La semaine dernière, des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST), la National Aeronautics and Space Administration (NASA), le United States Geological Survey (USGS) et l'Université de Guelph ont envoyé un télescope au sommet du ciel, presque à l'espace lui-même. Le voyage était une mission de collecte de clair de lune qui a donné certaines des meilleures mesures jamais prises de la luminosité, ou plus précisément la réflectance de surface, du plus proche voisin de la Terre, la lune.

Le but ultime du travail est d'améliorer les mesures effectuées par les satellites qui regardent la Terre et d'aider les chercheurs à suivre les modèles météorologiques, tendances de la santé des cultures, les emplacements des proliférations d'algues nuisibles dans l'eau et bien plus encore.

L'équipement du NIST a volé à bord de l'ER-2 de la NASA, un "avion de l'espace proche" qui voyage jusqu'à 21 kilomètres (environ 13 miles) au-dessus du niveau de la mer. Ce genre de distance, deux fois l'altitude de croisière d'un avion commercial typique, a obtenu l'équipement au-dessus de 95% de l'atmosphère terrestre, qui interfère avec les mesures au clair de lune. La mission, appelé Airborne Lunar Spectral Irradiance Mission (air-LUSI), lancé depuis le NASA Armstrong Flight Research Center en Californie.

Voir la Terre depuis l'espace

Des centaines de satellites orientés vers la Terre fournissent des informations sur la météo et la végétation qui permettent aux chercheurs de prédire les famines et les inondations et peuvent aider les communautés à planifier les interventions d'urgence et les secours en cas de catastrophe. Pour collecter ces données cruciales, les imageurs spatiaux s'appuient sur la luminosité de différentes longueurs d'onde - qu'il est parfois utile de considérer comme des couleurs - de la lumière du soleil se reflétant sur notre planète.

Pour s'assurer que le "vert" d'une caméra satellite n'est pas le "jaune" d'une autre, " chaque caméra doit être calibrée par rapport à une source commune dans l'espace. La Lune est une cible pratique car, contrairement à la Terre, il n'a pas d'atmosphère et sa surface change très peu.

En théorie, si les scientifiques connaissent l'alignement relatif du Soleil, Lune et satellite, ils devraient être capables de prédire la quantité de lumière provenant de la Lune. Spécifiquement, les scientifiques s'intéressent à la mesure de "l'irradiance spectrale" de la lumière réfléchie par la Lune, c'est-à-dire la quantité d'énergie par unité de surface dans des largeurs de bande discrètes de longueur d'onde.

"Il y a un modèle qui prédit, en fonction d'où vous regardez et où se trouvent la Lune et le Soleil, quelle sera l'irradiance spectrale, " a déclaré le physicien du NIST John Woodward. Mais en raison des incertitudes sur la véritable luminosité de la Lune, même les meilleurs étalonnages d'aujourd'hui ne sont précis qu'à 3 % ou 5 % près.

Les scientifiques voudraient réduire cette imprécision à moins de 1%. Plus les étalonnages sont précis, plus les chercheurs peuvent avoir confiance dans les images satellites de la Terre.

Pourquoi des précisions plus élevées n'étaient-elles pas possibles auparavant ? Principalement parce que les détecteurs terrestres doivent observer le clair de lune à travers l'atmosphère terrestre, qui absorbe certaines longueurs d'onde de la lumière plus que d'autres d'une manière qui n'est pas totalement prévisible, dit Woodward.

Le lancement des détecteurs dans l'espace résout ce problème en permettant aux chercheurs de recueillir le clair de lune sans entrave. Mais cela présente un autre défi :une fois dans l'espace, les instruments sont effectivement inaccessibles, les scientifiques ne peuvent donc pas les calibrer correctement avant chaque mesure.

Pour recueillir de meilleures données sur le clair de lune, les chercheurs ont besoin de deux choses :une vue claire de la Lune avec un minimum d'interférences de l'atmosphère, et l'accès physique aux détecteurs pour des étalonnages fréquents.

