Observatoire de Paris Institut national de recherche scientifique français Univerité Pierre et Marie Curie Université Paris Diderot - Paris 7

CIRS sur Cassini

jeudi 28 septembre 2017, par Thierry Fouchet

L’instrument CIRS, embarquĂ© Ă  bord de la sonde Cassini est capable d’analyser la lumière infrarouge Ă©mise par la planète Saturne, ses cĂ©lèbres anneaux et ses satellites. Il vise Ă  mesurer la tempĂ©rature et la composition chimique de ces corps afin de comprendre leur formation et leur Ă©volution.

Description de l’instrument

L’instrument CIRS (Composite InfraRed Spectrometer) est le fruit d’une collaboration entre le CEA/DAPNIA de Saclay, le Centre Spatial Goddard (GSFC) de la NASA Ă  Washington, l’UniversitĂ© d’Oxford, le Queen Mary’s College de Londres et le LESIA de l’Observatoire de Paris. Cet instrument Ă©tait embarquĂ© Ă  bord de la sonde spatialeCassini, mission conjointe de l’Agence spatiale europĂ©enne (ESA) et de la NASA, qui s’est terminĂ©e par la plongĂ©e dans l’atmosphère de Saturne le 15 septembre 2017.

CIRS est un spectromètre infrarouge Ă  TransformĂ©e de Fourier composĂ© de deux interfĂ©romètres. Il opère dans les domaines de l’infrarouge moyen et lointain de 7 Ă  1000 ÎĽm (1400 Ă  10 cm-1) avec une rĂ©solution spectrale programmable de 0,5 cm-1 (haute rĂ©solution) Ă  15,5 cm-1 (basse rĂ©solution). Les deux interfĂ©romètres partagent le mĂŞme tĂ©lescope et le mĂŞme mĂ©canisme de balayage en frĂ©quence. Le LESIA a contribuĂ© Ă  la rĂ©alisation de l’instrument en fournissant une maquette du mĂ©canisme de balayage.

L’interfĂ©romètre de la voie "infrarouge lointain" (10-690 cm-1 ou 1000-14,5 ÎĽm, domaine dit "submillimĂ©trique") est un interfĂ©romètre Ă  polarisation appelĂ© "FP1" (Focal Plane 1). Deux dĂ©tecteurs Ă  thermopile sont placĂ©s dans ce plan focal.

L’interfĂ©romètre de la voie "infrarouge moyen" est un interfĂ©romètre de Michelson Ă  deux plans focaux "FP3" (570-1130 cm-1 ou 17,5-8,8 ÎĽm) et "FP4" (1025-1495 cm-1 ou 9,8- 6,7 ÎĽm). Une barrette de 10 dĂ©tecteurs rĂ©alisĂ©s en HgCdTe (tellure de mercure et de cadmium) est placĂ©e dans chaque plan focal. Le plan focal 2 a disparu lors d’une rĂ©duction de budget du projet Cassini.

Schéma de CIRS
Schéma de CIRS

Le schĂ©ma montre les diffĂ©rentes voies optiques issues d’un mĂŞme tĂ©lescope.

L’ensemble optique comprend un tĂ©lescope Cassegrain dont le miroir primaire paraboloĂŻde mesure 50,8 cm de diamètre et le miroir secondaire hyperboloĂŻde 7,6 cm de diamètre. Le rayonnement infrarouge incident est distribuĂ© entre les voies infrarouges "moyen" et "lointain" par un miroir de champ. A la sortie des interfĂ©romètres les faisceaux sont focalisĂ©s vers les dĂ©tecteurs. Un interfĂ©romètre de rĂ©fĂ©rence permet de maintenir une vitesse constante du mĂ©canisme de balayage et de contrĂ´ler l’Ă©chantillonnage des donnĂ©es.

L’ensemble optique est refroidi passivement et contrĂ´lĂ© pour ĂŞtre maintenu Ă  170 ± 0,1 K. Le dĂ©tecteur du plan FP1 fonctionne Ă  une tempĂ©rature de 170 K. Il permet d’obtenir une rĂ©solution sur le ciel de 3,9 mrad ( 1500 km Ă  la distance de la Lune). Les barrettes de 10 cellules (pixels) rĂ©alisĂ©es en HgCdTe et fonctionnent Ă  des tempĂ©ratures programmables entre 75 K et 85 K. Chaque pixel couvre un angle de 0,27 mrad ( 100 km Ă  la distance de la Lune).

RĂ©sultats scientifiques

Le système de Saturne est situĂ© Ă  environ 9,5 UA du Soleil. La tempĂ©rature d’Ă©quilibre des corps y est comprise entre 55 et 200 K. Il s’agit donc de corps froids qui n’Ă©mettent que très peu de lumière visible, et rayonnent donc essentiellement dans les domaines de l’infrarouge moyen et lointain. L’instrument CIRS permet d’une part de mesurer la tempĂ©rature de ces diffĂ©rents corps, et d’autre part, d’identifier les molĂ©cules composant ces corps grâce Ă  leurs raies d’Ă©mission produites lors de transitions de rotation ou de vibration. Ces raies caractĂ©ristiques des molĂ©cules sont situĂ©es dans ce domaine spectral de l’infrarouge.

