Les télescopes sur ballons pourraient changer la donne pour l’astronomie

Lorsque vous pensez à de nouveaux concepts de lancement spatial innovants, vous pensez probablement à des fusées comme le vaisseau spatial de SpaceX ou le système de lancement spatial de la NASA transportant des télescopes ou des explorateurs robotiques en orbite et au-delà. Et certainement, les fusées sont là pour rester, restant le principal moyen de transporter des choses au-delà de la gravité terrestre. Cependant, une option alternative et moins chère pourrait provenir d'une forme de technologie beaucoup plus ancienne : les ballons.

Des ballons remplis d'air chaud ou de gaz ont été levés dans le ciel pendant des siècles, avec des enregistrements de l'ancienne armée chinoise utilisant des ballons pour la signalisation dès le 3ème siècle après JC , et des vols en ballon avec équipage commençant en Europe dans les années 1780 . Et ils ont également été utilisés dans la recherche en astronomie, comme le projet américain Stargazer des années 1960 qui a envoyé deux hommes et un télescope à 82 000 pieds (25 kilomètres) dans les airs dans un ballon à haute altitude pour observer les étoiles.

Aujourd'hui, les récents développements de la technologie des ballons de la NASA signifient que les ballons peuvent à nouveau prouver leur valeur pour des projets d'astronomie de pointe, transportant des télescopes de haute technologie dans l'atmosphère d'où ils peuvent observer le cosmos. Nous avons parlé à l'un des chercheurs travaillant sur une nouvelle génération de télescopes à ballon, Mohamed Shaaban de l'Université de Toronto, pour savoir comment cette ancienne technologie est mise à profit.

Haut, haut et loin

Pour comprendre pourquoi les ballons ont un si grand potentiel d'utilisation dans les missions de télescope, vous devez d'abord comprendre pourquoi nous envoyons des télescopes en orbite. Bien qu'il existe de nombreux télescopes situés au sol qui font un travail remarquable, si vous voulez regarder des objets très éloignés, vous devez tenir compte des problèmes causés par l'atmosphère terrestre.

Le gros problème est la vapeur d'eau dans l'atmosphère, qui brouille les images prises par les télescopes au sol. C'est pourquoi les télescopes sont souvent placés dans des endroits très secs et à très haute altitude, comme le Mauna Kea à Hawaii ou le désert d'Atacama au Chili. Mais la meilleure solution est de regarder les objets éloignés depuis le dessus de l'atmosphère, d'où la mise en orbite de télescopes comme Hubble.

Traditionnellement, si vous voulez placer un télescope au-dessus de l'atmosphère, vous l'envoyez en orbite sur une fusée. C'est cher et pas facile à faire – et il est extrêmement coûteux de résoudre tous les problèmes qui surviennent et nécessitent un remplacement de matériel – mais c'est une méthode très fiable pour éviter l'atmosphère terrestre.

Les ballons, en revanche, sont utilisés dans la recherche scientifique depuis des décennies, généralement au-dessus de l'Antarctique. Le problème avec l'utilisation de ballons pour les télescopes jusqu'à présent était une question de lumière. La plupart des ballons scientifiques sont lancés en Antarctique car le matériel de recherche est généralement alimenté par des panneaux solaires, qui ne peuvent fonctionner que pendant les heures de clarté, et l'Antarctique a une lumière du jour de 24 heures pendant son été. Mais cela signifie que vous êtes limité au type de recherche qui peut être effectué pendant la journée, ce qui n'est pas idéal pour les télescopes.

Mais les ballons nouvellement développés par la NASA, appelés ballons à super-pression , peuvent fonctionner dans la région des latitudes moyennes de la Terre et fonctionner pendant les cycles de jour et de nuit. "Pour la première fois, nous pourrons faire de la science nocturne [avec des ballons]", déclare Shaaban, ce qui ouvre la porte à toute une gamme de projets d'astronomie.

