• Segment sol

    Le segment sol d’Ariel (Ariel Ground Segment, AGS) est sous responsabilité partagée ESA et AMC (Ariel Mission Consortium). Il comprend :

    • le segment sol des opérations, sous responsabilité de l’ESA, composé du centre des opérations mission (Mission Operations Centre, MOC) localisé à l’ESA/ESOC à Darmstadt et des stations de réception des données au sol.
    • le segment sol scientifique (SGS), qui applique les corrections aux données instrumentales reçues au sol, construit les produits scientifiques de la mission, les archive et les distribue. Il évalue et optimise les performances du traitement à bord.


    Le segment sol scientifique d’Ariel comporte :

    • le centre des opérations scientifiques (SOC, Science Operation Center), localisé à l’ESA/ESAC à Madrid, sous responsabilité de l’ESA. Il héberge l’archive de la mission, opère les chaînes de traitement des données de 1er niveau livrées par l’AMC, et assure l’archivage et la distribution des produits à la communauté scientifique.
    • le « Instrument Operations and Science Data Center », IOSDC, sous responsabilité du consortium Ariel (AMC) qui fournira l’outil de planning mission qui permettra de choisir les cibles et d’optimiser les pointages pour accéder au plus grand nombre de données. Il fournira ensuite à la communauté scientifique via le SOC les données de haut niveau (spectres) prêtes pour les analyses scientifiques.
    Vue schématique du fonctionnement, des flux des données et des responsabilités du segment sol opérationnel et scientifique d’Ariel
    Vue schématique du fonctionnement, des flux des données et des responsabilités du segment sol opérationnel et scientifique d’Ariel © ESA

    Système télécom

    Le système de télécommunications fonctionne en bande X.
    Deux antennes à faible gain couvrent l'ensemble des secteurs du ciel et garantissent une liaison radio même en cas de perte de contrôle du satellite.

    Environ 80 Go de données sont transmis chaque semaine à l'aide d'une antenne parabolique à grand gain et sont réceptionnées par les 3 antennes de 35 mètres du réseau de stations terrestres de l'ESTRACK (Cebreros, Malargue and New Norcia) mis en œuvre par l’ESA. Ces antennes sont dédiées au « deep space » et sont capable de réceptionner des signaux provenant de milliers de kilomètres (par exemple en 2016, Cassini en orbite autour de Saturne était à plus de 1,4 milliards de km).

    Station de New Norcia
    Station de New Norcia © ESA

    Pour les opérations de routine de la phase d’observations scientifiques, les opérations de la mission Ariel devraient être réalisées pour la plus grande partie de façon automatique.
    Les pointages successifs seront commandés par l’ordinateur de vol et basé sur des positions de cibles définies au préalable. Ils seront ainsi réalisés de façon autonome, ce qui réduit de façon significative le besoin des interventions sol.

    Le planning mission sera ainsi téléchargé vers l’ordinateur de vol environ une fois par semaine. Les passages en visibilité des antennes au sol (ce qui correspond à une durée d’environ 14h par semaine) seront principalement utilisés pour la récupération des données scientifiques ainsi que les données nécessaires pour le contrôle d’orbite, en complément des données de bonne santé du satellite.

  • Instruments

    Deux instruments scientifiques seront embarqués dans la charge utile d’Ariel :

    • Le spectromètre infrarouge AIRS (Ariel InfraRed Spectrometer) qui couvre simultanément les longueurs d’onde de 1,95 à 7,8 microns, avec une résolution spectrale R = 30-200.
    • Il est complété par le FGS (Fine Guide Sensor photometer and spectrometer) qui couvre, en parallèle, la plage 0,5-1,2 microns avec des bandes photométriques, et un spectrographe à basse résolution entre 1,1 et 1,95 microns.

    Cette gamme de longueur d’ondes permet de couvrir les signatures des principales molécules atmosphériques comme H2O (eau), CO(dioxyde de carbone), CH4 (méthane), NH3(ammoniac), HCN (cyanure d'hydrogène), H2S (sulfure d'hydrogène) et même quelques composants plus exotiques tels que TiO (monoxyde de titane), VO (oxyde de vanadium)et quelques espèces condensées.

