L'ULTRA VIOLET,
de 91,2 nm à 310 nm

Ce texte est tiré d'un article de Michèle Gerbaldi,
Compte Rendu de l'Ecole d'Eté d'Astronomie du CLEA,
Grasse, Septembre 1980

Les limites de ce domaine sont d'une part à 91,2 nm l'absorption intense par l'hydrogène interstellaire et d'autre part, pour 310 nm le fait que les observations au sol deviennent possibles. L'interaction du rayonnement UV (ultraviolet) avec la matière est semblable à celle du rayonnement visible. Pourquoi faire ces observations dans l'UV ?

Ce domaine peut évidemment être considéré comme une extension du domaine visible. Il permettra l'observation des étoiles chaudes dont le maximum d'énergie est rayonné dans l'ultraviolet, mais aussi l'étude du milieu interstellaire par l'observation des raies des atomes neutres. Dans ce cas, l'ultraviolet apparaît comme complémentaire des observations radio qui permet la détection des molécules interstellaires.

Les observations sont faites à partir d'engins spatiaux à bord desquels de petits télescopes sont embarqués. Les matériaux utilisés pour la construction de télescopes ultraviolets sont semblables à ceux du visible. Les détecteurs sont des photomultiplicateurs ou des caméras TV (les plaques photos étaient utilisées lors de vols habités ou de vols ballons).

Les détecteurs utilisés maintenant sont des systèmes à tubes multiplicateurs d'électrons (comme ceux que nous décrivons dans la rubrique des détecteurs optiques, mais en miniature, puisque leur diamètre est voisin de celui d'un cheveu). Le principe est donné ci-dessous.


Capteur photoélectrique à micro canaux multiplicateurs d'électrons.

Il est ainsi possible de faire, depuis l'espace, le même type d'observations que depuis le sol ; les mesures étant transmises au sol par télémétrie.

Véhicule spatial utilisé

Les premières observations dans l'UV furent faites à partir de fusées non stabilisées qui ne permettent que quelques minutes d'observations, sans pouvoir faire un pointage précis. L'altitude atteinte par les fusées (environ 80 km) ne permet pas de faire des observations dans l'ultraviolet lointain, car à cette altitude l'absorption par les molécules d'oxygène est encore importante pour des longueurs d'onde inférieures à 220 nm.

L'astronomie spatiale débuta lorsque, en 1946, fut photographié pour la première fois le spectre du Soleil à 220 nm grâce à un spectrographe embarqué à bord d'une fusée allemande de la dernière guerre : V2 - Cette fusée atteint l'altitude de 80 km.

Puis les progrès technologiques permirent de stabiliser les fusées, donc de les pointer dans une direction précise, fixée à l'avance.

Les ballons stratosphériques auxquels est suspendue une nacelle permettent d'emporter quelques centaines de kilogrammes de matériel pour des observations à environ 40 km au-dessus du sol. Les observations durent quelques heures mais elles doivent nécessairement être faites de nuit puisque à cette altitude, il y a encore suffisamment de particules atmosphériques pour diffuser notablement la lumière du Soleil (phénomène du "bleu du ciel").
A la fin de l'expérience, la nacelle est détachée du ballon et redescend vers le sol en étant soutenue par un parachute.

C'est évidemment seulement lorsqu'on embarqua à bord de satellites de petits télescopes qu'une exploration systématique de l'Univers en ultraviolet put être envisagée.
Les premières mesures de flux stellaires par satellite furent faites par le satellite soviétique COSMOS 51. Peu après, en 1966, lors des vols habités de GEMINI X et GEMINI XI, des spectres stellaires furent pris par les astronautes.

L'observation UV du Soleil a démarré beaucoup plus tôt dès 1962 ; mais les contraintes techniques pour capter le flux solaire ou bien celui d'une étoile ne sont pas du tout les mêmes.

La première observation systématique de l'Univers en UV fut faite par le satellite OAO-2 (Orbiting Astronomical Observatory) qui fut lancé en décembre 1968. Ce satellite était équipé de 11 petits télescopes qui permirent de mesurer le flux dans des bandes spectrales UV et d'observer le spectre UV d'étoiles, de comètes, de nuages de matière interstellaire, de galaxies.

