Joseph, Vénus, Mars et les Autres


Prologue: Les Choses de la Vie... (où l'on reparle de Mars et Vénus)

Mi -Septembre 2020 : entre le 14/09 et le 16/09, la presse bruisse d'une nouvelle presque incroyable, d'où émergent les mots vie et Vénus. Petite revue des titres:


" La Société Royale d'Astronomie va-t-elle annoncer l'existence d'une vie sur Vénus? "

" Astronomie : Vénus nous fait-elle un petit signe de vie  ? "
,
" Peut-être un signe de vie dans les nuages de Vénus "

" Et s'il y avait de la vie dans les nuages de Vénus ? "
" Des indices de vie dans l'atmosphère de Vénus ? "

" De la vie dans l'atmosphère de Vénus ? L'hypothèse relancée par une découverte "

" Vie extraterrestre : une biosignature dans l'atmosphère de Vénus "


Certes, ils restent (avec raison) prudents, sur le mode interrogatif ou dubitatif  : on a connu tant de hauts et de bas en étudiant la même question sur Mars, où, pas plus tard qu'en Mars 2020, la revue Astrobiology annonçait de nouvelles espérances à partir de l'analyse de prélèvements faits par le robot Curiosity, sur place depuis 2012.  En attendant que de prochaines missions nous en apprennent plus... hélas, celle de l'ESA, prévue à l'été 2020, est désormais reportée à 2022: il va encore falloir patienter!

Dans un tel contexte, basculer  subitement les espoirs vers Vénus augmente la charge émotionnelle, voire sensationnelle d'une telle découverte: l'Astrophysique  rejouant le scénario d'un Napoléon, contraint de reporter son projet d'invasion de l'Angleterre, pour aller remporter sa plus éclatante victoire à Austerlitz. Et puis, Vénus n'était-elle  pas "définitivement" réputée inhabitable: une température de l'ordre de 460°C, une atmosphère de dioxyde de carbone à plus de 95%, agrémentée de nuages de dioxyde de soufre? Cela n'a rien d'engageant sur un dépliant touristique!

Qu'importe! Dans notre imaginaire collectif, Vénus mythologique nous fait rêver: tant d'artistes l'ont célébrée...



Vous souvenez vous du tube Venus des Shocking Blue, qui fit un malheur dans les années 70?
(pour une scénographie moins godiche, voire un peu plus sulfureuse, cette reprise de 1986...)
à gauche, la non moins mythique Vénus de Cnide, à rencontrer dans notre page dévolue à Eudoxe

Revenons à nos titres, pour un petit exercice comparatif: lesquels contiennent le plus d'information?
Ouest-France se distingue en y mentionnant la source, qui est un gage de sérieux, puisque c'est la société savante des astronomes britanniques. Les trois derniers précisent dans l'atmosphère, où une mince bande offre des consitions moins invivables. Le Point est le plus précis en évoquant une biosignature, malheureusement il est aussi le plus imprudent: il aurait sans doute dû écrire une possible biosignature, car son titre balaye toute forme de doute. Or, c'est aller plus loin que les découvreurs eux-mêmes!
Les corps des articles sont souvent très proches les uns des autres, au point que l'on peut s'interroger: est-ce le même communiqué de l'Agence France-Presse qu'on a nappé de sauces légèrement différentes?

Quoi qu'il en soit, les jours suivants exagèrent le doute comme le premier a exagéré l'enthousiasme. Les spécialistes interrogés ne peuvent que le tempérer, en  rappelant... ni plus, ni moins que ce qui a été dit lors de la conférence de presse présentant le résultat. Ce qui est (quasiment)  incontestable, c'est la détection de phosphine (PH3) dans l'atmosphère de Vénus. Ce qui est discutable, c'est la force de sa corrélation avec des processus biologiques. Mais pourquoi en parler ici, ou, plus explicitement

"En quoi l'Analyse de Fourier participe t-elle à cette découverte? "

La réponse peut tenir en une phrase: "parce que cette signature apparaît dans des spectres obtenus par interférométrie infrarouge, procédé dans lequel la transformée de Fourier joue un rôle capital." Nous avons présenté ce procédé dans cette page, et raconté l'histoire héroïque de ses débuts, en France, dans les années 60. Cette histoire se poursuit régulièrement depuis, dans l'observation aux télescopes depuis la Terre aussi bien que dans de nombreuses missions spatiales, grâvce à des appareils dédiés à bord des sondes. C'est cette présence de Fourier dans l'astrophysique en ce début de XXIème siècle qu'ambitionnent de vous faire découvrir les lignes qui suivent.
Et parce qu'un petit schéma en dit plus long qu'un grand discours, si vous voulez réviser l'épisode précédent en un clin d'œil sans équations, voilà!