    Signatures moléculaires
    Signatures moléculaires dans la gamme 1 à 8 µm © G. Tinetti et al. Ariel: Enabling planetary science across light-years, ESA/SCI(2020)1 (2020)
    Domaine de longueur d’ondePouvoir de résolutionMotivation scientifique
    VISPhot
    0,50 – 0,60 µm
    Bande intégrée- Correction de l’activité stellaire dans les données (optimisé pour les étoiles de type précoce)
    - Mesure de l’albedo planétaire
    - Détection de la diffusion de Rayleigh/brume
    FGS1
    0,60 – 0,80 µm
    Bande intégrée- Correction de l’activité stellaire dans les données (optimisé pour les étoiles de type tardif)
    - Mesure de l’albedo planétaire
    - Détection/caractérisation de nuages/brume
    FGS2
    0,80 – 1,10 µm
    Bande intégrée- Correction de l’activité stellaire dans les données (optimisé pour les étoiles de type tardif)
    - Détection/caractérisation de nuages
    NIRSpec
    1,10 – 1,95 µm
    R ≥ 50- Correction de l’activité stellaire dans les données (optimisé pour les étoiles de type tardif)
    - Détection/caractérisation de nuages/brume
    - Détection de molécules (ex : H2O, TiO, VO, hybrides métalliques)
    - Mesure de températures planétaires (optimisé pour les hautes températures)
    - Récupération d’abondances moléculaires
    - Récupération de la structure thermique verticale et horizontale
    - Détection de variations temporelles (météo/distribution de nuages)
    IR spectrograph (AIRS)
    1,95 – 7,8 µm
    R ≥ 100
    (au-dessous de 3,9 µm)

    R ≥ 30
    (au-dessus de 3,9 µm)
    - Détection de composants chimiques atmosphériques
    - Mesure de températures planétaires (optimisé pour les températures moyennes à hautes)
    - Récupération d’abondances moléculaires
    - Récupération de la structure thermique verticale et horizontale
    - Détection de variations temporelles (météo/distribution de nuages)

    L’instrument AIRS

    L’Instrument AIRS (Ariel InfraRed Spectrometer) d'Ariel est un spectromètre infrarouge qui couvre simultanément les longueurs d’ondes de 1,95 à 7,8 μm.

    L’instrument est constitué de deux canaux, chacun dédié à une bande spectrale : 

    • Channel 0 (CH0) : 1,95-3,90 μm
    • Channel 1 (CH1) : 3,90-7,80 μm


    Les objectifs scientifiques de l’instrument AIRS sont les suivants :

    • détection des composants atmosphériques
    • détermination de l’abondance moléculaire
    • mesure de la température de la planète
    • détermination de la structure thermique horizontale et verticale
    • détection de la variabilité temporelle (distribution des nuages et météo)

    La partie optique et détection de l’instrument est localisée sur la partie froide de la charge utile, en sortie du télescope. 

    Pour chaque canal, elle est constituée d’une partie opto-mécanique qui permet au faisceau fourni par le télescope de traverser un prisme avant d’arriver sur le plan focal (FPA) constitué d’un détecteur et de son électronique froide de proximité.

    La partie traitement du spectre optique en données scientifiques numériques se trouve sur la partie plus chaude c’est-à-dire au niveau du module de service.

    L’instrument AIRS est sous responsabilité française.

    Schéma de la partie optique et détection de l’instrument AIRS
    Schéma de la partie optique et détection de l’instrument AIRS © CEA/IAS

    L’instrument FGS

    L’instrument FGS est en réalité un ensemble de 3 instruments : le FGS (Fine Guidance System), le VISPhot (Visible Photometer) et le NIRSpec (Near-IR Spectrometer).

    Le rôle principal du FGS est de garantir le pointage fin de la mission Ariel, mais il fournira également de la photométrie haute précision dans le visible sur les planètes visées et également des mesures de spectrométrie basse résolution dans le domaine du proche infrarouge.

    Le FGS participe ainsi aux objectifs scientifiques de la mission ainsi qu’au guidage du satellite.