La rĂ©solution spatiale apportĂ©e par l’instrument CIRS permet de caractĂ©riser l’atmosphère de Saturne et de Titan en 3 dimensions : CIRS peut mesurer des profils de tempĂ©rature, de la composition du gaz et de la distribution des nuages en fonction de l’altitude, de la latitude et de la longitude. Cet outil mesure Ă©galement les caractĂ©ristiques thermiques et la composition de la surface des satellites et des anneaux.

Température à la surface d'Encelade
TempĂ©rature Ă  la surface d’Encelade

La figure superpose une image visible et une image infrarouge CIRS. Les zones brillantes dans l’infrarouge sont chaudes et correspondent Ă  des fractures Ă  la surface par lesquelles le gaz s’Ă©chappe en geysers

CIRS a pu cartographier la tempĂ©rature de la surface de Encelade, satellite de Saturne, oĂą des geysers de glace et de gaz on Ă©tĂ© observĂ©s par la camĂ©ra de Cassini au pĂ´le sud du satellite. La carte montre que des stries, en forme de griffures de tigre, sont beaucoup plus chaudes que les rĂ©gions alentours. Ces zones correspondent Ă  l’emplacement des geysers. Cette tempĂ©rature anormale, plus chaude que celle attendue par l’ensoleillement seul, montre qu’il existe une source d’énergie interne, d’origine encore dĂ©battue.


Spectre de Titan
Spectre de Titan

Le spectre de Titan observĂ© par CIRS fait apparaĂ®tre de nombreuses raies molĂ©culaires qui permettent de mesurer la tempĂ©rature et la composition chimique de l’atmosphère du satellite

Dans l’atmosphère de Titan, CIRS permet de dĂ©tecter et de mesurer de nombreuses espèces molĂ©culaires. La plupart de ces molĂ©cules sont issues de la photolyse du mĂ©thane (CH4) et de l’azote (N2) et forment des hydrocarbures et de nitriles complexes. Le dioxyde de carbone (CO2) est d’origine externe. La cartographie des champs de tempĂ©rature et de composition gazeuse permet de tracer la circulation atmosphĂ©rique. Celle-ci transporte les molĂ©cules et la chaleur depuis le pĂ´le estival vers le pĂ´le hivernal. La durĂ©e de la mission Cassini-Huygens, une demi-annĂ©e de Titan, a permis d’observer le basculement de la circulation entre l’hiver borĂ©al et l’hiver austral. Une telle circulation de pĂ´le Ă  pĂ´le n’est possible que parce que Titan tourne lentement sur lui-mĂŞme.


Dans l’atmosphère de Saturne CIRS a pu cartographier l’abondance de l’éthane et de l’acĂ©tylène. A nouveau, nous mettons en Ă©vidence la circulation atmosphĂ©rique qui transporte l’air riche en hydrocarbures depuis l’hĂ©misphère estival vers l’hĂ©misphère hivernal. Cette circulation est beaucoup moins spectaculaire que sur Titan. La descente d’air riche s’effectue dans l’ombre des anneaux, qui ne voit pas le soleil pendant toute la saison hivernale.

Ethane et acétylène
Ethane et acétylène

Variation en latitude de l’abondance de l’éthane et de l’acĂ©tylène sur Saturne. Le maximum Ă  30°N est dĂ» Ă  la circulation atmosphĂ©rique.

Température des anneaux
Température des anneaux

Les quatre images montrent la tempĂ©rature mesurĂ©e par CIRS sur les faces Ă©clairĂ©es ou non-Ă©clairĂ©es des anneaux, et en regardant l’hĂ©misphère cĂ´tĂ© jour ou cĂ´tĂ© nuit des particules.

CIRS mesure Ă©galement la tempĂ©rature des anneaux. Les anneaux sont confinĂ©s le plan Ă©quatorial et sont très minces, quelques dizaines de mètres d’Ă©paisseur. L’instrument observe la face Ă©clairĂ©e des anneaux, mais aussi la face non-Ă©clairĂ©e par le Soleil, ce qui est impossible depuis la Terre. Etant en orbite autour de Saturne, CIRS peut Ă©galement observer avec diffĂ©rents angles de phase, c’est-Ă -dire si on regarde le cĂ´tĂ© jour ou le cĂ´tĂ© nuit de chaque particule constituant les anneaux. L’ensemble de ces mesures permet de contraindre l’Ă©paisseur des anneaux, mais aussi la taille des particules, leur vitesse de rotation, et leur organisation Ă  l’intĂ©rieur des anneaux.