Instruments

HERSCHEL : Instruments

Le froid, une nécessité absolue pour l’observation dans les domaines infrarouge et sub-millimétrique

Afin de réduire la propre émission thermique des instruments qui crée une pollution indésirable, il est indispensable de les refroidir. Le satellite emporte ainsi une réserve de 2400 litres d’Hélium superfluide (état très particulier de l’Hélium à 1.8K dit Hélium deux). Elle permet de maintenir l’ensemble du plan focal à une température de -271 degrés Celsius, soit seulement 2 degrés au dessus du zéro absolu. La température des plans de détections est encore plus basse, 300 milli-degrés Kelvin, atteinte grâce à un dispositif très complexe de cryo-réfrigérateurs. Le plan instrumental a la particularité d’être posé sur la partie supérieure de cet ensemble et non immergé comme dans le cas du satellite ISO. (refroidi par simple contact).

Bien qu’Herschel emporte à son bord trois instruments, il s’agit essentiellement d’un satellite bicéphale : HIFI (Heterodyne Instrument for the Far Infrared) est un instrument de spectroscopie, alors que SPIRE (Spectral and Photometric Imaging REceiver) et PACS (Photodetector Array Camera and Spectrometer) sont deux instruments d’imagerie disposant d’une capacité limitée de spectroscopie intégrale de champ.

Les instruments de Herschel

• Le spectrographe HIFI

HIFI utilise la technologie dite hétérodyne pour capter le signal, c’est-à-dire que l’on utilise la nature d’onde électromagnétique des photons pour les capter via une antenne. L’avantage incontestable des instruments hétérodynes tient à leur capacité d’obtenir des résolutions spectrales énormes sans demander de système optique très complexe. Disposer d’une très haute résolution spectrale permet de détecter des raies très fines en les séparant clairement de leurs voisines et très faibles en maximisant le contraste entre la raie et le continuum sous-jacent. La très haute résolution permet également d’obtenir des informations très précises sur la vitesse de la source émettrice (par l’effet Doppler).
L’obtention d’une résolution spectrale très élevée a un prix en termes de sensibilité et de résolution spatiale relativement moyennes (en fait de résolution spatiale, HIFI ne dispose que d’un seul « pixel »). Les deux autres instruments équipant le plan focal, SPIRE et PACS, ont donc fait porter l’accent sur ces deux points au détriment cette fois de la résolution spectrale.

• Les caméras PACS et SPIRE

PACS et SPIRE utilisent la nature particulaire du photon pour le capter via son énergie, soit par des photoconducteurs, soit par des bolomètres. PACS et SPIRE sont conceptuellement similaires. Ils comportent tous les deux une voie d’imagerie, une caméra en quelque sorte, munie de trois filtres à large bande passante. Grâce à des lames séparatrices, on mesure simultanément deux bandes pour PACS et les trois bandes pour SPIRE. Dans les deux cas, la détection est assurée par un plan focal constitué de bolomètres.

• SPIRE

Pour SPIRE, il s’agit de bolomètres relativement classiques puisqu’on retrouve le même principe dans les instruments SCUBA ou MAMBO qui équipent des télescopes à Hawaii ou en Espagne. Ces bolomètres sont construits à l’unité et assemblés dans le plan focal derrière une matrice de guides d’onde qui sert à fournir la sélection directionnelle du détecteur ainsi qu’à favoriser l’absorption du rayonnement. Ces guides d’onde sont relativement encombrants et interdisent de disposer les bolomètres de façon compacte dans le plan focal. Celui-ci est donc sous-échantillonné et des techniques d’observations spécifiques, coûteuses en temps et complexes à analyser, doivent être mises en place.

• PACS

La caméra de PACS est, en un sens, révolutionnaire. En effet il s’agit du premier plan focal de bolomètres qui puisse véritablement prétendre au nom de caméra. Ici les bolomètres sont réalisés en série, par matrices de 16×16 pixels aboutables sur trois de leurs côtés. Chaque pixel est gravé dans une plaque de silicium. Cette plaque est jointe à un circuit de lecture via des contacts en Indium, une technologie héritée d’ISOCAM, circuit qui permet aussi la réalisation d’une cavité quart d’onde sous chaque pixel, maximisant ainsi l’absorption du rayonnement. La séparation entre chaque pixel est de moins d’1/10ème de pixel ce qui permet un échantillonnage complet du plan focal. De plus le circuit de lecture est multiplexé, on n’a besoin que d’une seule voie de lecture pour accéder aux signaux de 16 pixels différents. Ainsi le détecteur courte longueur d’onde de PACS constitue, avec ses 2048 pixels, la plus grande caméra de bolomètres disponible actuellement.

SPIRE et PACS sont aussi dotés d’une voie de spectroscopie intégrale de champ. Cette technique permet d’obtenir un spectre pour chaque point du plan focal de l’instrument. On dispose donc d’une information spectrale et spatiale sur l’objet observé. Évidemment, la résolution spectrale atteinte est nettement plus faible qu’avec un spectromètre, mais l’information spatiale est souvent nécessaire si l’on veut déchiffrer la nature des sources célestes. Dans SPIRE, on utilise un spectromètre à transformée de Fourier couplé à un plan de bolomètres à guide d’onde, alors que PACS a fait le choix plus classique d’un spectromètre à réseau couplé à une matrice de photoconducteurs.