Depuis lors, de nombreux autres satellites furent consacrés aux observations UV.

Les premières observations UV

Dans les années 70 on assista à l'essor spectaculaire des observations UV. Celles-ci sont faites aussi bien lors de vols fusées, ce moyen d'observation étant maintenant abandonné, que de vols ballons (technique toujours employée car très économique), mais surtout grâce à des satellites astronomiques.

Ces satellites dont nous ne dresserons pas la liste exhaustive, furent lancés aussi bien, par l'Union Soviétique, que les États-unis, ou bien encore grâce à l'Agence Spatiale Européenne.

Le premier satellite européen pour l'étude du rayonnement UV (mais aussi X et g) TD-1, fut lancé en mars 1972, et fonctionna pendant environ 3 années. Ce satellite qui n'était pas stabilisé, observa à faible dispersion photographique toutes les étoiles chaudes plus brillantes que la 6è magnitude. La résolution était d'environ 4 nm. Cet instrument permit la calibration de ces mesures en flux, car pour la première fois on disposait d'excellentes calibrations des détecteurs faites au sol avant le vol. Le contrôle de la sensibilité des détecteurs durant le vol était fait par observations répétées d'étoiles standard.

Le satellite OAO-3 lancé en août 1972 est équipé d'un télescope de 82 cm de diamètre, qui était alors le plus grand télescope placé en orbite. Ce satellite comporte un spectrographe qui permet d'observer les objets lumineux avec une résolution de 5 pm et les plus faibles avec une résolution de 0,05 nm. Le télescope tout comme un instrument au sol peut être pointé à la demande, vers telle ou telle étoile. Des photomultiplicateurs mesurent l'intensité tout au long du spectre.
Ce satellite fonctionne toujours parfaitement.

Le dernier satellite que nous décrirons est lUE (International Ultraviolet Explorer) lancé en janvier 1978, équipé d'un télescope de 42 cm de diamètre et de spectrographes permettant une résolution de 0,02 nm ou 0,6 nm. Ce satellite pouvait poser plusieurs heures sur le même objet. Il était complémentaire de OAO-3 qui permettait d'obtenir des spectres très détaillés, mais uniquement pour des objets brillants. C'est ainsi que des quasars furent observés pour la première fois en UV avec lUE. Ce satellite a été utilisé par une très vaste communauté d'astronomes aussi bien américains qu'européens. Les observations se déroulaient de façon tout à fait semblable à celles effectuées dans un observatoire terrestre.

Photo ESA : www.vilspa.esa.es/iue
Vue du satellite IUE.
    Comme dans un observatoire terrestre, le télescope était pointé vers l'objet choisi, l'image du champ d'étoiles visé était formée sur une caméra de télévision placée à bord du satellite et retransmise par télémétrie à la station de réception au sol. Là, les données numériques étaient décodées et retransformées en signal vidéo qui s'affichaient sur un écran de télévision. L'astronome voyait ainsi la région du ciel vers laquelle était pointé le télescope et pouvait alors identifier l'objet dont les spectrographes allaient disperser le rayonnement. Si l'objet était trop faible pour apparaître sur l'écran, son repérage pouvait malgré tout se faire à l'aide de sa position par rapport à une étoile brillante voisine. Puis, par télécommande, l'opérateur orientait le télescope d'lUE de façon à ce que l'image de cet objet soit dans l'axe optique d'un des spectrographes. Au foyer du spectrographe se trouvait une autre caméra de télévision qui collectait le flux pendant un temps de pose fixé par l'astronome et pouvant aller jusqu'à 4 heures. Le spectre obtenu était ensuite visualisé sur l'écran de contrôle de la station au sol, ce qui permettait de modifier éventuellement le temps de pose pour une nouvelle observation. C'est la première fois qu'un satellite astronomique fonctionnait de cette façon. Le fonctionnement du satellite IUE a été arrêté en 1996. IUE a été une grande réussite.

Avec le développement des missions spatiales, l'accès aux mesures UV est devenu presque aussi facile que l'accès au domaine visible. De nombreux projets sont en opération : EUVE, FUSE, GALEX, sans compter le Hubble Space Telescope (HST).


Photo NASA : www.galex.caltech.edu
Vue du satellite GALEX.