Après près de 16 ans d'exploration du cosmos en lumière infrarouge, Le télescope spatial Spitzer de la NASA sera éteint définitivement le 30 janvier 2020. D'ici là, le vaisseau spatial aura fonctionné pendant plus de 11 ans au-delà de sa mission principale, grâce à la capacité de l'équipe d'ingénierie de Spitzer à relever des défis uniques alors que le télescope s'éloigne de plus en plus de la Terre.

Géré et exploité par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie, Spitzer est un petit observatoire transformationnel. Il capte la lumière infrarouge, qui est souvent émis par des objets "chauds" qui ne sont pas assez chauds pour émettre de la lumière visible. Spitzer a levé le voile sur les objets cachés dans presque tous les coins de l'univers, d'un nouvel anneau autour de Saturne aux observations de certaines des galaxies les plus lointaines connues. Il a espionné les étoiles à chaque étape de la vie, cartographié notre galaxie natale, capturé de magnifiques images de nébuleuses et sondé des planètes nouvellement découvertes en orbite autour d'étoiles lointaines.

Mais en tant que chef de mission adjoint de Spitzer, Joseph Chasse, mentionné, "Vous pouvez avoir un vaisseau spatial de classe mondiale, mais cela ne veut rien dire si vous ne pouvez pas récupérer les données chez vous."

Spitzer orbite autour du Soleil sur une trajectoire similaire à celle de la Terre mais se déplace légèrement plus lentement. Aujourd'hui, il traîne à environ 158 millions de miles (254 millions de kilomètres) derrière notre planète, soit plus de 600 fois la distance entre la Terre et la Lune. Cette distance, avec la courbe de l'orbite de Spitzer, signifie que lorsque l'engin spatial pointe son antenne fixe vers la Terre pour télécharger des données ou recevoir des commandes, ses panneaux solaires s'inclinent loin du Soleil. Pendant ces périodes, le vaisseau spatial doit s'appuyer sur une combinaison d'énergie solaire et de batterie pour fonctionner.

L'angle auquel les panneaux pointent par rapport au Soleil a augmenté chaque année pendant laquelle la mission a fonctionné. Ces jours, communiquer avec la Terre, Spitzer doit positionner ses panneaux à un angle de 53 degrés par rapport au soleil (90 degrés seraient complètement tournés vers l'extérieur), même si les planificateurs de la mission n'ont jamais prévu qu'il s'incline de plus de 30 degrés par rapport au Soleil. Spitzer peut communiquer avec la Terre pendant environ 2,5 heures avant de devoir retourner ses panneaux solaires vers le Soleil pour recharger ses batteries. Cette fenêtre de communication se raccourcirait d'année en année si Spitzer continuait à fonctionner, ce qui signifie qu'il y a une limite à la durée pendant laquelle il serait possible de faire fonctionner efficacement le vaisseau spatial.

Un effort durable

Apprendre au vaisseau spatial à accepter de nouvelles conditions, telles que l'angle croissant des panneaux solaires lors des communications avec la Terre, n'est pas aussi simple que d'actionner un interrupteur. Ces changements pourraient déclencher des mécanismes de sécurité dans le logiciel de vol du vaisseau spatial de plusieurs manières. Par exemple, si les panneaux s'inclinaient de plus de 30 degrés par rapport au Soleil pendant les premières années de la mission, le logiciel aurait tapé "pause, " mettre le vaisseau spatial en "mode sans échec" jusqu'à ce que l'équipe de mission puisse comprendre ce qui n'allait pas. Le changement d'angle de Spitzer par rapport au Soleil pourrait également déclencher des mécanismes de sécurité destinés à empêcher la surchauffe des pièces du vaisseau spatial.

L'entrée en mode sans échec peut être particulièrement dangereuse pour le vaisseau spatial, à la fois en raison de sa distance croissante par rapport à la Terre (ce qui rend la communication plus difficile) et parce que les systèmes embarqués vieillissants pourraient ne pas redémarrer une fois éteints.