    La fonction de guidage du FGS utilise la lumière de l’étoile de l’exoplanète ciblée pour déterminer les changements dans la ligne de vue de la charge utile d’Ariel, c’est-à-dire les fluctuations de pointage. La mesure d’attitude est alors prise en compte dans la boucle de Contrôle d’Attitude et d’Orbite du satellite et combinée avec les données du senseur stellaire pour stabiliser le satellite.

    Pour atteindre les objectifs de guidage et scientifiques, quatre bandes spectrales sont définies :

    • FGS–1 (0,6-0,8 μm)
    • FGS–2 (0,8-1,1 μm)
    • VISPhot (0,50-0,60 μm)
    • NIRSpec (spectromètre 1,10-1,95 μm avec résolution spectrale R ≥ 15).
    Vue schématique de l’organisation optique de l’instrument FGS et les faisceaux lumineux
    Vue schématique de l’organisation optique de l’instrument FGS et les faisceaux lumineux parvenant aux différents sous-systèmes © RAL (refonte graphique : CNES)

    Le faisceau provenant du télescope parcourt un banc optique permettant d’alimenter les différents sous-instruments. Ce banc est composé de miroirs dichroïques, de lentilles et d’un prisme.
    Les faisceaux optiques sont ensuite focalisés sur 2 détecteurs. 

    L’instrument FGS est sous responsabilité polonaise.

    Schéma optique de l’instrument FGS
    Schéma optique de l’instrument FGS © RAL
  • Stratégie d’observations

    Position d’Ariel

    Ariel sera lancé depuis Kourou par un lanceur Ariane 6.2, en vol commun avec une autre mission de l’ESA, Comet Interceptor. La phase de transfert vers l'orbite ciblée durera approximativement 30 jours.

    Les observations scientifiques se feront depuis une orbite opérationnelle autour du deuxième point de Lagrange du système Soleil-Terre (L2). Cette orbite est sans éclipse, ni du Soleil ni de la Lune. Cela assure une stabilité thermique indispensable aux performances recherchées, tout en offrant un très large champ de vue.

     

    Utilisation de la méthode des transits planétaires

    La mission étudiera ces planètes en sondant leur atmosphère lors de transits. La méthode du transit est une méthode photométrique qui vise à détecter indirectement la présence d’une ou plusieurs exoplanètes en orbite autour d’une étoile.
    Cette méthode consiste à mesurer régulièrement la luminosité d’une étoile afin de détecter la baisse de luminosité périodique associée au passage d’une exoplanète. Le passage d’une planète devant son étoile est nommé le transit.
    On peut ainsi découvrir une nouvelle planète, et déterminer son rayon ainsi que sa période de révolution.

    Méthode de détection d’exoplanètes
    Méthode de détection d’exoplanètes appelée méthode des transits planétaires © ESA

    La méthode de transit en tant que telle ne permet pas d’étudier en détail les caractéristiques de la planète. Cependant, l’étude de l’atmosphère des planètes découvertes par la méthode de transit peut être réalisée en combinant cette méthode avec la spectroscopie. 

    Cette technique, nommée spectroscopie de transit, permet d’étudier la composition et la structure de l’atmosphère des planètes qui transitent : la lumière de l’étoile traversant l’atmosphère de la planète, les spectres qui en résultent peuvent être analysés pour déterminer quels éléments y sont présents, fournissant ainsi des indices quant à la composition chimique de l’atmosphère.

    Schémas méthode des transits, variations du flux lumineux et spectroscopie
    Méthode des transits, variations du flux lumineux et spectroscopie © UCL

    Ariel aura la capacité unique de caractériser les atmosphères des planètes chaudes en ayant une approche statistique (plus de 1 000 planètes).

    Les planètes sélectionnées proviendront des catalogues établis par les missions précédentes et les observations menées à partir du sol.

