Le télescope spatial Hubble.

Le télescope spatial Hubble (en anglais Hubble Space Telescope, en abrégé HST ou, rarement en français, TSH2) est un télescope spatial développé par la NASA avec une participation de l’Agence spatiale européenne, opérationnel depuis 1990. Son miroir de grande taille (2,4 mètres de diamètre), qui lui permet de restituer des images avec une résolution angulaire inférieure à 0,1 seconde d’arc, ainsi que sa capacité à observer à l’aide d’imageurs et de spectroscopes dans l’infrarouge proche et l’ultraviolet, lui permettent de surclasser, pour de nombreux types d’observation, les instruments au sol les plus puissants, handicapés par la présence de l’atmosphère terrestre. Les données collectées par Hubble ont contribué à des découvertes de grande portée dans le domaine de l’astrophysique, telles que la mesure du taux d’expansion de l’Univers, la confirmation de la présence de trous noirs supermassifs au centre des galaxies, ou l’existence de la matière noire et de l’énergie noire.

Le développement du télescope Hubble, qui tient son nom de l’astronome Edwin Hubble, démarre au début des années 1970. Cependant, des problèmes de financement, de mise au point technique et la destruction de la navette spatiale Challenger repoussent son lancement jusqu’en 1990. Une aberration optique particulièrement

grave est découverte peu après qu’il a été placé sur son orbite terrestre basse à 600 km d’altitude. Dès le départ, le télescope spatial avait été conçu pour permettre des opérations de maintenance par des missions des navettes spatiales. La première de ces missions, en 1993, est mise à profit pour corriger l’anomalie de sa partie optique. Quatre autres missions, en 1997, 1999, 2002 et 2009, permettent de moderniser les cinq instruments scientifiques et remplacer certains équipements défaillants ou devenus obsolètes. La dernière mission de maintenance, réalisée en 2009 par la mission STS-125, immédiatement avant le retrait définitif des navettes spatiales, doit permettre au télescope Hubble de fonctionner quelques années de plus. Pour les observations dans l’infrarouge, il doit être remplacé en 2021 par le télescope spatial James-Webb, aux capacités supérieures.


La première mention d’un télescope spatial remonte à 1923 : Hermann Oberth, un des pionniers de l’astronautique, indique dans son ouvrage Die Rakete zu den Planetenräumen (La fusée dans l’espace interplanétaire) qu’une fusée pourrait être utilisée pour placer un télescope en orbite3. On peut retracer à 1946 l’origine du projet du télescope spatial Hubble. Cette année-là, l’astronome Lyman Spitzer publie un article intitulé Astronomical advantages of an extraterrestrial observatory, exposant les avantages présentés par un télescope situé dans l’espace par rapport à un télescope situé sur Terre4. Deux arguments sont mis en avant. D’une part la résolution angulaire n’est plus limitée par les turbulences atmosphériques mais uniquement par la diffraction : à l’époque, la résolution d’un télescope de 2,5 mètres ne dépasse pas 0,5 à 1 seconde d’arc à cause de ce phénomène, alors que théoriquement elle devrait pouvoir atteindre 0,05 seconde d’arc. Le deuxième avantage d’un télescope spatial est qu’il permet d’observer les rayonnements infrarouge et ultraviolet, qui sont pratiquement complètement interceptés par l’atmosphère. Spitzer plaide durant toute sa carrière en faveur d’un projet de télescope spatial. En 1962, soit cinq ans après la mise en orbite du premier satellite artificiel, l’Académie Nationale des Sciences américaine identifie parmi les objectifs scientifiques à mener dans le cadre du programme spatial la réalisation d’un télescope spatial. En 1965, Spitzer est placé à la tête d’une commission chargée de définir les objectifs scientifiques d’un télescope spatial de grande taille.