L'interféromètre ne fournit pas directement le spectre,
mais une donnée de lumière qui permet d'y accéder par un circuit de Fast Fourier Transform

Phosphine: des Antécédents au Parfum Fouriériste

La présence de phosphine dans l'atmosphère de Jupiter est connue dès 1975. Deux ans plus tard, la sonde Voyager I est lancée, qui atteindra le voisinage de Jupiter en 1979, celui de Saturne en 1980. Elle embarque un spectroscope à transformée de Fourier nommé IRIS chargé plus précisément détudier la composition des atmosphères de ces deux géantes gazeuses. Les données spectrales sont analysées ultérieurement (1982) à terre et confirment cette présence, avec des différences selon les localisations.
C'est donc dès le début de l'exploration du système solaire que la spectroscopie de Fourier (dont les principes et les pionniers ont été présentés dans cette page) est présente!


En 1994 paraît un article au titre on ne peut plus clair: la phosphine a été détectée très nettement dans le spectre de l'atmosphère de Saturne, par la présence d'un pic très marqué  pour une fréquence caractéristique du produit recherché. Le but est d'obtenir une plus grande certitude en se oplaçant dans une bande spectrale plus précise:

 "Des mesures infrarouges ont déjà établi des estimations de l'abondance de PH3 dans Jupiter et Saturne. Toutefois, les spectres infrarouges des planètes géantes sont pollués par des milliers de transitions qui rendent difficiles la comparaison avec les modèles d'atmosphères. Les spectres millimétriques et sous-millimétriques des planètes géantes, par contre, contiennent relativement peu de lignes spectrales, qui, en ocnséquence, sont bien séparées. [...]
Afin d'étudier les spectres millimétriques et sous-millimétriques des planètes géantes, nous avons construit un spectromètre à transformation de Fourier rapide (FTS) pour l'utiliser au Caltech Submillimeter Observatory (CSO). Le CSO est situé sur Mauna Kea, à une altitude de 4207m au dessus du niveau de la mer. À cette altitude, l'observatoire se trouve au dessus de l'essentiel de la vapeur d'eau présente dans l'atmospphère, ce qui rend possible l'obseravtion à des longuers d'ondes sous-millimétriques [...]"







Un spectre révélateur de la phosphine, dans l'article, est comapré à des modèles théoriques d'atmosphères, à divers dosages.

Ainsi deux voies apparaissent, qui seront chacune poursuivie, car elles sont plus complémentaires que concurrentes: utiliser une sonde spatiale, qui a l'avantage d'opérer de plus près (et donc sélectionner plus facilement des zones), mais pose des contraintes sur l'appareillage (poids, encombrement) ou travailler depuis le sol avec un puissant télzscope et un interféromètre libéré des contraintes du matériel embarqué.

Des Nouvelles de Vénus

Les faits

Les observations qui ont fait l'objet de la conférence de presse de la RoyalAstronomical Society proviennent de deux sites: Le James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), situé comme le CSO à Hawaï, sur le Mauna Kea (voir la liste des observatoires qui y sont installés), et le radiotélescope géant ALMA, constitué d'un réseau d'antennes mobiles et situé dans le désert de l'Atacama (Chili). Les images ci-dessous en témoignent (empruntées, car le Mathouriste ne s'est pas -pas encore?- rendu sur place, et ce n'est pourtant pas l'envie qui lui en manque...) , il s'agit de sites de Big Science, et se documenter un peu plus à leur sujet est évidemment passionnant: sur ALMA, nous vous recommandons chaleureusement la courte (20') vidéo généraliste de Gullaume Doyen ou, pour une présentation plus approfondie -ce qui ne veut pas dire difficile à suivre, loin de là!- cette conférence de l'astrophysicien Stéphane Guilloteau (Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux) sur le site Savoirs de l'ENS. Voir aussi les sites officiels du JCMT, et d'ALMA.




le JCMT
(source: site de l'observatoire)
ALMA by night
 (source: ESO/Wikepedia Commons)
Comment déplacer les antennes d'ALMA...
 
(source: ESO/Wikepedia Commons)

Ces deux appareils fonctionnent en mode interférométrique, dans la continuité des détections précédentes, donc. Les résultats sont bien résumés par la superposition des deux spectres ( le crénelage résulte de la discrétisation liée à l'emploi de la FFT):



Prof Jane Greaves (Université de Cardiff), directrice de l'équipe internationale
Superposition des résultats des deux observatoires.
"Compte tenu que nous avons obtenu cet accord à partir de deux observations entièrement indépendantes, nous pouvons dire avec un niveau de confiance élevé que nous avons détecté de la phosphine sur Vénus. C'est très enthousiasmant car c'était vraiment complètement inattendu."

Pr. Jane Greaves, en conférence de presse


"Sur Vénus" doit être compris, plus précisément ainsi: dans une bande située dans la haute atmosphère de la planète, à 50 km environ de la surface; là, la température est de l'ordre de 30°C, la pression voisine de la pression terrestre; bref, des conditions relativement analogues à celles qu'on peut trouver sur terre, mais tout de même dans une atmosphère à l'acidité peu ragoûtante (à 90%, estime J. Greaves)... et problématique pour la (sur)vie!

ALMA a en outre permis de préciser les zones où la phosphine est la plus présente, ce que les spectres montrent clairement sur l'image ci-contre (diaporama de J. Greaves):
  • près des pôles, toutes les fréquences infrarouges sont présentes, sans indication notoire;
  • au contraire, dans la zone "tempérée", le pic vers le bas dénote l'absoption de la fréquence 267GHz, caractéristique de la présence de phosphine.
Vous pouvez suivre ici l'intégralité de la conférence de presse ; elle n'est en fait pas très longue: une vingtaine de minutes pour trois intervenants, suivie des questions réponses avec des journalistes en télconférence.
Un résumé simplifié, par Jane Greaves, est également disponible.