     

    Types de relevés

    Ariel prévoit trois types de relevés :

    Un relevé général qui déterminera sur environ 1 000 planètes :

    • quelle fraction de planètes a des nuages
    • si les petites planètes ont conservé une atmosphère de H/He
    • un répertoire, sur des diagrammes, des caractéristiques de température et de masse des planètes
    • les paramètres orbitaux des planètes avec une meilleure précision que les relevés réalisés jusqu’à présent


    Un relevé détaillé sur environ la moitié de ces planètes qui :

    • identifiera les composants principaux de l’atmosphère ainsi que les composés gazeux présents à l’état de traces
    • déterminera la structure thermique de l’atmosphère
    • caractérisera les nuages présents.


    Un relevé de référence de l’ordre de 50 à 100 exoplanètes sera effectué, pour lesquelles seront étudiées :

    • la circulation atmosphérique
    • la variabilité temporelle et spatiale des caractéristiques observables de l’atmosphère.
    Cartographie de la position des cibles déjà identifiées de la mission Ariel
    Cartographie de la position de quelques cibles déjà identifiées de la mission Ariel. Elles sont réparties sur tout le ciel observable © L.Puig et al. The Phase A study of the ESA M4 mission candidate Ariel, Experimental Astronomy (2018)
  • Ressources

    En vidéo

    YouTube Lien vers la page YouTube

    C'est pour quand la découverte d'une exoplanète habitable ?

    Découvrir une planète habitable comme la Terre, ça serait fort, non ?

    Tu en penses quoi toi ?

    L’exobiologie, tu as tout à fait raison.

    C’est le nom que l’on donne à ce domaine de recherche.

    On en a déjà parlé dans la saison 1.

    Et les planètes qui pourraient abriter cette exobiologie, on les appelle les exoplanètes.

    Des planètes qui se trouvent à l’extérieur de notre Système solaire.

    Alors c’est pour quand, la découverte d’une exoplanète habitable ?

    Salut les impatients !

    Alors, avant d’essayer d’en trouver une, ce serait bien de savoir combien il y en a !

    La première exoplanète a été découverte par Didier Queloz et Michel Mayor en 1995.

    Depuis, on en a découvert des milliers, et certains modèles prédisent qu'il pourrait y en avoir des milliards, rien que dans notre galaxie.

    Ça fait beaucoup mais finalement ce n'est pas si étonnant quand on sait qu'il y a des centaines de milliards de systèmes solaires dans la Voie Lactée.

    Alors pour imaginer trouver une exoplanète, il faut d'abord savoir comment les trouver.

    Bah oui comment fait-on ?

    Pour ça, il existe plusieurs méthodes.

    La plus simple à comprendre, c'est la méthode dite des transits.

    On observe la luminosité d'une étoile.

    Quand la lumière diminue, c'est qu'une exoplanète est passée devant.

    Avec cette méthode, on parvient à déterminer l’orbite et la taille de l’exoplanète.

    Cette technique marche bien, particulièrement avec des satellites en orbite, des télescopes spatiaux.

    Il y a aussi la méthode des vitesses radiales, c'est celle-ci qui a permis de découvrir la première exoplanète en 1995 car c'est la seule qui marche vraiment bien depuis un télescope situé sur Terre.

    C’est un peu comme avec la lumière, mais avec la vitesse.

    En fait l'attraction gravitationnelle de l’exoplanète provoque des oscillations détectables dans la vitesse de déplacement de l'étoile.

    En mesurant ces infimes variations, on peut déterminer la masse de l’exoplanète.

    En parallèle de ces méthodes dites indirectes, il y a la méthode directe, comme la coronographie ou l'interférométrie, qui sont des techniques récentes qui permettent d'occulter la lumière de l'étoile pour détecter l’exoplanète en orbite.

    On observe alors directement l’exoplanète, qui est un million de fois moins brillante que son étoile mais qui devient alors visible grâce à cette occultation.

    Bref, vous l'avez compris, c'est hyper technique et passionnant car plus l'orbite d'une exoplanète est grande, et plus elle sera dure à détecter.

    Mais je me demande comment on sait si elle est habitable ou non...

    Si elle possède de l'oxygène ou de l'eau…

    Tu le sais toi ?

    Pour nous aider à comprendre, j’accueille Pascale Danto, cheffe de projet de la contribution française au futur télescope européen ARIEL, chez nous au CNES.