En réalité, l’astronomie spatiale débute à une très petite échelle immédiatement après la fin de la Seconde Guerre mondiale : des instruments embarqués sur les premières fusées-sondes parviennent à obtenir un spectre électromagnétique du Soleil dans l’ultraviolet. À compter de 1962, l’agence spatiale américaine NASA lance la première série de satellites dédiés à l’astronomie : les observatoires solaires Orbiting Solar Observatory (OSO) sont capables d’obtenir des spectres électromagnétiques dans les domaines de l’ultraviolet, des rayons X et des rayons gamma7. Le Royaume-Uni place en orbite la même année son propre observatoire solaire, le satellite Ariel. Enfin, en 1966, la NASA lance le premier télescope spatial de la série des Orbiting Astronomical Observatory (OAO). OAO-1 est victime d’une défaillance d’une batterie après seulement trois jours de mission, mais OAO-2, qui a pour mission d’observer les étoiles et les galaxies dans l’ultraviolet, fonctionne de 1968 à 1972, bien au-delà de la durée d’une année pour laquelle il avait été prévu.

Les résultats scientifiques obtenus par la série des télescopes spatiaux de la NASA OAO convainquent la communauté des astronomes de se mobiliser pour lancer un projet de grand télescope spatial. En 1970, la NASA crée deux comités pour définir d’une part les caractéristiques techniques, d’autre part les objectifs scientifiques de l’instrument. Mais l’agence spatiale américaine peine à obtenir un budget, alors que le coût envisagé dépasse de manière importante celui d’un télescope terrestre de taille équivalente. En 1974, les fonds alloués à l’étude du télescope spatial sont entièrement annulés par le comité (en) chargé de préparer le budget national. Malgré la pression de la communauté scientifique appuyée par un rapport de l’Académie des sciences américaines, le Congrès et le Sénat américain ne rétablissent que la moitié du montant demandé par la NASA pour réaliser les premières études détaillées des instruments susceptibles d’être embarqués et pour développer les premiers composants de la partie optique. Confrontée à ces difficultés de financement, la NASA choisit de revoir les caractéristiques du système à la baisse, avec une taille du miroir primaire ramenée de 3 à 2,4 mètres et l’Agence spatiale européenne est invitée dans le projet en échange d’une allocation de 15 % du temps d’observation : l’ESA doit fournir un des cinq instruments (Faint Object Camera), les panneaux solaires et participer au support opérationnel du télescope. Finalement, en 1977, le Congrès accorde les fonds nécessaires aux premiers travaux de construction du Large Space Telescope (LST), premier nom de l’instrument.

Le télescope spatial est conçu dès le départ pour être réparé et amélioré périodiquement, une fois placé en orbite par des astronautes embarqués sur la navette spatiale américaine. Cette dernière est en cours de développement à l’époque et les futures missions de maintenance du télescope constituent progressivement une des raisons majeures de son existence, d’autant que la station spatiale qu’elle devait desservir ne trouve pas de financement. Pour permettre sa maintenance par les astronautes, de nombreuses mains courantes peintes en jaune vif sont installées à la surface du télescope. Tous les instruments et de nombreux équipements sont conçus pour pouvoir être remplacés par un astronaute, malgré le handicap de la combinaison spatiale rigide et des gants épais : ils sont accessibles derrière des panneaux qui peuvent être démontés avec un seul outil et ils se présentent sous la forme de boîtes aux interconnexions peu nombreuses et faciles à manipuler. Les panneaux solaires peuvent être enroulés et démontés pour être remplacés. La longue phase de développement a permis de mettre au point les outils et les procédures permettant les opérations de maintenance dans l’espace. L’astronaute Bruce McCandless en particulier y a consacré pratiquement vingt années de sa carrière, en réalisant des répétitions sur une maquette du télescope spatial placée dans la piscine du Neutral Buoyancy Simulator (en), simulant l’apesanteur.

Plusieurs centres de la NASA et industriels sont impliqués dans la  réalisation du télescope spatial. Le centre de vol spatial Marshall, qui souffre de la baisse de son plan de charge depuis l’arrêt du programme Apollo, est un ardent promoteur du projet et parvient à convaincre la direction de la NASA d’être désigné comme responsable de la conception, du développement et de la construction du télescope. Au lancement du projet, le Centre de vol spatial Goddard dispose d’une grande expérience dans le domaine de l’astronomie spatiale, mais ses ressources humaines relativement limitées sont accaparées par d’autres objectifs. Lorsque le projet se concrétise, la direction de la NASA lui confie la réalisation des instruments ainsi que l’hébergement du centre de contrôle du télescope. Cette division des tâches suscite de nombreux conflits entre les deux centres spatiaux. Les principaux industriels impliqués sont Perkin-Elmer, qui réalise la partie optique, et Lockheed, chargé de la fabrication du télescope dans sa globalité et de l’intégration de l’optique. Les deux sociétés disposent dans le domaine d’une grande expérience, qui a été acquise en développant les satellites de reconnaissance optique KH-912.