L'article complet en ligne dans Nature Astronomy , la version pdf.

aves)


Les contestations... qui avaient reçu une réponse préalable!

Au lieu de crier "Victoire! On tient de la vie sur Vénus!" et, deux jours après, de rapporter les réserves de scientifiques moins enthousaistes, ou du moins plus modérés, les journalistes auraient tout simplement pu écouter la conférence de presse en entier. Les auteurs de la découverte présentent eux-mêmes les objections et appellent à des confirmations par d'autres  moyens. Revue de détail:

Est-ce que "la phosphine, c'est la vie?"

"Pour moi, c'est très encourageant pour valider l'hypothèse de vie, mais bien sûr nous devons être très prudents et il se pourrait qu'il y ait d'autres moyens commodes pour produire la phosphine. C'est ce que mon collègue William va vous expliquer à présent."

Pr. Jane Greaves, en conférence de presse


lequel, après avoir effectué de nombreuses expériences et calculs quantitatifs, indique que certes, des réactions chimiques de l'atmosphère, ainsi que le volcanisme, peuvent produire la phosphine, mais dans des quantités infimes comparées à celles effectivement trouvées: les ordres de grandeurs éliminent cette piste. Avant de conclure:

"Tous ces calculs ne nous laissent qu'avec deux possibilités:
  • la première est qu'il y a dans les nuages de Vénus un processus chimique complètement inconnu, exotique, et donc très excitant, que personne n'avait imaginé auparavant;
  • ou, et c'est ce qui nous interpelle le plus, que la phosphine est produite par de la vie, en s'appuyant sur l'idée selon laquelle des microorganismes pourraient recourir, dans les conditions de Vénus, à des réactions biochimiques similaires à celles que l'on connait sur terre chez les batéries, les plantes, et vous et moi[...] "

Dr William Bains (MIT) , en conférence de presse


"Nous n'affirmons pas avoir détecté de la vie sur Vénus [...], nous disons seulement que nous avons , de façon fiable, détecté de la phosphine dont l'existence est un mystère. Je veux répéter ce qu'a dit William: la phosphine peut être produite par certaines réactions, mais en quantité si incroyablement infimes qu'elles ne suffisent pas à expliquer ce que nous avons observé."

Dr Sara Seager (MIT) , en conférence de presse

ci-dessous, la diapositive présentée pendant qu'elle prononçait cette phrase: c'est clair et sans ambiguïté.




Sur Jupiter et Saturne, il y a de la phosphine sans pour autant qu'il y ait de vie. Pourquoi n'en irait-il pas de même sur Vénus?

"Sur la Terre, la phosphine n'est associée qu'à la vie, ou à des bactéries présentes dans un environnement sans oxygène, ou à une production hindustrielle humaine. Sur Jupiter et Saturne, elle existe parce que leur atmosphère est dominée par l'hydrogène, avec des températures et pressions plus basses, favorables à des réctions chimiques engendrant la phosphine."

Dr Sara Seager en conférence de presse



Une seule raie d'absoption, est-ce suffisant comme signature?

Les membres de l'équipe sont catégoriques, d'autres scientifiques plus sceptiques. Peut-être parce que tout le monde ne parle pas de la même chosecar il faut être précis sur les mots employès: signature de la phosphine, c'est une chose; biosignature, cela doit être une preuve irréfutable de vie, et l'on n'en est clairement pas là. D'ailleurs, tant J. Greaves que S. Seager appellent de leurs vœux la confirmation par l'envoi de sondes; on retrouve la dualité téléscopes à terre/sondes spatiales du cas de Saturne.

"Nous devons continuer, nous aimerions voir nos mesures de la phosphine confirmées à d'autres longuers d'onde. D'autres membres de l'équipe ont suggéré de le faire depuis la Terre, mais ce n'est pas évident car les contributions sont faibles. Aussi espérons nous que cela motivera des missions spatiales vers Vénus et des mesures directes des gaz."

Dr Sara Seager en conférence de presse




Et, chance, la sonde BepiColombo; en route vers Mercure, passera bientôt à proximité de Vénus, qu'elle survolera deux fois, les 15 octobre 2020 et 10 août 2021.. Elle pourrait grâce à l'appareil MERTIS  compléter les informations actuelles... affaire à suivre!

Mais au fait... n'avait-on jamais pensé à envoyer des sondes sur et autour de Vénus auparavant?