    Salut Pascale, la connaissance des atmosphères des exoplanètes est hyper importante pour savoir si elles sont habitables ou pas.

    Comment on fait pour les analyser à une telle distance ?

    « Salut Sylvain.

    Pour analyser les atmosphères des exoplanètes, on va attendre que la planète passe devant l’étoile.

    A ce moment-là, l'atmosphère va être éclairée par cette étoile et nous, en fonction des molécules qui composent l'atmosphère, on va recevoir un signal un petit peu différent, à chaque fois.

    On parle de signature moléculaire à différentes longueurs d'ondes, et donc de cette manière, on va pouvoir détecter de l'eau, de l'oxygène, du carbone, du méthane... toutes sortes de molécules.

    On appelle ça la détection spectrométrique. »

    Mais alors c'est quoi les missions spatiales de demain ?

    « Sylvain, le monde des exoplanètes est en ébullition et on a plusieurs missions spatiales qui sont en cours de développement actuellement.

    On a PLATO qui est une mission de l'ESA, donc l'agence spatiale européenne, qui sera tirée en 2026 et sur laquelle on a une forte participation du CNES et qui va découvrir des milliers d'exoplanètes.

    On a aussi une mission NASA en cours de développement, la mission Roman Space Telescope, sur laquelle on participe aussi, et qui est une mission... un petit peu la suite d'Hubble, qui va permettre de découvrir une grande partie de l'espace avec la même précision que Hubble.

    Et on prévoit de découvrir plus de 100 000 exoplanètes avec ce télescope spatial.

    Après tout ça (Roman va être tiré en 2027) la mission ARIEL arrive avec un tir en 2029. La mission ARIEL qui est une mission ESA, agence spatiale européenne, sur laquelle le CNES a une très forte participation.

    Cette mission ARIEL va permettre de caractériser l'atmosphère de milliers d'exoplanètes.

    En parallèle de toutes ces missions, on travaille aussi sur des développements technologiques qui vont permettre de détecter les exoplanètes et de les caractériser avec beaucoup plus de précision encore.

    On parle de coronographie, on parle d'interférométrie, donc ces techniques qui occultent la lumière de l'étoile pour nous permettre de voir des exoplanètes qui sont dans des zones potentiellement habitables.

    Donc ni trop près, ni trop loin, de leur étoile. »

    Alors Pascale, c'est pour quand la découverte d'une exoplanète habitable ?

    « A l'heure actuelle, on a quelques mesures avec James Webb qui commence à analyser les atmosphères de certaines exoplanètes, mais on a surtout beaucoup de modélisations.

    Donc après les missions PLATO, Roman Space Telescope, ARIEL, je veux dire en 2030 à peu près, on va en savoir déjà beaucoup plus sur ces exoplanètes et sur leurs atmosphères.

    Et puis on est aussi en train de travailler avec la NASA sur la mission du futur qui s'appelle Habitable Worlds Observatory, l'observatoire des mondes habitables et qui devrait nous permettre de détecter et caractériser des exoplanètes dans des zones habitables.

    Donc je dirais qu'à l'horizon 2040-2045 à peu près, on devrait en savoir beaucoup plus sur ces atmosphères d'exoplanètes et peut-être sur des planètes potentiellement habitables.

    Et donc la suite, ça sera de trouver comment y aller, comment aller à des milliards de km d'ici, à des dizaines d'années-lumière. »

    Merci Pascale, à bientôt !

    « A bientôt Sylvain, merci ! »

    Vous l'avez compris, les techniques de détection des exoplanètes deviennent de plus en plus performantes, et de plus en plus précises.

    Nous devrions donc découvrir, dans quelques dizaines d'années, une ou plusieurs exoplanètes habitables.

    Et qui dit habitable, dit peut-être avec de la vie dessus.

    Bon évidemment, comme l'a dit Pascale, il n'y aura plus qu'à trouver comment y aller et parcourir l'immense distance qui nous sépare...

    Mais ça, c'est une autre histoire !

    Si cet épisode vous a plu, likez, partagez la vidéo et n'hésitez pas à nous laisser vos idées de sujets en commentaires.

