Planck (satellite)

Planck est un observatoire spatial de l'Agence spatiale européenne conçu pour étudier les infimes variations de température (ou d'intensité) du fond diffus cosmologique, rayonnement dans le domaine micro-onde montrant l'univers tel qu'il était 380 000 ans après le Big Bang.

De telles mesures aideront à déterminer un vaste ensemble de paramètres décrivant l'univers actuel et son histoire, paramètres dénommés collectivement paramètres cosmologiques. En particulier, Planck permettra de déterminer l'âge de l'Univers, de comprendre certains aspects de la physique de l'univers primordial, ainsi que de mieux comprendre les premières étapes de la formation des grandes structures de l'Univers.

Planck est le projet qui a été retenu par l'ESA pour effectuer la troisième mission spatiale de grande ampleur de mesure du fond diffus cosmologique, les deux précédentes étant de conception américaine : COBE à la toute fin des années 1980 et WMAP lancée en 2001.

À l'origine, le projet s'appelait COBRAS/SAMBA (pour Cosmic Background Radiation Anisotropy Satellite and Satellite for Measurement of Background Anisotropies), acronyme reflétant le fait que le projet final était issu de la fusion de deux projets distincts, l'un français, l'autre italien. Après la sélection et l'approbation de la mission en 1996, l'Agence a donné à son satellite le nom du physicien allemand Max Planck, prix Nobel de physique en 1918 et découvreur de la forme du spectre de corps noir, dont le fond diffus cosmologique s'avère être la plus parfaite réalisation que l'on trouve dans la Nature.

La mission est menée en collaboration avec la NASA qui contribue notamment en nature en fournissant les détecteurs, des bolomètres, une partie du fluide cryogénique de l'expérience HFI (High Frequency Instrument, voir plus bas), et le Sorption Cooler (compresseur cryogénique assurant le refroidissement de 50 K à 20 K).

• Étude du fond diffus cosmologique et de ses anisotropies
• Estimations robustes des paramètres cosmologiques
• Test des modèles d'inflation cosmique
• Étude des amas de galaxies par l'effet Sunyaev-Zel'dovich
• Étude du milieu interstellaire de la Galaxie.

Planck traquera le "bruit de fond cosmologique" c’est-à-dire le rayonnement fossile de la toute première lumière de l’univers, émise 380 000 ans après le Big Bang, il y a plus de 13 milliards d’années. L’univers était alors concentré dans un volume un milliard de fois plus faible qu’aujourd’hui. En descendant à 3000 °C, sa température venait à peine de permettre aux premiers atomes d’hydrogène de se former et aux photons de se dissocier de la matière pour se déplacer librement (voir Recombinaison).

Afin d’observer ce rayonnement dont la température n’excède plus aujourd’hui 2,725 K (soit -270,435 °C) et surtout pour dresser une carte ultra précise de ses infimes variations (± 0,00001 degré), Planck dispose d’un système de refroidissement à six étages (trois passifs et trois actifs) conçu pour maintenir son miroir principal d'un mètre cinquante de diamètre à 60 K (-213 °C) et les détecteurs de sa charge utile à 20 K (-253 °C), 4 K (-269 °C) et même 0,1 K (-273,05 °C) pour les bolomètres de l’instrument haute fréquence HFI. Tout au long des dix-huit mois que doit durer la mission, ceux-ci seront les objets les plus froids de l’univers hormis quelques laboratoires terrestres. Le responsable scientifique du projet HFI est Jean-Loup Puget, cosmologiste à l'Institut d'astrophysique spatiale (Université Paris-XI, à Orsay).

L'Agence Spatiale Européenne a retenu Alcatel Space, devenu depuis Thales Alenia Space, pour la maîtrise d'œuvre du programme dans son Centre spatial de Cannes Mandelieu, le directeur du programme étant Jean-Michel Reix, et une équipe industrielle comprenant environ 95 entreprises réparties dans toute l'Europe.

Ces activités portent sur la conception et l'intégration du satellite complet, ainsi que la plateforme, HFI et LFI (Low Frequency Instrument), et le miroir.

Les expériences sont définies par les scientifiques et les techniciens des laboratoires au Centre Spatial de Liège (CSL, Belgique).