Un nouveau type de ballon

Les ballons présentent de grands avantages en tant que méthode de transport des télescopes. Premièrement, le lancement d'un ballon est extrêmement moins cher que le lancement d'une fusée. De plus, vous pouvez très facilement ramener un télescope sur Terre, puis le relancer, donc si vous devez effectuer une maintenance, c'est relativement facile. C'est un gros problème si l'on considère à quel point il était difficile et complexe d' effectuer la maintenance du télescope Hubble lorsqu'il a rencontré des problèmes matériels peu de temps après son lancement en 1990.

"Avec la montgolfière, la beauté est que vous avez des lancements récupérables", a déclaré Shabaan. « Donc, vous lancez le système plusieurs fois. Donc, vous assemblez quelque chose, et cela n'a pas à fonctionner la première fois – parce que vous allez le lancer pendant une seule nuit pour le tester, puis le démonter et le réitérer. Vous n'avez donc pas besoin de la structure de test très agressive dont vous avez besoin pour les [missions] orbitales.

Ce sont ces tests complexes qui font grimper le prix des missions orbitales. S'assurer que chaque élément matériel fonctionne dès le départ, que tout a plusieurs redondances et que toutes ces redondances fonctionnent également les unes avec les autres – c'est ce qui peut faire monter en flèche les budgets des projets spatiaux.

Avec la montgolfière, il est plus facile d'itérer et d'ajuster la conception matérielle au fur et à mesure. Et si vous envoyez un ballon assez haut sur les bords de l'atmosphère, vous obtenez presque tous les avantages de réduction de la vapeur d'eau d'être en orbite.

Les ballons traditionnels, appelés ballons à pression nulle, fonctionnent en évacuant le gaz lorsque le soleil se lève et fait gonfler le gaz. Lorsque le soleil se couche, le gaz se contracte et le ballon descend également. Les nouveaux ballons à super-pression fonctionnent en gardant le gaz contenu, même lorsqu'il se dilate. Parce qu'il n'est pas ventilé, le ballon peut rester en l'air lorsque le soleil se couche, ce qui lui permet de continuer à fonctionner la nuit pendant des mois. Le ballon à super pression de la NASA devrait durer entre 30 et 100 nuits de fonctionnement, par rapport aux quelques jours qui étaient possibles auparavant.

Un télescope porté par un ballon

C'est cette nouvelle classe de ballons de la NASA que Shabaan et ses collègues utilisent dans leur projet de télescope. Ils ont un projet appelé SuperBIT qui maintiendra un télescope en l'air et pointant dans la bonne direction à l'aide d'un logiciel autonome sophistiqué. En détectant les mouvements infimes du ballon et en les compensant automatiquement, leur télescope peut observer les étoiles avec un niveau de détail sans précédent pour une mission en ballon.

La question de garder le télescope pointé dans une direction est cruciale pour des observations précises, et c'est quelque chose que SuperBIT a une approche unique. Le télescope se trouve dans un cadre extérieur, un cadre central et un cadre intérieur, chacun se déplaçant sur un axe différent : lacet, tangage et roulis. En combinaison, ceux-ci permettent au télescope de pointer n'importe où dans le ciel. "Cela signifie que si je ressens un mouvement, je peux le défaire en me déplaçant dans l'une de ces trois directions", a expliqué Shaaban.

Cela fournit un niveau de stabilité de base, mais pour des lectures vraiment précises, il doit être encore plus stable. À l'intérieur du télescope se trouve un miroir qui peut se déplacer à une vitesse extrêmement rapide de 50 mouvements par seconde. Lorsque la lumière pénètre dans le télescope et semble trembler à cause des très légers mouvements du télescope, le miroir s'ajuste à ce mouvement de sorte qu'il arrive sans secouer au capteur. Les mouvements que le miroir doit effectuer sont calculés à l'aide de données provenant de capteurs répartis sur tout le télescope, de sorte que le télescope peut se stabiliser de manière entièrement autonome.