Comment attraper un rayon de lune

En utilisant l'avion ER-2 à haute altitude de la NASA, l'équipe du NIST a mesuré le clair de lune sur tout le spectre visible de la lumière et dans le spectre proche infrarouge également, d'environ 380 nanomètres (la lumière la plus bleue que nos yeux peuvent voir) à 1, 000 nanomètres (plus rouge que nos yeux ne peuvent voir). Chaque bande passante qu'ils mesuraient était extrêmement étroite—seulement quelques nanomètres de large.

L'ER-2 est conçu pour transporter des équipements scientifiques au-dessus de la majeure partie de l'atmosphère pour des observations durant des heures à la fois. À l'intérieur du petit cockpit, il y a de la place pour un seul pilote en combinaison spatiale. L'équipement de recherche du NIST est stocké dans un long conteneur sous l'une des ailes de l'avion. Une ouverture au sommet de cette capsule donne au télescope et à l'appareil photo une vue dégagée sur la Lune.

Les scientifiques qui souhaitent utiliser les services de l'avion doivent construire des instruments répondant à des spécifications strictes de poids et de taille, un défi pour l'équipe du NIST.

"C'était beaucoup plus d'ingénierie que nous l'avions prévu, " Woodward a dit. " A 70 ans, 000 pieds, il y a très peu de pression atmosphérique. Et il fait environ -60 degrés C, donc il fait très froid."

En particulier, ils ont dû créer un conteneur à température et pression contrôlée pour leur système d'acquisition de données, qui ne peuvent généralement pas fonctionner à des altitudes aussi élevées.

Pesant environ 225 kilogrammes (environ 500 livres) au total, L'équipement du NIST comprend un télescope pour recueillir le clair de lune, une caméra utilisée pour localiser la Lune, et une source lumineuse LED permettant de vérifier que le système reste calibré pendant le temps qu'il faut à l'avion pour monter en altitude.

La clé pour maintenir les incertitudes sur ces mesures aussi faibles que possible réside dans l'accès facile des chercheurs à l'appareil directement avant et après son vol, dit Woodward. Juste avant le décollage et juste après l'atterrissage, l'équipe calibre le matériel au sol, à l'aide d'une source lumineuse stable et déjà bien caractérisée. Ce type de test avant et après vol ne serait pas possible si les chercheurs tentaient de collecter les informations avec un satellite lancé dans l'espace.

Les résultats des vols de novembre devraient être « d'une grande utilité pour la communauté de l'étalonnage des satellites, " a déclaré le physicien du NIST Stephen Maxwell. En outre, les données aideront l'équipe du NIST à se préparer pour une autre expérience de collecte au clair de lune.

Avant de démarrer le projet air-LUSI, Les chercheurs du NIST avaient développé une méthode pour caractériser l'atmosphère chaque nuit, de sorte qu'il pourrait être essentiellement soustrait des mesures au sol. L'équipe prévoit d'utiliser cette méthode dans une expérience de collecte au clair de lune à l'observatoire de Mauna Loa à Hawaï, sur un site d'environ 3, 400 mètres (11, 150 pieds) de haut.

Bien qu'une expérience au sol présente de nombreux avantages, y compris des périodes de visionnage plus longues et un accès plus facile à l'équipement, le système Mauna Loa devra encore scruter des dizaines de kilomètres (des centaines de milliers de pieds) d'atmosphère déformant le spectre du clair de lune.

"L'observatoire du Mauna Loa est l'un des meilleurs sites d'atmosphère depuis lequel vous pouvez observer, ", a déclaré Woodward. "Mais cela a laissé la question:pourrions-nous nous débarrasser complètement de l'atmosphère?" Collecter le clair de lune au-dessus de la majeure partie de l'atmosphère aidera les chercheurs à affiner le modèle qu'ils utiliseront pour l'expérience Mauna Loa.

"Les données que nous avons collectées ce mois-ci sont vraiment belles, " a déclaré Woodward. " Toute l'équipe a fait un excellent travail pour faire voler cet instrument, et l'équipe ER-2 d'Armstrong a été un excellent partenaire pour en faire un succès."