Mais la réalisation de la partie optique du télescope spatial rencontre de graves difficultés. Le cahier des charges prévoit que le miroir primaire soit poli avec une précision inégalée de 10 nanomètres. Son polissage débute en 1979, à partir d’une lentille de verre brut réalisée par Corning. En 1981, les surcoûts et les retards s’accumulent et la NASA décide, pour limiter les dépenses, d’arrêter le développement du miroir primaire de rechange confié aux sociétés Kodak et Itek. Le polissage s’achève fin 1981, mais Perkin-Elmer continue d’accumuler les retards dans la réalisation des autres composants optiques. Les développements confiés à Lockheed, ainsi que la fabrication des instruments, se heurtent aux mêmes problèmes de dépassement en charge et en délai. En 1983, après une série d’audits poussés qui mettent en évidence la sous-évaluation initiale du projet, la direction de la NASA augmente fortement les effectifs du centre Marshall affectés au télescope spatial. Le Congrès, de son côté, accepte de porter les fonds totaux consacrés au projet à 1,175 milliards US$ contre 475 millions US$ en 1977. L’injection de fonds est utilisée notamment pour limiter les risques : le nombre de composants qui peuvent être remplacés en orbite (Orbital replacement unit, ou ORU) qui de 120 avait chuté à 20 pour faire face aux surcoûts, repasse à 49 ; des pièces de rechange sont systématiquement réalisées et les phases de test sont allongées. En octobre 1983, le télescope spatial est renommé « Edwin P. Hubble Space Telescope », en l’honneur d’un des astronomes américains les plus célèbres. Le développement du télescope rencontre encore d’importantes difficultés durant l’intégration finale de tous les composants par Lockheed. La destruction de la navette Challenger en janvier 1986, qui cloue les navettes au sol, donne un répit salutaire aux équipes travaillant sur le télescope, qui devait être lancé en juin de la même année. De nombreuses mises au point et corrections mineures sont effectuées dans les locaux de Lockheed à Sunnyvale (Californie), jusqu’au lancement qui a finalement lieu en 1990. Entre-temps, le coût du projet atteint 2 milliards US$, faisant du télescope Hubble l’instrument scientifique le plus coûteux de tous les temps.

Le télescope est lancé le 24 avril 1990 par la mission STS-31 de la navette spatiale Discovery. Une fois celle-ci placée sur l’orbite future du télescope spatial, le 25 avril, l’astronaute et astronome Steven Hawley utilise le bras télécommandé pour sortir le télescope Hubble de la soute cargo. Des commandes sont envoyées pour déclencher le déploiement des antennes et des panneaux solaires. Puis le télescope est libéré du bras et s’oriente de lui-même en utilisant ses capteurs solaires, puis une fois l’axe optique écarté de la direction du Soleil, la porte qui protège le télescope est ouverte et les premiers photons viennent frapper le miroir primaire. Le centre de contrôle au sol commence alors une longue phase de calibrage destinée à rendre le télescope opérationnel. La navette spatiale revient au sol avec un équipage confiant dans la réussite de la mission.

