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Hubble Space Telescope (HST)

Académie des Sciences, Belles-Lettres et Arts de Lyon

18 mars 2003

François Sibille

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Pourquoi un "grand télescope" dans l'espace ?

Pour voir plus loin

Pour voir plus de détails

Pour gagner en résolution angulaire

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Théoriquement (Diffraction) DANS LE CIEL => IMAGE AU FOYER

/D

2 étoiles bien séparées

2 étoiles encore séparées

/D

Limite de résolution /D 1

2

=>

=>

=>

Résolution angulaire

On ne peut plus distinguer les 2 images

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Dans la pratique : Turbulence atmosphérique => dégradation

Vent

Bulles d'air poussées par le vent température et humidité variablesindice de réfraction variable=> effet de prisme=> trajet optique perturbé

Onde plane Atmosphère Onde froissée

r0 = diamètre d'une portion d'onde à peu près plane ( à /10)Visible : r0 10 cmr0 caractérise l'état de la turbulence

Etoile

Télescope

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Dtel < r0 Onde plane sur la surface du miroir => tache de diffraction théorique

Dtel > r0 Onde froissée sur la surface du miroir => Speckles (Tavelures)

Image d'une étoile au foyer d'un grand télescope

Pose courte (tpose < 0,1 sec) Pose longue

/r0

/D

En pose longue :Télescope Résolution théorique Résolution limitée par la turbulence• D = 10 cm 1"• D = 10 m 0,01"

/r0 1" Même performance !

Speckles

Poses courtes et poses longues

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Petite remarque :

En 2000, on sait corriger au sol les défauts dus à la turbulence,

Le projet du HST ne passerait pas !

Premier principe du "spatial" :

On ne fait dans l'espace que ce qu'on ne peut pas faire au sol

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Années 1970 : Un grand projet pour un grand télescope

•Pour le visible

•Dans l'espace => plus de turbulence=> transparence parfaite

Résolution : /D 0,01 " (1cm à 200 km) (dans l'UV)

Exigences : Optique parfaite : taille à /20 = 0,02µm Pointage parfait : < 0,01" /D

Longue durée de vie => "visitable" => lancement navette

Grande résolutionspatiale

diamètre 2,4mCompromis entre :

masse embarquable <=> taille du miroir

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Rapide présentation du HST ...

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hst shuttle

Lancement 24-4-90 Navette Discovery13m x 4m10,3 TonnesOrbite à 590 km

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hst sys support

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layouthst_img08.jpg

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Composite%20Focal%20Plane.gif

Des instruments : • variés, • renouvelés lors des visites

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Horreur : il est myope !

• Erreur de montage équivalente à 4 µm sur la surface d'un miroir

40 au lieu de /20 !

• La 1ère mission de visite (1/12/93)rattrape le coup avec "COSTAR"

• Enfin les performances espérées :limite de diffraction dans l'UV

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2ème mission de visite (2/97):

• Nouveau spectro (STIS)

• Pointage amélioré (FGS)

• Une mémoire digitale (12 Gb) remplace les bandes magnétiques

• NICMOS incursion dans l'infrarouge

(Near Infrared Camera and Multi Object Spectrometer)

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Aperçu des découvertes du HST

depuis Mars jusqu'aux aux confins de l'Univers

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Mars-HST0124yresized.jpg

La passionde

Mars

Système solaire

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SL9Gevol4.jpg

18 Juillet 1994 : Impact de la comète SL9 sur Jupiter

impact G !

G + 1,5 h

L + 1,3 jourG + 3 jours

G + 5 jours

Système solaire

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UranusB.jpg

Les Anneaux

d'Uranus

(Contraste très accentué)

Système solaire

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pelevolcanio97-21.jpg

Pele : Volcan actif sur Io

Galileo HST

Système solaire

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KuiperBComets.jpg

Future comète (?) dans la ceinture de Kuiper

Galaxie

Etoiles de fond

Trajectoire de l'objet

Système solaire

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betaPicZodi95-39.jpg

Disque planétaire de l'étoile

Pictoris

Un "système solaire" en formation

(Nuage zodiacal)

Masque de l'étoile

Systèmes pre-planétaires

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OriEODsk.jpg

Disque de poussière protoplanétaire dans Orion

Une étoile et son système planétaire en formation

Systèmes pre-planétaires

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nicmos orion97-13.jpg

Région active de formation d'étoiles dans Orion

Visible Infrarouge

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modelstarbirthi0202aw.jpg

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gliese22995-48.jpg

Une très petite étoile : la "Naine Brune" compagnon de l'étoile Gleise 229Masse = 20 MJupiter = 0,02 MSoleil

Naines brunes

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DarkMatAréduite.jpg

Pour la "matière noire", cherchez autre chose que les naines brunes ...

