’agence européenne (4 miroirs de 8,20 m reliés) est deux fois plus précis que Hubble !

     Cette amélioration considérable des données fournies par les observatoires au sol explique pourquoi le successeur de Hubble ne sera pas « un Hubble amélioré ». Si l’on veut observer l’Univers en lumière visible, il est évident que, même dotés d’optiques adaptatives très performantes et donc onéreuses, les observatoires terriens reviennent nettement moins chers à construire et surtout à entretenir qu’un télescope spatial : on préférera consacrer l’argent ainsi économisé à construire des miroirs (ou des ensembles de miroirs) plus grands et entourés d’équipements encore plus performants.

     Reste que le successeur de Hubble qui porte le nom d’un autre homme célèbre,

James Webb (un des principaux responsables du projet Apollo) étudie le cosmos dans une gamme d’optique qui échappe aux observatoires terrestres, l’infrarouge. Doté d’un miroir de 6,5 m (contre 2,4 pour Hubble), il peut collecter une image 9 fois plus rapidement que son prédécesseur. Il a été lancé avec succès le 25 décembre 2021 par un lanceur Ariane 5 sous le triple parrainage de la NASA, de l’Agence Spatiale Européenne et du CSA (Agence spatiale canadienne). De par sa position et contrairement à Hubble, il n’est prévu pour lui aucune mission d’entretien.

Ses premiers clichés, spectaculaires, ont ravi les scientifiques : ils sont résumés dans un article dédié ICI.

Il y a un avant et un après Hubble

     Le télescope spatial Hubble aura marqué un tournant en astronomie en permettant pour la première fois à l’humanité de s’affranchir des contraintes terrestres pour observer son environnement proche et lointain. Comme on l’a vu, Hubble a permis de réaliser d’énormes progrès dans la compréhension de notre univers. Un an après le lancement du télescope spatial James Webb, il était prévu de « mettre Hubble à la retraite » après 25 ans de bons et loyaux services. En réalité, puisqu’il n’est plus question pour des raisons techniques de prévoir des missions d’entretien, on voit mal les scientifiques se passer d’un outil pour peu qu’il fonctionne encore. On pouvait donc penser que Hubble continuerait tranquillement son observation du ciel. Et c'est bien ce qui se passe : le télescope spatial James Webb ayant été parfaitement positionné a commencé à nous envoyer des clichés époustouflants qui font le bonheur des scientifiques. C'est un deuxième tournant de l'astronomie observationnelle, certes, mais Hubble est toujours là qui nous gratifie de clichés tout à fait remarquables. En fait, les deux engins se complètent parfaitement…

Sources

 1. fr.wikipedia.org

2. www.techno-science.net/

3. Encyclopaedia Britannica

4. hubblesite.org/

5. pgj.pagesperso-orange.fr/Hubble.htm

Images :

1. le télescope spatial Hubble (sources : solarsystem.nasa.gov/)

2. Lyman Spitzer (sources : spaceflightnow.com/)

3. la navette Discovery installant Hubble sur son orbite géostationnaire (sources : cdn.zmescience.com/)

4. la comète Shoemaker-Levy s'écrasant sur Jupiter (sources : hubblesite.org/)

5. étoiles de la galaxie d'Andromède individualisées par Hubble (sources : hubblesite.org/)

6. Hubble deep field (sources : hubblesite.org/)

7. le télescope VLT de l'ESA (sources : atacamaphoto.com/)

8. le télescope James webb (sources : spacetelescope.org/)

 (pour lire les légendes des illustrations, posser le pointeur de la souris sur l'image)

Mots-clés :  Edwyn Hubble - télescope du Mont Palomar - Hermann Oberth - Lyman Spitzer - Agence Spatiale Européenne ESA - navette Discovery - télescope spatial James Webb - comète Shoemaker-Levy - exoplanètes - Fred Zwicky - matière noire - optique adaptative

 (les mots en blanc renvoient à des sites d'information complémentaires)

Sujets apparentés sur le blog :

1. matière noire et énergie sombre

2. distance et durée des âges géologiques

3. les galaxies

4. Big bang et origine de l'Univers

5. Edwin Hubble, le découvreur

6. l'expansion de l'Univers

7. juste après le Big bang

8. planètes extrasolaires

9. premières photos du télescope spatial James Webb

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dernière mise à jour : 16 avril 2023