Dès les premiers jours qui suivent le lancement, des problèmes, qui dans un premier temps semblent mineurs, viennent tempérer la joie des participants au projet. Le télescope spatial se met régulièrement en mode sauvegarde lorsque certains de ses appendices sont mis en mouvement tandis que les senseurs fins, chargés de maintenir le télescope pointé vers la partie du ciel étudiée, ne parviennent pas à se verrouiller sur la zone visée10. Ces problèmes sont progressivement maîtrisés mais pas résolus lorsque, à la mi-juin, les premières images détaillées des champs d’étoiles sont produites. À la stupéfaction des scientifiques et des ingénieurs, les photos sont floues : il apparaît rapidement que l’origine du problème est une aberration sphérique, soit du miroir principal, soit du miroir secondaire, soit des deux, créée par un polissage du verre effectué selon des spécifications erronées. Personne ne comprend comment une erreur aussi grossière n’a pas été détectée durant le développement particulièrement long et coûteux du télescope spatial. Pour la NASA, c’est un revers particulièrement cinglant, après l’accident de la navette Challenger, qui met une fois de plus en cause ses méthodes de management. Avec cette anomalie, Hubble ne parvient pas à fournir de meilleures images que celles des grands télescopes terrestres. Une commission d’enquête, l’Hubble Space Telescope Optical Systems Board of Investigation, est créée le 2 juillet 1990 et détermine rapidement que le miroir primaire est trop plat à sa périphérie, de 2 microns. Il en résulte que les rayons réfléchis par le centre et la périphérie du miroir ne convergent pas au même point. À l’origine de cette géométrie erronée du miroir, se trouve un mauvais étalonnage de l’instrument de vérification de courbure utilisé par le fabricant Perkin-Elmer pour contrôler le polissage. L’anomalie de courbure a pourtant été détectée lors des tests finaux effectués avec d’autres instruments de contrôle, mais les responsables de Perkin-Elmer ont délibérément ignoré ces résultats, considérant qu’ils étaient dus aux instruments de mesure utilisés.

Certains redoutent dans un premier temps que la NASA et le Congrès renoncent à toute tentative de correction. Mais la NASA décide de tenter de restaurer les capacités du télescope spatial, dans le cadre de la première mission de maintenance assurée par la navette spatiale en 1993. Le défaut de courbure est homogène, ce qui permet de le corriger via un dispositif optique présentant la même anomalie mais inversée. Les astronomes décident de sacrifier un des cinq instruments, le HSP (High Speed Photometer), pour installer à son emplacement le dispositif correcteur baptisé COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement). Celui-ci comprend deux miroirs, qui interceptent et corrigent le flux lumineux dirigé vers les instruments FOC, FOS et GHRS18. Le cinquième instrument doit être remplacé par WF/PC 2 dans le cadre de la mission de 1993 et il incorpore directement des optiques correctrices. Il est décidé que les futurs instruments qui doivent progressivement remplacer les instruments d’origine comprendront également un dispositif correcteur éliminant à terme le besoin de recourir à COSTAR (celui-ci sera effectivement démonté et ramené sur Terre en 2009, et est depuis exposé au National Air And Space Museum). On décide de remplacer également les panneaux solaires, qui induisent à chaque orbite lors du passage de l’ombre de la Terre au Soleil, des oscillations qui perturbent le pointage. De 1990 à 1993, les défaillances se multiplient et la liste des réparations à réaliser par l’équipage de la navette spatiale s’allonge : deux, puis trois des gyroscopes chargés de contrôler son orientation, des problèmes d’alimentation électrique des instruments GHRS et FOC leur font perdre la moitié de leur capacité, deux des mémoires de masse de l’ordinateur embarqué cessent de fonctionner. Au milieu de l’année 1993, la NASA connaît plusieurs échecs cuisants qui accroissent la pression sur la mission de réparation à venir : la défaillance peu après son lancement du satellite météorologique NOAA-13, la sonde spatiale jovienne Galileo incapable de déployer son antenne grand gain, la perte totale de la sonde spatiale Mars Observer en septembre et la défaillance du moteur d’apogée de Landsat-6 en octobre.

Les astronautes de la première mission d’entretien (STS-61) se sont longuement entraînés pour leur intervention sur le télescope spatial. Toutes les réparations ne pourront peut-être pas être effectuées et des objectifs prioritaires ont été fixés : dans l’ordre, l’installation de nouveaux panneaux solaires fournis par l’ESA, le remplacement de deux gyroscopes, l’installation de la caméra à champ large WF/PC-II et de l’instrument COSTAR (en). Le 2 décembre, avec un jour de retard sur le planning, la navette spatiale Endeavour décolle et, deux jours plus tard, Claude Nicollier parvient à saisir le télescope à l’aide du bras télécommandé de la navette spatiale et à le ramener dans la soute cargo de celle-ci pour commencer les travaux de maintenance. Jeffrey A. Hoffman et F. Story Musgrave enchaînent des sorties extravéhiculaires d’une durée de six à huit heures durant cinq jours consécutifs. Tous les objectifs fixés à la mission sont remplis et, un mois plus tard, au vu des résultats produits, le responsable scientifique du programme déclare publiquement que la réparation du télescope spatial permet de tenir les objectifs les plus ambitieux qui avaient été fixés au projet. En mai 1994, des astronomes annoncent que des observations effectuées à l’aide de l’instrument ont permis pour la première fois d’établir de manière quasi certaine l’existence de trous noirs au centre de la galaxie voisine M87. À la mi-juillet, le télescope est utilisé pour observer la chute des débris de la comète Shoemaker-Levy 9 sur Jupiter. À la fin de l’année, les conclusions d’inventaires systématiques d’étoiles pouvant constituer la masse manquante de l’univers se concluent par un échec confirmant la théorie de la matière noire.