Pour faire face à ces défis, les ingénieurs de projet et les scientifiques du JPL et de Caltech ont travaillé avec l'équipe d'ingénierie de l'observatoire à Littleton de Lockheed Martin Space, Colorado, facilité pour trouver une voie à suivre. (Lockheed Martin a construit le vaisseau spatial Spitzer pour la NASA.) Bolinda Kahr, le chef de mission de Spitzer, dirige cette équipe multicentrique. Au fil des ans, elle et ses collègues ont réussi à trouver comment contourner les mécanismes de sécurité conçus pour la mission principale tout en veillant à ce que de telles modifications n'introduisent pas d'autres effets secondaires indésirables.

Mais à mesure que Spitzer vieillit et s'éloigne de la Terre, le défi de maintenir le vaisseau spatial en fonctionnement et le risque qu'il subisse une anomalie majeure ne font qu'augmenter.

"Je peux sincèrement dire que personne impliqué dans la planification de la mission n'a pensé que nous serions en place en 2019, " a déclaré Lisa Storrie-Lombardi, Chef de projet de Spitzer. "Mais nous avons un vaisseau spatial incroyablement robuste et une équipe incroyable. Et nous avons eu de la chance. Vous devez avoir de la chance, car on ne peut pas tout anticiper."

Rester au frais

La plupart des détecteurs infrarouges doivent être refroidis à des températures très basses, because excess infrared light from "warm" objects—including the Sun, Terre, the spacecraft and even the instruments themselves—can overwhelm the infrared sensors. This cooling is typically done with a chemical coolant.

The Spitzer planners instead came up with a passive-cooling system that included flying the spacecraft far from Earth (a major infrared heat source). They also chose materials for the spacecraft exterior that would both reflect sunlight away before it could heat the telescope and radiate absorbed heat back into space. Dans cette configuration, coolant is required only to lower the instrument temperatures a few degrees further. Reducing the onboard coolant supply also drastically allowed the engineers to cut the total size of the spacecraft by more than 80% and helped curtail the anticipated mission budget by more than 75%.

Although Spitzer's coolant supply ran out in 2009, rendering two of its three instruments unusable, the team was able to keep half of the remaining instrument operating. (The instrument was designed to detect four wavelengths of infrared light; in the "warm" mode, it can still detect two of them.)

Lasting more than twice as long as the primary mission, Spitzer's extended mission has yielded some of the observatory's most transformational results. En 2017, the telescope revealed the presence of seven rocky planets around the TRAPPIST-1 star. Dans de nombreux cas, Spitzer's exoplanet observations were combined with observations by other missions, including NASA's Kepler and Hubble space telescopes.

Spitzer's final year and a half of science operations include a number of exoplanet-related investigations. One program will investigate 15 dwarf stars (similar to the TRAPPIST-1 star) likely to host exoplanets. An additional 650 hours are dedicated to follow-up observations of planets discovered by NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), which launched just over a year ago.

Final Voyage

Every mission must end at some point. As the challenges associated with operating Spitzer continue to grow and as the risk of a mission-ending anomaly on the spacecraft rises, NASA has made the decision to close out the mission in a controlled manner.

"There have been times when the Spitzer mission could have ended in a way we didn't plan for, " said Kahr. "I'm glad that in January we'll be able to retire the spacecraft deliberately, the way we want to do it."

While Spitzer's mission is ending, it has helped set the stage for NASA's James Webb Space Telescope, set to launch in 2021, which will study the universe in many of the same wavelengths observed by Spitzer. Webb's primary mirror is about 7.5 times larger than Spitzer's mirror, meaning Webb will be able to study many of the same targets in much higher resolution and objects much farther away from Earth than what Spitzer can observe.

Thirteen science programs have already been selected for Webb's first five months of operations, four of which build directly on Spitzer observations. Webb will greatly expand on the legacy begun by Spitzer and answer questions that Spitzer has only begun to investigate.