Naines brunes

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Le milieu interstellaire

ou

le faux vide entre les étoiles

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CygnusLoop.jpg

Matière interstellaire

dans la constellation

du Cygne

"La dentelle du Cygne"

Milieu interstellaire

Milieu diluéEn moyenne : 10 atomes/cm3

très inhomogène

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pillarsM16Full.jpg

Milieu interstellaire

Nuages "moléculaires"denses dans Messier 16

Illuminés par une étoilechaude

Milieu dense 106 atomes/cm3

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KnotsHelix96-13b.jpg

pillarsM16WF2.jpg

Des détails

Milieu interstellaire

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SN1987debris97-03réduite.jpg

SN1987A_Ringsréduite.jpg

Super nova SN 1987 (50 kPc)

Matière éjectée il y a 30000 ans Matière éjectée lors de l'explosion en 1987

Milieu interstellaire Super nova

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SN1987ringspectro97-14.jpg

OxygèneSoufre

Azote et HydrogèneSpectroscopie de l'anneaude SN1987

Milieu interstellaire Super nova

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nicmos eggneb97-11.jpg

CRL 2688 : étoile à l'agonie => enrichissement du MIS en éléments lourds

Visible Infrarouge (poussière + H)

Milieu interstellaire Nébuleuse planétaire

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Des galaxies ...

... ordinaires ...

... et moins ordinaires

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galcenterm31centreHST.jpg

galcenterm31centresol.jpggalcenterm31csol.jpg

Notre voisine : Galaxie Messier 31 (Andromède)

20 000 PcEntière, vue du sol

109 étoiles

700 PcCentre, vu du sol

10 PcNoyau doublevu par le HST

106 étoiles

Galaxies ordinaires

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galcenter97-12.jpg

Un peu plus loin (18 106 pc) : Amas de Virgo, noyau de Messier 84

Trou noir super massif (3 108 MSoleil) entouré d'un nuage d'étoiles en rotation

+ 400 km/sec- 400 km/sec

Région du noyau central

Fente du spectrographe

Galaxies ordinaires

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Galaxies ordinaires

Etoile variable Céphéide dans Messier 100 (20 000 kpc)

Relation Période-Luminosité des CéphéidesPériode 50 jours => Luminosité absolue = Mmagnitude apparente : m = M - 5 + 5log(d) 25

Distance de la galaxie M100CphBreduite.jpg

Calibration de l'échellede distance de l'Univers avec la loi de Hubble :

V = H d

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HDFMosaicFull.jpg

Relevé profond avec le HST (HDF = Hubble Deep Field)

Galaxies de toute sortes

1500 galaxies

1/20 du diamètre de la Lune

150 orbites du HST

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HDFWF3.jpgHDF

Détails

Galaxies de toute sortes

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Encore plus profond avec NICMOS dans l'infrarouge

0,45 µm

1,1 µm

1,6 µm

Galaxies de toute sortes

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earlygal96-29breduite.jpg

Galaxies primitives

Amas d'étoiles pre-galactiques, il y a 11 109 ans

18 objets, dans un volume (Andromède-Voie lactée) , taille des objets 1/3 Voie lactée

Fusion pour donner les galaxies spirales

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Cartwheel-partie.jpg

Quand une galaxie en traverse une autre ...

Choc frontal => festival de super novae

Anneau d'étoile jeunesexpansion à 100 km/sec

La galaxie spirale réapparaît

après le choc

Quel était l'intrus ???

Galaxies moins ordinaires

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quasar96-35areduiye.jpg

Les quasars : Super trou noir, avaleur d'étoiles

Luminosité : 1011 LSoleil On en trouve partout

Galaxies en collisionGalaxies "normales" Fusion de galaxies

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arcA2218.jpg

Arclet dans l'amas Abell 2218 : mirages gravitationnels

HST

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Et pour aller encore plus loin ?

Dans l'infrarouge, sûrement,

au sol ... dans l'espace ...

ou les deux !

"Owl" (la chouette) Télescope de 100 m, étude ESO

Next Generation Space Telescope (NGST)Télescope de 8 m dans l'espace (Lagrange 2)

Un des concepts proposés