Si, si:! On verra, juste ci-dessous, qu'au déibt du troisième millénaire, une Venus Express était construite comme une clone de Mars Express. Mais, pendant que les USA lançaient tous leurs efforts vers la Lune, l'URSS développait un ambitieux programme d'exploration automatique de Vénus, nommé Venera. Les déboires furent nombreux; d'ailleurs seuls les engins ayant approché la planète reçurent officiellement un numéro: Venera-1 est ainsi la septième sonde lancé vers Vénus, en 1961, et elle s'égare sans communiquer.En 1965, Venera-2 est placée avec succès en orbite autour de Vénus, coupe ses communications radio pour mettre en fonctionnement ses instruments d'analyse (les ressources énergétiques sont limitées!) ... et ne parviendra jamais à les rétablir pour envoyer ses résultats. La première à entrer dans l'atmosphère de Vénus est Venera-3, mais elle s'écrase sur la planète. Commence alors un long chemin de perfectionnement de la résistance des engins et de leur appareillage, face aux dures conditions de température et de pression, de Venera-4 à Venera-14. Le programme se conclut (1985) avec deux sondes qui, contrairement aux précédentes , ne se poseront pas au sol... mais en beauté pour notre sujet , car les orbiteurs Venera-15 et Venera-16 ont a leur bord un spectromètre à transformée de Fourier, comme l'atteste un timbre est-allemand de 1986, partie d'une planche de 4 commémorant le premier vol habité, celui de Youri Gagarine, dont c'est le 25ème anniversaire!



de Venera 3, par qui tout commence vraiment...
 Musée de l'usine RKK Energia
(photo du
Mathouriste)
... à Venera 15, philatéliquement glorifiée avec son spectromètre.
Jusqu'à nouvel ordre, premier timbre à mentionner la transformée de Fourier: agrandissez!
(source: Wikimedia Commons )

N.B. : Dès Venera-8, des spectromètres sont parmi les instruments de bord, pour étudier la composition chimique des sols et de l'atmosphère; mais ce sont des modèles d'autres types (rayons X, rayons gamma...).
 

salle de traitement des données de Venera 15 (ou 16)
Mais ce n'est pas tout: Venera-15 et Venera-16 exploitent la transformation de Fourier d'une deuxième manière. Elles avaient une autre mission: cartographier la planète. L'opacité de son atmosphère a conduit à utiliser des ondes radar. Le système employé, dit SAR, (Synthetic Aperture Radar, ou Radar à Synthèse d'Ouverture, en Français) envoie les ondes sur une petite surface, tout en se déplaçant. L'écho reçu en retour combine "naturellement" -par une transformée de Fourier, comme en interférométrie- les données de plusieurs points, tandis que le même point du sol participe, en raison du déplacement, à plusieurs échos: ainsi, la contribution de chaque point sera obtenue en appliquant la transformée de Fourier inverse.

Venera-15 collecte les échos (chacun est fait de 2540 octets) et les envoie pour traitement au sol; là, ils sont pris en charge par deux ordinateurs SM-4 équipés d'un coprocesseur spécialisé, le Special Fourier Transform Processor, SPF-SM.

(source des informations et de l'image)

Mars (contre?) attaque!

Considérée comme "jumelle" de la Terre, Mars a, dès les débuts de la conquête spatiale, suscité un grand nombre de missions (liste)... dont pas mal d'échecs! Et, avant qu'on ne réussisse à se'y poser, tout naturellement, l'étude de l'atmosphère, l'éventuelle présence d'eau ont été les premières interrogations. Instruments d'une polyvanence idéale pour étudier la présence et les quantités des divers éléments chimiques, des spectromètres mis à contribution. Il est seulement difficile, parfois, de remonter juqu'au type de spectromètre employé lors des missions anciennes: ainsi, la mission soviétique Mars 3, l'une des premières dévolue à l'exploration de la planète rouge, embarquait un spectromètre infratouge: Fourier or not Fourier?

Au tournant du XXIème siècle, plus de doute: Fourier est de la partie. Ainsi, en 2003, deux missions "faisaient appel à ses services", ... si l'on ose dire:

La Mission Américaine MER (Mars Rover Explorer)


Les deux rovers jumeaux, Spirit et Opportunity de la mission MER avaient le même appareillage, car ils devaient effecruer les mêmes relevés dans deux sites martiens différents. Chacun disposait de trois spectromètres travaillant dans des bandes spectrales distinctes: rayons X, rayons gamma et infrarouge. Le dernier, Mini-TES (Miniature Thermal Emission Spectrometer) est un classique  interféromètre de Michelson dont les résultats sont exprimés sur l'échelle des  fréquences grâce à une transformée de Fourier (voir ici le principe de l'appareil et sa traduction mathématique très résumés), selon le modèle conçu par les pionniers J. et P. Connes  .

Mais la miniaturisation est passée par là:
- 23,5 x 16,3 x 15,5 cm;
- 2,4 kg
L'appareil, fixé au mât du rover (source: Nasa) Les mains gantées de noir donnent l'échelle! (source: Nasa)

Le nom Mini-TES fait aussi référence à un prédécesseur, TES, embarqué à bord de l'orbiteur Mars Global Surveyor, lancé en 1996, dont il est une réplique miniaturisée. Mini-TES avait  pour but principal d'étudier la composition minéralogique du sol, à partir de la mesure du rayonnement thermique (le T de son nom!) infrarouge qu"émet chaque matériau. Mais il aussi apporté des informations sur l'amosphère, son humidité et les traces de carbonates qu'elle contient: avant TES et Mini-TES, on imaginait les carbonates présents comme sédiments rocheux après assèchements de vastes lacs.


