Le programme des Grands Observatoires de la NASA comprend quatre grands et puissants télescopes spatiaux lancés entre 1990 et 2003, qui couvrent des régions différentes du spectre électromagnétique. : Hubble (spectre visible et proche infrarouge), (rayonnement gamma), Chandra (rayons X mous) et Spitzer (infrarouge). La même taille et le même budget sont initialement alloués aux quatre projets, et chacun d'entre eux apporte des contributions substantielles à l'astronomie.
Grands Observatoires
Les quatre grands instruments du programme sont : le télescope spatial Hubble (en anglais : , en abrégé HST) observe essentiellement dans le spectre visible et l'ultraviolet proche, typiquement entre 300 et 400 nanomètres (nm) de longueur d'onde. Une mission d'entretien en 1997 l'équipe de dispositifs permettant l'accès au proche infrarouge (750 à ), et une dernière mission en 2009 doit le remettre en état pour étendre sa durée de vie, laquelle donne jusqu'ici des résultats extrêmement probants. Il est lancé en 1990 par la navette spatiale Discovery, lors de la mission STS-31 ; le (CGRO) observe essentiellement le rayonnement gamma (< 10 picomètres), bien qu'il reçoive ensuite un dispositif complémentaire lui permettant d'observer la gamme des rayons X durs (10 à 100 pm). Il est lancé en 1991 par la mission STS-37 de la navette Atlantis. En 2000, une panne d'un de ses gyroscope cause la perte de son orbite ; le télescope spatial Chandra (CXO) observe essentiellement dans la gamme des rayons X mous (). Lancé en 1999 à bord de la navette Columbia, mission STS-93, il s'appelle à l'origine (AXAF) ; le télescope spatial Spitzer (SST) observe le spectre infrarouge, de à . Il est lancé en 2003 à bord d'un lanceur Delta II et est auparavant baptisé (SIRTF).
De ces quatre observatoires, deux ne sont plus en service aujourd'hui. L'un des gyroscopes de Compton est tombé en panne et la NASA lui transmet l'ordre de quitter son orbite le . Les parties qui résistent à la rentrée dans l'atmosphère terrestre disparaissent dans l'océan Pacifique. Le second, Spitzer, bien que toujours fonctionnel, a été abandonné par la NASA le : il s'éloigne de plus en plus de la Terre, rendant de plus en plus difficiles les communications en raison de l'orientation de plus en plus défavorable de ses panneaux solaires pendant le positionnement de ses antennes. Par ailleurs, Hubble doit à l'origine être récupéré et ramené sur Terre par la navette spatiale, mais ce projet est ensuite abandonné. En revanche, le télescope fait l'objet de cinq missions d'entretien à l'aide de la navette. Le , Michael Griffin, l'administrateur de la NASA, donne le feu vert pour une ultime mission de rénovation. La mission STS-125 de 11 jours de la navette Atlantis, lancée le ., installe des accumulateurs neufs, remplace tous ses gyroscopes et installe la caméra à large champ numéro 3 (WFC3) et un spectrographe des origines cosmiques (COS)..
Spitzer est l'unique Grand Observatoire à ne pas être lancé par la navette spatiale. C'est bien le mode de lancement initialement prévu, mais l'accident de la navette spatiale Challenger mène à l'interdiction des étages supérieurs des lanceurs de type Centaur LH2/LOX, nécessaires pour atteindre l'orbite héliocentrique. Les lanceurs Titan et Atlas sont interdits pour des raisons de coût. Après une refonte de sa conception et son allègement, il est finalement lancé par un lanceur .
Projets Dans le prolongement de ce programme, la NASA planifie les télescopes suivants : James Webb (JWST), initialement nommé (NGST), futur remplaçant de Hubble ; (SIM) ; (TPF).
Historique Le télescope optique Hubble L'histoire du télescope spatial Hubble remonte à 1946, lorsque l'astronome Lyman Spitzer écrit l'article L. Spitzer, Report to project RAND: Astronomical Advantages of an Extra-Terrestrial Observatory (« Avantages astronomiques d'un observatoire extraterrestre »), réédité dans Astr. Quarterly, volume 7, 1990, .. Spitzer consacre une partie importante de sa carrière à la promotion d'un télescope spatial.
Les missions (OAO), de 1966 à 1972, démontrent l'importance du rôle que peuvent jouer des observatoires situé dans l'espace. En 1968, la NASA développe la planification d'un télescope réflecteur doté d'un miroir de de diamètre. Provisoirement dénommé (« Grand télescope en orbite ») ou (LST, « Grand télescope spatial »), son lancement est escompté pour 1979 Lyman S. Spitzer, « History of the Space Telescope » (« Histoire du télescope spatial »), Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, vol. 20, 1979, .. En 1978, le Congrès américain approuve un budget définitif de 36 millions de dollars américains. La conception du LST peut alors commencer sérieusement, avec l'objectif d'un lancement en 1983. Au début des années 1980, le télescope est rebaptisé en l'honneur de l'astronome Edwin Hubble.
Le télescope gamma Compton Le rayonnement gamma est observé au-dessus de l'atmosphère par plusieurs missions spatiales. Durant son , en 1977, la NASA annonce des projets de construction d'un « grand observatoire » pour l'astronomie du rayonnement gamma. Le Gamma Ray Observatory (GRO), renommé Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO), est conçu pour mettre à profit des avancées majeures en matière de technologies des détecteurs des années 1980. Après 14 années d'efforts, le CGRO est lancé le ..