Ce satellite est constitué de deux instruments : Low Frequency Instrument (LFI), de conception italienne et High Frequency Instrument (HFI) de conception française. Ces deux noms reflètent les bandes de fréquences observées par l'un et l'autre de ces instruments : de 30 à 100 gigahertz pour LFI et de 100 à 857 GHz pour HFI.

HFI comporte 54 bolomètres scientifiques, opérant dans les bandes : 100, 143, 217, 353, 545 et 857 GHz, avec une largeur de bande de l'ordre de 30 %. Ces bolomètres fonctionnant de manière optimale lorsqu'ils sont refroidis, ici ils seront en opération vers 0,1 K (entre 90 et 130 mK). Les bolomètres étant par principe à très large bande, la sélection en fréquence et en largeur de bande se fait ici en plaçant des cornets/guides d'onde.

Ce satellite dispose de technologies avancées comme des détecteurs bolométriques, de nombreux systèmes de refroidissement (dont un étage à 0,1 kelvin, ce qui n'a encore jamais été réalisé avec succès sur un satellite) et de l'électronique à faible bruit. Cela lui permettra donc de gagner en sensibilité : 600 fois celle de COBE.

Un module de service (SVM) a été conçu et fabriqué par Thales Alenia Space dans son usine de Turin, pour les deux satellites Herschel et Planck combinés dans un programme unique .

Les structures des deux modules de service sont très semblables, de forme octogonale. Chaque panneau est dédié à des équipements thermiques, des réchauffeurs, prenant en compte les dissipations thermiques des expériences et des équipements du satellite voisins.

De plus, une conception commune a été retenue aussi pour les deux satellites pour l'avionique, le système de mesure et de contrôle d'attitude, le système de contrôle et de gestion des données, le sous-système de télémesure et télécommande.

Tous les équipements de la plateforme sont redondancés.

Puissance électrique

Sur chaque satellite, la puissance est fournie par des générateurs solaires équipés de cellules photovoltaïques à triple jonction, une batterie, et un système de contrôle gérant la charge de la batterie et distribuant une tension régulée de 28 volts aux divers équipements.

Sur Planck, le panneau de cellules solaires est fixé en bas du module de service. Il est dirigé en permanence vers le soleil puisque le satellite est spinné autour de son axe principal, le contrôle d'attitude le maintenant toujours en direction du soleil. Ce paneau participe ainsi à la mise à l'ombre du cryostat.

Système de mesure et de contrôle d'attitude

Cette fonction est effectuée par un calculateur de contrôle d'attitude, prenant en compte les mesures des senseurs d'attitude et commandant les couples de contrôle pour répondre aux spécifications de pointage et de basculement des charges utiles Herschel et Planck.

Le satellite Planck est stabilisé en spin, à un tour par minute, avec une spécification de pointage inférieure à 37 minutes d'arc. Le satellite étant en mode "balayage" du ciel, il est aussi requis que la reproductibilité du pointage soit meilleure que 2,5 minutes d'arc en 20 jours.

Le senseur d'attitude principal pour les deux satellites est un star tracker.

Comme pour toute expérience de ce genre, avant la mise en orbite de ce satellite, il est nécessaire de le tester dans des conditions précises. Classiquement, ceci passe par les tests des sous-ensembles, en général testés dans les laboratoires respectifs (souvent, les laboratoires contribuent en nature en fournissant un morceau de l'expérience, en retour les scientifiques du laboratoire auront un accès privilégié aux observations (données brutes)), des tests d'intégration de chacune des expériences (un satellite embarquant souvent plusieurs expériences) et des tests d'ensemble.

En ce qui concerne l'expérience HFI, les tests du modèle de qualification et du modèle de vol ont été menés à l'IAS en novembre 2004 et mars (qualification) et juin-juillet 2006 (calibration) respectivement. À chaque fois, pendant 3 à 4 semaines, l'expérience est mise sous vide, et refroidie dans une cuve à quelques kelvins (autour de 2,7 K).

En ce qui concerne le satellite complet, les essais ont été réalisés dans le Centre spatial de Cannes Mandelieu et au Centre Spatial de Liège (CSL). Ce dernier a en conséquence développé avec l'aide de la société Amos une configuration de tests ainsi qu'une instrumentation spécifique dans ses installations de simulation spatiale. La première étape de tests concernant la qualification du satellite a commencé en juin 2005 et s'est achevée en septembre. La seconde étape a consisté à tester le modèle du satellite ; celle-ci devant s'achever au cours de l'été 2008.