Et ces corrections pour les petits mouvements ne sont pas effectuées à l'aide de propulseurs, ce qui nécessiterait du carburant. Au lieu de cela, ils sont fabriqués en tirant parti de la taille du ballon lui-même, a expliqué Shaaban: «La façon dont SuperBIT fonctionne est qu'il détectera ces mouvements et qu'il aura des moteurs qui se tordent contre le ballon pour annuler ces mouvements, ce qui signifie qu'il est fondamentalement prendre l'élan et le jeter dans le ballon. Mais le ballon est si gros que c'est comme verser une tasse d'eau dans l'océan. Le niveau de l'océan ne montera pas. Les moteurs fonctionnent à l'électricité, qui provient de batteries chargées à partir de panneaux solaires, il n'y a donc pas de carburant à craindre.

Le résultat de tout cela est un ballon qui peut se verrouiller sur une direction du ciel pour observer avec un haut niveau de précision. "Vous dites à SuperBIT de pointer et ça pointe", a déclaré Shaaban. « Il examinera une chose et la suivra. Cela garantira que, du point de vue de la caméra, cette chose ne bouge pas de plus de 20 millisecondes d'arc », a-t-il expliqué. Cela fait de SuperBIT le tout premier télescope non spatial à être limité par la diffraction, car il est à la fois au-dessus de l'atmosphère et la quantité de gigue dans les lectures est pratiquement nulle, ce qui en fait un outil scientifique puissant.

Comment faire voler un télescope attaché à un ballon

C'est comme ça qu'on vise un télescope depuis un ballon. Mais qu'en est-il du déplacement du ballon lui-même ? En ce qui concerne les ballons, les amener exactement là où vous le souhaitez peut être un défi. "C'est difficile de diriger exactement, mais c'est relativement facile à diriger", a expliqué Shaaban. C'est parce que vous pouvez utiliser des modèles météorologiques pour trouver les vents qui soufflent dans la direction où vous voulez aller et vous déplacer dans ces courants en ajustant l'altitude. Cela vous permet de déplacer un ballon à peu près dans la direction dans laquelle vous en avez besoin.

Cependant, la direction devient beaucoup plus difficile lorsque la charge transportée est très lourde, comme un télescope. Mais heureusement, la plupart des applications scientifiques ne nécessitent pas qu'un ballon se trouve dans une position particulière sur la Terre – l'altitude qu'il atteint est bien plus importante. La seule préoccupation pour ce genre de missions est que les opérateurs doivent éviter de faire voyager le ballon au-dessus de zones peuplées pour la sécurité publique.

Le ballon se dirige vers une altitude comprise entre 35 et 40 kilomètres (20 à 25 miles), dans une région de l'atmosphère appelée la stratosphère. Pour référence, c'est au-dessus de l'endroit où les avions volent mais en dessous de l'endroit où des satellites comme les constellations Starlink de SpaceX se trouvent en orbite terrestre très basse. C'est assez haut pour voir la courbure de la planète mais pas si haut que vous voyez la Terre entière. Ce n'est pas l'environnement le plus invitant — il fait froid, entre -30 et -40 °C (-22 et -40 °F), mais pas aussi froid que l'espace orbital. Et il y a aussi des radiations gênantes, bien qu'elles ne soient pas aussi graves qu'en orbite. Ainsi, les considérations d'ingénierie ne sont pas différentes de la conception de missions orbitales, a déclaré Shaaban : "C'est l'espace, mais différent en ce qui concerne les défis auxquels nous sommes confrontés."

Il y a un autre défi qui découle du fait que les télescopes sont récupérables : si vous souhaitez récupérer une charge de ballon et la réutiliser, vous ne voudriez pas que votre télescope soit jeté dans un endroit difficile d'accès. Au cours des vols d'essai de SuperBIT, l'équipe a soigneusement choisi sa base d'opérations, se lançant soit en Palestine, au Texas, soit à Timmins, en Ontario, toutes deux entourées de vastes étendues de terres inhabitées mais faciles à récupérer.