Le télescope X Chandra En 1976, deux astrophysiciens américains, Riccardo Giacconi et Harvey Tananbaum, proposent à la NASA l'idée du télescope spatial Chandra (alors appelé AXAF), observant dans le domaine du rayonnement X. Les travaux préliminaires commencent l'année suivante au centre de vol spatial Marshall (MSFC, pour ) et au (SAO). Dans l'intervalle, la NASA met en orbite le premier télescope X, l'observatoire Einstein (HEAO-2). Les travaux sur le projet Chandra se poursuivent dans les années 1980 et 1990. En 1992, pour réduire les coûts, la conception du vaisseau spatial est revue. On supprime quatre miroirs sur les douze prévus, ainsi que deux des six instruments scientifiques. L'orbite prévue pour Chandra est modifiée au profit d'une orbite elliptique, atteignant un tiers de la distance Terre-Lune au point le plus éloigné. Cette décision élimine toute possibilité d'amélioration ou de réparation par la navette spatiale mais permet de positionner l'observatoire au-delà de la ceinture de Van Allen sur la majeure partie de son orbite, la mettant ainsi à l'abri de ses radiations.
Le télescope infrarouge Spitzer Au début des années 1970, les astronomes commencent à considérer la possibilité de placer un télescope infrarouge au-dessus des effets assombrissant de l'atmosphère terrestre. La plupart des projets initiaux tablent sur des vols répétés à bord de la navette spatiale de la NASA. Cette approche remonte à une époque où l'on présume que la navette est capable de permettre des vols hebdomadaires sur des périodes allant jusqu'à 30 jours. En 1979, un rapport du National Research Council (Conseil national de la recherche) de l'Académie nationale des sciences américaine intitulé A Strategy for Space Astronomy and Astrophysics for the 1980s (Une stratégie pour l'astronomie et l'astrophysique spatiale pour les années 1980), identifie un Shuttle Infrared Telescope Facility (SIRTF) comme « une des deux installations majeures [à développer] pour Spacelab, » une plate-forme embarquée sur la navette.
Le lancement de l'Infrared Astronomical Satellite (IRAS), un satellite du programme Explorer, conçu pour mener le premier relevé infrarouge du ciel, amène à anticiper un instrument utilisant la technologie nouvelle en matière de détecteurs infrarouges. Vers , la NASA examine la « possibilité d'un vol autonome de longue durée de la mission SIRTF ». Le vol de Spacelab-2 à bord de STS-51-F en 1985 confirme que l'environnement de la navette ne convient pas à un télescope infrarouge embarqué et qu'un vol autonome est préférable. On modifie le premier mot dans le nom, et au lieu de (« navette ») on l'appela le , ce qui ne change pas l'acronyme...
Origine des Grands Observatoires Le concept de Grand Observatoire remonte au rapport . Ce rapport inventorie le travail préparatoire essentiel pour les Grands Observatoires, sous la direction de Peter Meyer (jusqu'à ) puis Harlan J. Smith (jusqu'à sa publication). Au milieu des années 1980, il est approfondi par les directeurs successifs de la Division astrophysique au siège de la NASA, y compris Frank Martin et Charlie Pellerin. Le programme des « Grands Observatoires » de la NASA utilise quatre satellites distincts, chacun conçu spécifiquement pour couvrir une partie différente du spectre de façon inaccessible aux systèmes fixés sur Terre. Cette perspective permet à la proposition d'observatoires X et infrarouge d'être à juste titre considérée comme la continuation d'un programme astronomique commencé avec Hubble et Compton Gamma-Ray Observatory plutôt que comme des concurrents ou des remplaçants..
Objectifs
Chaque Observatoire est conçu pour faire progresser l'état de l'Art (la technologie) dans le domaine de longueurs d'onde qui lui est dévolu. Comme l'atmosphère terrestre empêche les rayonnements X, gamma et infrarouge lointain d'atteindre la Terre, les missions spatiales sont essentielles pour les observatoires Compton, Chandra et Spitzer.
Hubble bénéficie également du survol de l'atmosphère : elle fait scintiller les objets très faiblement lumineux, diminuant la résolution spatiale (les objets brillants, au contraire, bénéficient d'une résolution bien meilleure depuis la Terre grâce aux techniques d'interférométrie).
Les plus grands télescopes terrestres n'ont atteint que récemment la résolution de Hubble pour les longueurs d'onde du proche-infrarouge des objets faiblement lumineux. Le fait d'être situé au-dessus de l'atmosphère permet de s'affranchir du problème de la lumière du ciel nocturne, ce qui permet à Hubble de faire des observations d'objets ultra-faibles. Les observatoires terrestres ne disposent d'aucun moyen de compenser ce rougeoiement sur les objets ultra-faibles, alors que les objets aussi faibles exigent des temps de pose interminables et inefficaces. Hubble peut également observer dans les longueurs d'onde ultraviolettes qui ne peuvent pas pénétrer l'atmosphère.
Compton observe dans le domaine gamma, qui ne peut pénétrer la basse atmosphère. Il est beaucoup plus grand que tous les instruments gamma embarqués sur les précédentes missions du programme HEAO, abordant des domaines d'exploration complètement nouveaux. Il dispose de quatre instruments couvrant le domaine d'énergie de 20 keV à 30 GeV, complémentaires les uns des autres du point de vue sensibilité, résolution et champ visuel. Les rayons gamma sont émis par différentes sources de hautes énergies et à hautes températures telles que les trous noirs, les pulsars et les supernovas.
Chandra non plus n'a pas de prédécesseur terrestre. Il prend la suite des trois satellites du programme HEAO, notamment l'observatoire Einstein de grande réussite, qui est le premier à démontrer la puissance de l'incidence rasante, donne une résolution spatiale d'un ordre de grandeur supérieur à celle des collimateurs (comparables aux optiques des télescopes), avec une amélioration considérable de la sensibilité. La grande taille de Chandra, son orbite élevée et la sensibilité de ses dispositifs à transfert de charges (CCD) permettent l'observation de très faibles sources X.