L'ASTRONOMIE INFRA-ROUGE

Domaine de longueur d'onde : 1 à 1 mm

Les observations dans le domaine infrarouge sont limitées par :

ABSORPTION ATMOSPHÉRIQUE EN INFRA-ROUGE

Elle est variable en fonction des conditions météorologiques. Cette absorption est due essentiellement à la vapeur d'eau, à l'eau liquide (nuages, brouillard), au gaz carbonique CO2, au CH4, à O3. Il faut également tenir compte de la diffusion par les molécules.


Figure 1 : Facteur de transmission de H2O et CO2, à 2 km d'altitude

La figure 1 montre le facteur de transmission, en fonction de la longueur d'onde résultant de l'absorption par H2O et CO2, pour une altitude de 2 km, On remarque que les observations dans l'I.R. ne peuvent se faire que pour certains domaines spectraux qu'on appelle "fenêtres d'observations I.R.".

Les observations en plaine ne sont possibles que jusque vers 40 environ pour certaines fenêtres (1.25 , 1.65 , 2.2 , 3,5 , 4.8 , 10 , 20 , 34 ).
Un site de haute montagne (en période sèche) permet les observations entre 330 - 370 et de 750 à 1 mm.
En avion, il devient possible d'observer entre 40 et 750 sur presque tout l'ensemble du domaine sauf pour quelques régions où les molécules du gaz formant l'atmosphère terrestre sont encore fortement absorbantes.

C'est évidemment pour l'utilisation de détecteurs embarqués à bord de ballons ou de satellites, que les observations dans tout le domaine I.R. sont possibles.

LES DETECTEURS INFRA-ROUGE

La nature du détecteur utilisé dépend essentiellement du domaine spectral. Les détecteurs couramment utilisés sont :

Pour tous ces détecteurs, on limite le domaine spectral en plaçant sur le trajet du faisceau incident, un filtre, comme on le fait habituellement dans le domaine visible. Ces détecteurs permettent de faire des mesures globales de flux d'un objet donné mais ne permettent pas d'analyser une image car la résolution spatiale de ces détecteurs est très faible. En plaçant plusieurs détecteurs en mosaïque, il a été possible de construire des véritables détecteurs à deux dimensions.
Ce fut le cas pour le satellite IRAS qui effectua des mesures à 12, 25, 60 et 100 microns, mais avec une très faible résolution angulaire. Les détecteurs étaient refroidis à 1,8 K par de l'Hélium liquide embarqué.


Schéma IPAC : irsa.ipac.caltech.edu/IRASdocs

La mosaïque des 62 capteurs du satellite IRAS
qui a couvert tout le ciel
aux longueurs d'onde 12, 25, 60 et 100 microns.

Le satellite I.S.O - (Infrared Space Observatory) réalisé par l' Agence Spatiale Européenne et lancé par une fusée Ariane, comprenait un télescope de 60 cm refroidi à 20 K. Associé à divers récepteurs, il a permis de former des images en I.R. entre 2,5 et 17 , et des observations spectroscopiques à grande résolution grâce à deux spectrophotomètres couvrant les domaines de 2,5 à 200 microns.


Image ESA
Aspect du satellite infrarouge ISO.

Le développement des détecteurs CID ou NICMOS, sur le principe des détecteurs CCD (voir la section CCD), a permis d'augmenter considérablement la résolution angulaire. Ce fut le cas pour les deux premiers "surveys", DENIS et 2MASS qui ont couverts respectivement, l'hémisphère sud et les deux hémisphères, depuis le sol pour des longueurs d'onde allant jusqu'à la bande photométrique K à 2 microns. Le survey DENIS mesura aussi la bande I (0,8 micron) avec un détecteur CCD. Les détecteurs étaient refroidis à l'azote liquide.


Photo G. Paturel
Intérieur de la coupole du télescope ESO1m utilisé pour le programme DENIS.
La caméra DENIS installée dans la coupole du télescope ESO 1m.

La caméra est protégée par une enveloppe isoprène bleue. De l'air sec est injecté par le tuyau souple. On aperçoit sous la caméra, un réservoir d'azote liquide utilisé pour le refroidissement des capteurs CCD et NICMOS.


Image DENIS : www-denis.iap.fr
Photographie DENIS de la galaxie NGC253 vue en bande J (1,2 micron)

LE BRUIT DE FOND

Tous les corps, à la température ambiante, rayonnent dans l' l.R. Ce rayonnement est mesuré en permanence par le détecteur. On l'élimine en observant alternativement la source (la mesure est celle de la source + le bruit de fond) et à côté de la source (la mesure est alors celle du bruit de fond seul). En faisant la différence entre ces 2 quantités, on obtient la mesure du rayonnement de la source seule.

On conçoit que le rapport Signal/Bruit peut être mauvais si on observe une source de 100 K par exemple, dont le rayonnement est thermique, car l'atmosphère terrestre a une émissivité qui correspond à celle d'un corps noir de 260 K.

On cherche à réduire cette émission parasite en refroidissant le détecteur, de façon à limiter son bruit propre. Mais ceci n'est pas suffisant ; il faudrait pouvoir refroidir également l'environnement du détecteur et enfin éliminer le rayonnement atmosphérique terrestre.

En moyenne, les observations faites au sol avec seulement le détecteur refroidi à l'hélium liquide permettent d'aller jusqu'à environ 30 . On peut, dans ce domaine faire soit des observations de type photométrique soit de la spectroscopie (aux environs de 1 ) grâce à un spectromètre par transformée de Fourier qui est dérivé de l'instrument du Michelson.

Les observations depuis un avion permettent de réduire considérablement le rayonnement thermique de l'environnement et plus particulièrement celui de l'atmosphère terrestre.

Les observations en ballons (altitude de 30 à 40 Km) permettent de réduire encore plus le rayonnement thermique de l'atmosphère et bénéficient de l'environnement froid, qui limite ainsi l'émission thermique du matériel. Des sites situés au pôle sud peuvent aussi être utilisés pour bénéficier d'une émission réduite de l'environnement.

Mais ce sont évidemment les observations par satellites qui vont permettre d'utiliser des télescopes eux-mêmes refroidis à l'hélium liquide.