Ce programme est une première mondiale. En effet, c'est la première fois qu'un satellite entier (1 800 kg, 4,2 m par 4,2 m) est soumis à une telle différence de température (environ 100 K sur la coque externe du satellite et quelques millièmes de kelvin dans les bolomètres). Cette phase de tests représente pour le CSL un budget de 17,5 millions d'euros et environ 125 000 heures de travail.

En juillet 2008, au cours de ces essais, le satellite a battu un record mondial : la température la plus basse jamais réalisée dans un satellite, soit 0,1 K (-273,05 °C).

Pour obtenir des informations sur l’hétérogénéité du rayonnement fossile il faut pouvoir examiner des variations infimes de température, entre le millième et le millionième de degré, à des températures proches du zéro absolu. Pour ce faire, la tête de détection des récepteurs d’ondes électromagnétiques (ondes radio en hyperfréquences entre 30 et 900 GHz) doit être portée à une température de 0,1 K. Un tel exploit technologique est réalisé par une conception thermique associant satellite et instruments et réalisant une cascade de refroidissements. Le premier saut est obtenu en faisant rayonner passivement le corps du satellite vers l’espace froid pour obtenir le premier palier à 50 K (-223 °C). Puis le relais est pris activement par deux étages successifs de machines thermodynamiques abaissant la partie instrumentale respectivement à 20 K puis 4 K. Enfin, un savant système de dilution à température cryogénique entre des isotopes de l’hélium permet d’atteindre la température de froid ultime à 0,1 K.

Le satellite (ainsi que le Télescope spatial Herschel), a été lancé le 14 mai 2009 à 13 h 40 min 30 s GMT, depuis Kourou, par un lanceur Ariane 5-ECA, le vol 188 et placé sur une orbite très elliptique de 270 km de périgée et 1 193 622 km d'apogée le menant aux alentours du second point de Lagrange du système Terre/Soleil (dénommé L2),

Le 3 juillet, il atteint ce point L2 et est placé suivant une trajectoire appelée orbite de Lissajous. Le système de refroidissement a atteint la température de 0,1 K. Le satellite devrait fonctionner pendant une durée minimale de 21 mois, la durée effective sera essentiellement déterminée par les fuites du système de refroidissement.

• En juillet 2010, le satellite Planck envoie sa première image intégrale du ciel avec une vue particulière et inédite de la Voie Lactée.

Le 9 juin 2010, les programmes Herschel et Planck sont distingués par l'association aéronautique et astronautique de France, recevant le Grand Prix 2010.

En partenariat avec le CNRS, l’ESA, le CNES et Thales Alenia Space, les scientifiques français de Planck ont collaboré avec l’agence de communication Canopée pour imaginer une exposition innovante dédiée au projet Planck : le dôme Planck. Une exposition :

• remarquable grâce à son dôme gonflable de 10 mètres de diamètre dans lequel sont vidéoprojetées des simulations du ciel
• unique mettant en scène une maquette du satellite Planck à échelle 1/4, ainsi que de véritables instruments du satellite
• riche par son contenu qui explore l’intégralité du projet : son origine, ses missions, ses objectifs, ses acteurs…

Tout ce savoir est décliné sur des supports de communication modernes et variés : non moins de 26 panneaux, des vidéos et animations présentées à l’intérieur de la géode et sur écrans plats, 2 sites internet en démonstration sur i-macs dernières générations, 4 banques de jeux électroniques… en font une exposition à la portée de tous. Les échanges scientifiques/visiteurs dynamisent l’ensemble au travers d’ateliers animés et réponses aux questions.

Une exposition itinérante qui suscite un vif intérêt du public durant plusieurs manifestations :

• La Ville Européenne des Sciences - Nef du Grand Palais , Paris, novembre 2008
• l’inauguration de l'année mondiale de l'astronomie - Unesco, Paris, le 15 janvier 2009
• Oufs d’Astro - Planétarium de Vaulx-en-Velin, du 23 février au 5 mars 2009
• Copenhague, du 18 au 23 juin 2009
• le Centre spatial de Cannes Mandelieu, siège social de Thales Alenia Space, responsable de la réalisation du satellite, en octobre 2009.