Résultats comparés de TES et Mini-TES (source: NASA/JPL/Univ. d'Arizona)
Apparait aussi la plus grande précision de la version la plus récente, qui fait apparaître des pics plus précis

La Mission Européenne Mars Express

On aurait pu choisir pour sous-titre Mars et Vénus... car deux sondes identiques ont été envoyées vers chacune des voisines de la Terre: la première, Mars Express ( présentation & résultats sur le site de l'ESA) , en 2003, suivie de Venus Express  ( présentation & résultats sur le site de l'ESA) en 2005. À leur bord, un spectromètre à transformée de Fourier mis au point par l'Institut National d'Astrophysique italien, le Planetary Fourier Spectrometer.





Mars  Express, vision d'artiste
(sources: Wikimedia Commons / ESA)
PFS en cours de calibration au laboratoire de l'IFSI, Rome
 (source de l'image)
Mars  Express, vision d'artiste
(sources: Wikipedia / ESA)

De nombreuses vues de l'appareil (de toutes façons, assez compact) sont présentées dans cette vidéo (diapositives 38 à 61), et légendées... en Polonais, mais libre à vous de demander à Google de vous aider pour la traduction!
à voir aussi: une description de PFS, le rapport de résultats  Mars Express, the Scientific Investigations (dont sont tirées quelques images qui suivent)


localisation de PFS sur le satellite
(source: ESA, Venus Express)
Couveture de Mars par PFS pendant un an
(longitude en abcisse, latitude en ordonnée)

 (source: ESA, Mars Express, the Scientific Investigations)
Couverture par PFS du môle nord de Mars
(le pôle est au centre de l'image)
 
(source: ESA, Mars Express, the Scientific Investigations)

Le but de cet appareil, nettement plus gros que le précédent (31,4kg)  est de fournir la composition en gaz de l'atmosphère des planètes, ainsi qu'une cartographie précise des températures. La figure ci-contre montre les mesures collectées lors de l'orbite 37, en survolant l'Olympus Mons, volcan géant de 22,5 km de haut et qui, s'il prenait en Auvergne la place du Puy de Dôme,, couvrirait... presque toute la France, ne laissant dépasser que la Bretagne, le Pays Basque , les côtes de la Manche et les frontières du Nord-Estet l'Alsace!


températures (échelle colorée) en fonction de la latidude et de l'altitude, au voisinage d'Olympus Mons
  (source: ESA, Mars Express, the Scientific Investigations)
Olympus Mons, photo par Viking 1 (1978)
 
(source: Wikmpedia Commons)

En 2004, l'équipe du projet annonce la découverte de méthane (CH4) par le spectromètre FPS de Mars Express: c'est important, car sa présence ne peut être reliée -au moins en l'état actuel des connaissances- qu'à un processus vital ou à un volcanisme actif. En effet, en présence de l'atmosphère martienne, il se décomposerait en quelques centaines d'années en eau (H2O) et dioxyde de carbone( CO2). Cela supposerait donc une émission continue, de source à préciser, ou une activité passée mais extraordinairement réccente. De quoi mettre légitimement en émoi les chercheurs à l'affût d'une quelconque forme de vie sur nos voisines... Hélas, la sonde Trace Gas Orbiter de la mission Exomars (2016) n'avait pas confirmé la première découverte. L'énigme n'en est pas restée là, car le rover Curiosity en a mentionné en 2013, ce qui a été confirmé le lendemain par... FPS, toujours en activité sur Mars Express, dont la mission arrive à son terme fin 2020.



Découverte quasi-simultanée, 15 & 16/06/2013
 (source: ESA, Mars Express matches Curisity)
Récapitulatif des mesures du méthane sur Mars
 
(source: ESA, The Methane Mystery)

C'est dire si l'on attend avec impatience, pour un possible arbitrage sur cette question pleine de suspense, l'arrivée sur Mars du rover Perseverance (NASA, mission Mars 2020), prévue le 18/02/2021, et le lancement du rover européen Rosalind Franklin (Exomars 2022), prévu en 2018 mais reporté à 2022. On comprend aussi mieux l'immense (et probablement trop hâtif...) espoir suscité par la découverte de phosphine sur Vénus, au milieu de toutes ces hésitations.

Un bilan pour finir : 12 years of atmospheric monitoring by the Planetary Fourier Spectrometer onboard Mars Express
Un point récent sur Mars, en téléchargement gratuit: Insight arrive sur Mars, numéro spécial de L'Astronomie, mensuel de la Société Astronomique de France; on y trouve un entretien dont nous extrayons

 Q: Avez-vous déjà vécu « de près » de précédentes missions martiennes? Si oui, lesquelles et quels souvenirs en tirez-vous?
"J’étais au lancement de Mars Express le 2 juin 2003 à Baïkonour. J’étais alors président de Starsem et d’Arianespace. J’en garde un souvenir extrêmement ému. À l’époque, on parlait assez peu de cette mission européenne. Et pourtant, quel succès!
[...]"