La dernière mission de maintenance, en 2009, a permis de remettre à neuf le télescope Hubble. À la mi-2013, les capacités du télescope, dont de nombreux composants ont pourtant 25 à 30 ans d’existence, sont pratiquement intactes et le responsable du programme à la NASA estime que le télescope pourra sans doute fonctionner jusqu’à la fin de la décennie, permettant de mener des observations en parallèle avec le JWST, qui devrait être lancé en 2021. Malgré l’apparition de télescopes terrestres de plus en plus puissants (le VLT par exemple), Hubble est toujours aussi prisé par la communauté des astronomes : 180 à 200 demandes d’observation peuvent être honorées chaque année, sur un total de 1 100 requêtes (représentant 3 000 à 3 500 orbites sur les 20 000 orbites annuelles). Trois projets d’observation de longue durée sont programmés pour les années à venir :

  • la cartographie d’un tiers des étoiles de la galaxie d’Andromède, voisine de notre Voie Lactée ;
  • la réalisation de photographies de vastes portions du ciel analogues à celles de champs profonds et montrant les galaxies se formant à tous les âges de l’Univers — ces photos sont destinées à fournir de nouvelles informations sur la formation des trous noirs, la distribution des noyaux galactiques et le déroulement des fusions de galaxies ;
  • l’étude des amas de galaxies de grande taille pour déterminer la matière noire présente à travers l’effet de loupe gravitationnelle qu’elle suscite.

Début 2013, un des gyroscopes présente des signes de dérive, mais l’anomalie peut être corrigée par une modification du logiciel associé. Par le passé le télescope a rencontré de nombreux problèmes avec ce type d’équipement et les équipes assurant le support ont développé des stratégies permettant de faire fonctionner le télescope avec un seul des six gyroscopes. Un des trois capteurs de pointage fin fonctionne de manière irrégulière, mais les opérateurs qui contrôlent le télescope parviennent à contourner l’anomalie en ayant recours plus rarement à cet équipement (seuls deux des trois capteurs sont utilisés simultanément en fonctionnement normal). La caméra infrarouge NICMOS a été arrêtée à la suite d’un dysfonctionnement de son système de réfrigération. La communauté des utilisateurs a décidé de renoncer à cet instrument car la caméra grand champ WFC3 peut réaliser le même type d’observation. La durée de vie du télescope Hubble est néanmoins comptée. En avril 2013, la mission a été prolongée jusqu’à 2016. L’altitude de l’orbite du télescope diminue régulièrement sous l’effet de la traînée créée par l’atmosphère résiduelle. Depuis le retrait de la navette spatiale américaine, la NASA ne

dispose plus de vaisseau capable de rehausser l’orbite ; le télescope devrait être détruit en effectuant une rentrée atmosphérique à une date qui dépend de l’activité solaire mais qui se situerait entre 2030 et 2040. L’équipage de la dernière mission de maintenance STS-125 a installé sur l’arrière du télescope un système d’amarrage, qui doit permettre à un engin spatial de s’amarrer pour modifier la trajectoire du télescope avant sa rentrée atmosphérique, de sorte que les zones habitées ne soient pas touchées par d’éventuels débris. La désorbitation du télescope spatial a été annoncée autour de 2020. En juin 2016, la NASA annonce que le télescope spatial sera maintenu en service au moins jusqu’en 2021, avec une rallonge budgétaire atteignant presque 200 millions de dollars.

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Sources : Wikipédia, YouTube.

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