Quant à l'atterrissage d'un ballon, cela peut être un parcours cahoteux. "Nous faisons littéralement éclater le ballon", a déclaré Shaaban. « Le ballon éclate, puis vous lancez un parachute. C'est un peu comme une mission de parachutisme. Pour amortir le choc de l'atterrissage lors des tests du matériel SuperBIT, l'équipe a ajouté des crash pads au télescope pour absorber une partie de l'élan. Parfois, ils ont eu de la chance et le télescope a atterri de sa descente spectaculaire relativement indemne. Mais d'autres fois, le matériel a été sérieusement endommagé lors de l'atterrissage.

Même un télescope gravement endommagé n'est pas la fin du monde, car le réparer est toujours moins cher que de construire un nouveau télescope à partir de zéro. "La remise à neuf d'une mission détruite à l'atterrissage est nettement moins chère que de la tester pour qu'elle fonctionne du premier coup", a-t-il expliqué.

S'il y a un message général à retenir de cela, c'est que tester le matériel spatial avec les degrés de précision nécessaires face à des conditions potentiellement inconnues et extrêmes coûte vraiment très cher. Il y a un grand avantage à toute méthode qui vous permettra de lancer des missions et d'itérer au fur et à mesure que des problèmes surgissent, au lieu de faire face à la tâche impossible d'essayer de prédire et d'autoriser tout problème éventuel.

"Il est vraiment, vraiment, vraiment difficile de simuler des environnements [spatiaux] à faible coût", a souligné Shaaban. "Mais il s'avère que c'est bon marché et facile d'aller dans ces environnements, quand il s'agit de monter en montgolfière."

SuperBIT et au-delà

SuperBIT a déjà effectué plusieurs vols d'essai et se prépare pour des vols scientifiques, qui ont malheureusement été retardés par la pandémie. Mais ce télescope n'est qu'un début : le véritable objectif du projet est son successeur, provisoirement intitulé GigaBIT.

"SuperBIT est une expérience pionnière", a déclaré Shaaban. L'objectif à long terme de la recherche est de créer le télescope à la plus haute résolution pouvant être piloté sur un ballon à super pression, afin de répondre à la demande des astronomes en matière d'imagerie haute résolution à travers la lumière visible et les longueurs d'onde proches de l'ultraviolet à un coût bien inférieur. .

C'est nécessaire parce que les télescopes comme Hubble sont extrêmement sursouscrits, ce qui signifie que beaucoup plus de projets veulent les utiliser qu'il n'est possible de leur accorder du temps d'observation. L'équipe construit donc un télescope plus puissant pour répondre à ce besoin. Le matériel de base sera similaire à SuperBIT, mais le télescope sera plus grand pour fournir une imagerie à plus haute résolution. Pour maintenir le poids tout en ajoutant un télescope plus grand, comme SuperBIT est déjà à la masse maximale que le ballon peut transporter, GigaBIT utilisera différents matériaux comme la fibre de carbone à la place de l'aluminium.

Si une série de ballons pouvait transporter des télescopes à haute résolution comme celui-ci, et être régulièrement lancés et atterris selon les besoins, ce serait une aide inestimable pour les astronomes du monde entier.

Cela ne veut pas dire qu'ils cherchent à rendre obsolètes des télescopes comme Hubble, a déclaré Shaaban : « Hubble a une résolution nettement plus élevée que SuperBIT, mais aussi un champ de vision nettement plus petit. Donc ce n'est ni mieux ni moins bien, c'est juste différent. Il a un ensemble complètement différent de questions scientifiques auxquelles il peut répondre.

Avec tout le potentiel des télescopes basés sur des ballons, vous pourriez vous attendre à ce que ses partisans les présentent comme supérieurs aux télescopes spatiaux comme Hubble. Mais ce n'est pas du tout le cas avec Shaaban – au lieu de cela, il a souligné le potentiel de collaborations entre les instruments basés au sol, basés sur des ballons et basés dans l'espace.

Faire décoller des télescopes basés sur des ballons signifie que davantage de recherches peuvent être effectuées, et cela profite à tous les membres de la communauté astronomique. "La beauté de l'astronomie", a déclaré Shaaban, "en plus d'être une entreprise si phénoménale et humiliante, c'est qu'elle est incroyablement collaborative."