Q: La planète rouge fascine toujours autant. Peut-être même de plus en plus, au point de reparler de missions habitées d’ici à 2025-2030.[...] Pourquoi cet engouement?
"On sait que Mars a été habitable. La question maintenant, c’est de savoir si Mars a été habitée. Mars est en quelque sorte le Graal des astronomes et des exobiologistes"

Jean-Yves LE GALL (président du CNES depuis 2013),
 entretien avec Gilles Dawidowicz
in L'Astronomie (Novembre 2018)



Une nouvelle "ruée vers Mars"...

... a donc commencé. Car aux missions précédentes, on peut désormais ajouter la mission Al-Amal des Émirats Arabes Unis, qui a décollé le 20/07/2020 du Japon (vidéo), et se mettra en orbite martienne en Février 2021... un pas de deux avec le satellite américain? En tout cas, on trouve à son bord un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier, nommé EMIRS (Emirate Mars Infra Red Spectrometer), conçu par l'université de l'Arizona.



Préparation du satellite
(source: article de l'Unsine Nouvelle)

Position  du spectromètre  EMIRS  sur le satellite
(source: UAE Space Agency)


De plus, une mission chinoise nommée Tianwen-1 a profité de la même fenêtre de tir, à l'été 2020, pour s'envoler (un peu plus discrètement) vers le même but. Il faut dire que le moment favorable n'est que de quelqeus semaines tous les 26 mois! Si vous avez du mal à vous y retrouver, voici une conférence de François Forget (CNRS et Institut Laplace) prononcée pendant la Nuit des Étoiles 2020.

Fourier, en mission chez les Géantes

Avec Voyager

Le programme Voyager de la NASA a débuté en 1972 pour un lancement, durant l'été 1977 de deux sondes jumelles Voyager 1 et Voyager 2 (lancée la première) destinées à l'exploration complète du système solaire. La date n'a rien d'arbitraire, la période 1976-1978 étant optimale pour exploiter l'assistance gravitationnelle (plus complet en anglais), c'est à dire l'accélération donnée (en vertu de la plus célèbre et universelle loi énoncée par iIsaac Newton) par le passage à proximité d'une planète massive: retrouver une position des géantes gazeuses Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune sur leurs orbites aussi favorable demanderait d'attendre ... 176 ans! Les sondes Voyager seront ainsi les premières à effectuer un survol d'Uranus et Neptune et les secondes à étudier Jupiter et Saturne.

Comme on l'a évoqué au début de cette page, elles embarquent un spectromètre à transformée de Fourier, IRIS; en voici quelques détails en images:




localisation de l'appareil sur Voyager
(source: NASA)
de gauche à droite: miroir secondaire, miroir primaire,
interféromètre (sous l'habillage de feuilles d'or)
(source)
schéma de principe de l'appareil
(source: NASA/JPL et cet article )

Quelques jours avant son passage au plus près de Jupiter (qui a eu lieu le à  278 000 km de sa surface), la sonde fournit ces spectogrammes (en fait, moyennés à partir de 133 relevés et autant de calcule)



Spectres de Jupiter obtenus par l'IRIS de Voyager 1, dans deux bandes de longueurs d'onde différentes.(source: cet article )
Des chimistes experts savent y retrouver leur molécules, par comparaison à des spectres connus, et répertoriés.

Avec Cassini-Huygens

La mission Cassini-Huygens avait particulièrement pour but l'étude de Saturne et de ses satellites, dans le prolongement des premiers résultats obtenus par Voyager. Lancée en 1997, la sonde Cassini est mise en orbite autour de Saturne en 2004; l'aterrisseur Hugens de l'ESA devant aller se poser sur Titan pour l'étudier plus en détail. C'est à bord de Cassini que se trouve le CIRS (Composite Infra Red Spectrometer), appareil à transformée de Fourier.




Cassini en cours de montage
(source : Wikimedia Commons)
place de CIRS sur Cassini, détail
(source: article de F. Flaser & alias)
place de CIRS sur Cassini, vue générale
(source: NASA)


Ce schéma de l'appareil révèle qu'il s'agit, non d'un spectromètre, mais d'un couple de spectromètres: le faisceau de lumière IR capté est divisé en deux, de manière à traiter séparément l'infrarouge lointain et la portion centrale de la gamme des infrarouges, traditionnellement divisée en trois (la partie qui n'est pas étudiée ici est celle qui est appelée proche infrarouge, parce que ses longuers d'onde la placent à côté du spectre visible). Ce choix est dicté par les régions où les pics caractétistiques des composants, bien connus par les études en laboratoire, sont attendus.

Cassini n'a pas besoin de se poser sur Titan pour que le CIRS donne la composition de son atmosphère; de même, c'est à distance qu'il renseigne sur la répartition des températures sur la lune Mimas, mettant en évidence une "surprise" (comparée aux valeurs attendues) qui reste inexpliquée à ce jour.



Spectres de Titan, composés chimiques correspondants
(source : Wikimedia Commons)
Températures sur Mimas: une dissymétrie curieuse
(source: article de F. Flaser & alias)

D'autres Observatoires en Vol

Le Téléscope Herschel


Les satellites précédemment mentionnés orbitaient autour de la planète à étudier; Herschel a été placé en orbite autour du soleil, entre la Terre et Mars, plus pécisément près du point de Lagrange L2 du système Terre-Soleil, point où les deux attractions concurrentes sannulent, minimisant ainsi l'énergie nécessaire pour maintenir l'observatoire à son poste (il en faut quand même un peu, car L2 est un point d'équilibre instable). Lancé en 2009 par une fusée Ariane V, opérationnel jusqu'en 2013ce pojet de l'Agence Spatiale Européenne a reçu l'aide du Canada, qui en a fourni... le spectromètre à transformée de Fourier, SPIRE.

Le but essentiel était l'observation de l'univers dans l'infrarouge lointain . Voici deux exemples de galaxies traitées par SPIRE, où l'importance du dégagement de monoxyde de carbone CO est mise en évidence par plusieurs raies spectrales carctéristiques.



Spectre de la galaxie Arp 220 (source : Herschel at Caltech)
Spectre de la galaxie Messier M82 (source : Herschel at Caltech)



Mais on lui doit aussi la détection de vapeur d'eau au voisinage de la planète naine Cérès -chère au cœur des mathématiciens, puisque c'est pour la retrouver dans le ciel, après sa découverte par Piazzi et sa "perte" derrière le soleil, que Gauss inventa sa fameuse Méthode des Moindres Carrés. Ce spectromètre, le voici:



le spectromètre à TF, SPIRE, avec son capot...
(source : Agence Spatiale Canadienne)
... et sans!
(source : Wikimedia Commons)
place de SPIRE dans lensemble Herschel
(source : Agence Spatiale Canadienne)

L'Observatoire Volant SOFIA





Solution d'observation originale, la NASA a modifié un Boeing 747 pour en faire un téléscope volant. Il opèr dans la stratosphère, à 13000m d'altitude, et "regarde" l'univers à l'aide d'un téléscope pour qui un panneau coulissant latéral a été spécialement aménagé; Prouesse technique (indispensable!), il est totalement isolé des vibrations de l'avion! Plusieurs instruments peuvent s'y connecter, dont le spectromètre à transformée de Fourier GREAT (German REceiver for Astronomy at Terahertz frequencies) développé à l'Institut Max Planck pour la Radio Astronomie de Bonn (RFA).

Projet Germano-Américain, SOFIA est opérationnel depuis 2014, pour une durée prévue de 20 ans.
ci-contre: le 747 raccourci et sa trappe d'observation de l'univers (source: NASA)
Quel intérêt? Il est double.

D'une part, cela donne une mobilité inédite à l'observatoire: c'est ainsi qu'il a pu se rendre au point optimal pour "admirer" l'occultation d'une étoile lointaine par Pluton.

D'autre part, sa très haute altitude le rend plus performant que tout observatoire au sol; la figure montre que des longueurs d"onde quasiment absorbées par l'atmosphère dans un des meilleurs observatoires de Hawaï le sont nettement moins quand on travaille avec SOFIA.

Sources:




Et dedans, c'est comment? Dans sa partie animation (elle inclut aussi des séquences réelles), une petite vidéo vous le fait voir



La salle de contôle; au fond, côté queue, la séoparation acvec le compartiment du téléscope.
la séparation des deux compartiments; le volet latéral dans le fuselage est présenté ouvert.
(source : cette vidéo d'aeronewstv sur U-Tube)


Et "en vrai?", direz vous...

Les deux images ci-contre vous le font voir:
- la première montre l'appareil en cours d'équipement;: tous les sièges passagers ont été enlevés, sauf quelques-uns, retournés pour aménager le poste de contrôle. On distingue bien, à l'arrière, la partie bleue, fixe, de l'interface entre le téléscope et les différents appareils que l'on va monter et démonter dessus au fil des expériences successives lors d'un vol.

- la seconde est un cliché pris en opérations: un instrument est installé (tout ce qui n'est pas bleu! Essentiellement gris argenté); les chercheurs contrôlent les opérations depuis les ordinateurs.


(source : blog The Curious Astronomer)


l'équipe  au travail (source: NASA)

Il est désormais grand temps de vous montrer, installé, le spectroscope à TF  GREAT !


On voit deux "boîtes" couleur métal distinctes; celle qui est aucentre, dans l'axe du cylindre bleu (sortie du téléscope); est l'interféromètre.

Il est relié par les câbles bleus foncés au processeur FFT à droite, "à 14h", comme diraient les aviateurs.


 
(source: NASA/SOFIA)

Un autre bref film, SOFIA - the largest airborne observatory in the world , livre un tour d'horizon de l'avion et du travail à bord.
Petite plongée dans le cœur fouriériste de l'appareil (source: High -Resolution Wide-Band Fast Dourier Transform Spectrometers, 2012 )



Circuit XFFTS pour le calcul des transformées de Fourier rapides.
Il permet d'analyser simiultanément une largeur de ba,de de 2,5 GHz sur 2 canaux de spectre.


Boîtier de 19" (environ 50 cm) contenant 8 circuits XFFTS.

Sa conception modulaire permet de combiner plusieurs boîtiers afin d'obtenir l'équivalent d'un spectromètre à  FFT à large bande d'étude.

GREAT, architecture générale

un exemple de résultat: détection d'oxyde de deutérium OD (pic dà 1397,5GHz)
GREAT trouve ainsi l'empreinte de procédés d'apparition de l'eau à des fréquences hors d'atteinte des autres observatoires.
(source : The Case for SOFIA )

The Science Vision for SOFIA est une ressource complémentaire très détaillée, à télécharger. (Concerne lensemble du projet, pas uniquement le spectromètre GREAT)

Retour au Sol... toujours pour admirer les Étoiles

C'est là que la spectographie infrarouge à transformée de Fourier a commecncé, avec Pierre Connes (voir cette page); c'est là aussi qu'elle se poursuit encore aujourd'hui, dans les grands onbservatoires de la planète. Le site de Hawaï a été évoqué dès le début de cette page, en précisant qu'il accueillait plusieurs installations. Parmi elles, le Téléscope Franco-Canadien de Hawaï (alias TFCH) est équipé de SITELLE, acronyme du Spectromètre Imageur à Transformée de Fourier pour l'Etude en Long/Large des raies d'Emission. (Oui, l'imagination est fertile, chez les Astrophysiciens!).



SITELLE et sa boîte de contrôle
(source : TFCH)
montée sur le TFCH à Hawaï
(source: article de F. Flaser & alias)


De la théorie à la pratique, cela se complique parfois un peu!
Les schémas d'étude de l'interféromètre de Michelson présentent toujours des rayons, tombant sur la lame séparatrice à 45°, faisant entre eux angle droit bissecté par al lame (voir notre rappel à la page Spectroscopie). Ainsi, une partie de la lumière incidente revient vers la source; et si cela est sans conséquence pour un puissant laser de laboratoire, cela complique la collecte avec une source aussi ténue que le rayonnement astronomique. C'est pourquoi les concepteurs de SITELLE ont fait entrer le faisceau incident avec un angle, ce qui en sépare entièrement le faisceau de sortie.

 



schéma général de l'instrument
(source: SITELLE, a Primer, sur le site de l'observatoire)
vue sur les deux sorties
(source: SITELLE News)


Le document SITELLE, a Primer présente également -profitons en!- la manière de travailler s'un IRFTS: les données d'un cube spatial (pris dans le Rémanant de Cassiopée A sur cette image) sont tritées en calculant un spectre pour chaque pixel du détecteur. La figure illustre le procédé avec deux pixels et leurs spectres respectifs. Ces résultats peuvent ensuite être assemblés pour obtenir les résultats par zone.
Le site web dédié à SITELLE regorge d'informations, et, outre le Primer (document introductif de base) dont est extrait le schéma, possède une autre page, Fourier Trransform Spectroscopy, qui rappelle toutes les bases physiques et mathématiques du sujet.


Autre article de présentation: 

SITELLE: An Imaging Fourier Transform Spectrometer for the Canada-France-Hawaii Telescope



 Pour finir à son sujet, pourquoi pas un peu de rêve: un des objets célestes que SITELLE fixe de son regard spectral, c'est la Nébuleuse de l'Aigle, avec, en son centre, les fameux Piliers de la Création immortalisés par le téléscople Hubble...



(sources: Wikimedia Commons / ESO) (sources: Wikimedia Commons / NASA)


Revenir au sol
, c'est aussi conclure, avec ce ce tableau de la Spectroscopie par Transformée de Fourier que dresssaient en 1984, à peine 10 ans après la première "rétrospective" par son inventeur, le "génial bricoleur"  Pierre Connes, deux spécialistes du Kitt Peak National Observatory (Tucson, Arizona)

"La Spectroscopie par Transformée de Fourier (FTS) a rejoint les rangs de ce petit nombre d'instruments spectroscopiques généralistes à haute performance dont disposent aujourd'hui les astronomes (...]
Voilà à peine plus d'une décennie que Pierre Connes donnait ici même un état de l'art de la spectroscopie de Fourier. Il remarquait alors : «Le temps est désormais venu pour présenter un panorama de ce sujet ; car on peut raisonnablement espérer que, dans quelques années, il soit impossible de l'embrasser entièrement. » C'est exactement ce qui s'est passé, et il est impossible d'inclure ici tous les développements de ces 14 dernières années."


S.T. Ridgway, J.W.Brault., Astronomical Fourier Transform Spectroscopy Revisited
in Annual Reviews, NASA Astrophysics Data System, 1984



Qu'il soit permis au Mathouriste de s'abriter un peu à l'ombre de la prophétie avérée de Pierre Connes: il a sûrement oublié de mentionner d'autres exemples, aussi -sinon plus- intéressants que ceux qu'il a choisis. Puisse-t-il du moins avoir offert au lecteur une idée de l'actualité et de l'immense étendue contemporaine, en Astronomie et Astrophysique, du génial outil forgé par Fourier. Rien que dans ces domaines, car il ne faut bien sûr pas oublier de joindre à cette présence au XXIème siècle la détection des ondes gravitationnelles , celle des exoplanètes, et l'apport considérable au traitement de l'image, du minable petit selfie à l'imagerie médicale!


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