    Allez, à bientôt les impatients !

  • Ariel en détails

    Contexte

    Depuis l'annonce en octobre 1995 de la découverte de 51 Pegasi b, la première planète située hors du Système solaire, la quête de nouvelles exoplanètes n'a jamais cessé. Aujourd'hui, on en compte plus de 5000.

    Depuis 1995, ce domaine a suscité l’intérêt d’une très large communauté scientifique et les moyens d’étude au sol et les missions spatiales se sont multipliés. Ariel s’insère dans cet ensemble d’études destinées à dénombrer et caractériser ces exoplanètes.

    Ariel (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey) est la mission Medium numéro 4 du programme COSMIC VISION de l’ESA qui a pour objectif la caractérisation des atmosphères d’exoplanètes de toutes tailles transitant devant leur étoile.

    Frise historique des missions spatiales relatives aux exoplanètes
    Historique des missions spatiales relatives aux exoplanètes © ESA
    Vidéo décrivant les nombreux systèmes planétaires détectés par les différentes méthodes
    De nombreux systèmes planétaires détectés par les différentes méthodes © Ethan Kruse

    Objectifs

    • Analyser l’atmosphère de 1000 exoplanètes massives

    • Identifier les processus chimiques à l’œuvre dans ces atmosphères

    • Déterminer l’évolution des systèmes exoplanétaires

    • Évaluer l’impact de l’étoile et de l’environnement planétaire sur les exoplanètes

    Des atmosphères à la loupe

    En prenant en compte la température de l'atmosphère et sa composition ainsi que sa densité, il sera possible de déduire la composition des cœurs planétaires : planète rocheuse ou géante de glace par exemple 

    Ainsi, Ariel tentera de répondre aux grandes questions scientifiques suivantes :

    • De quoi est composée l’enveloppe gazeuse de ces exoplanètes ?
    • Comment se forment-elles ?
    • Comment ces planètes et leur atmosphère évoluent-elles au cours du temps?

     

    De la météo à très grande distance

    Dans certains cas, Ariel pourrait étudier la dynamique de l'atmosphère, voir s'il y a un point chaud et mesurer la vitesse des vents par exemple. De toutes ces informations, seront ainsi déduits les processus physiques clés qui influencent la composition et structure d'une atmosphère planétaire (impacts, radiations, volcanisme…). Il sera même possible d’observer les variations journalières et saisonnières de température, d’identifier les processus chimiques à l’œuvre dans ces atmosphères (thermochimie, photochimie, etc.) et de quantifier les échanges énergétiques comme albédo. 

    Ariel permettra également d’étudier les exoplanètes dans leur globalité en s’intéressant à l’évolution du système exoplanétaire et à l’impact de l’étoile et des planètes environnantes sur les caractéristiques de l’exoplanète. 

     

    Déroulé du projet

    Ariel est actuellement en phase C, c’est-à-dire en phase de confirmation du design. Les premiers modèles sont en cours de développement : modèle mécanique, modèle ingénierie, modèle avionique, etc. Ils permettront, en fin de phase C, de déterminer le design du modèle de vol. Après le lancement en 2029, 3 mois seront dédiés à la recette en vol, puis 3 mois de plus début 2030 pour la vérification des instruments et la démonstration des objectifs scientifiques. La durée prévue de la mission est de 4 ans, avec la possibilité d’une prolongation de 2 ans.

    Pendant les phases opérationnelles scientifiques, le taux d’observation attendu est de plus de 85%, ce qui est très élevé. En effet, sur l’orbite L2, peu de manœuvres sont prévues : des modes survie éventuels, les manœuvres mensuelles de “maintenance” et les pointages de cibles. Le reste du temps satellite est donc disponible pour les observations scientifiques, y compris les calibrations.

    Les contacts avec les stations sol ne dégradent pas le taux d’observation : l’envoi de télémesure au sol et les observations peuvent en effet se faire en parallèle grâce à un mécanisme d’antenne spécifique.

    En fin de vie, une manœuvre de désorbitage est prévue afin que le satellite ne pollue pas les orbites LEO (orbites basses entre 700 et 1 000 km d’altitude utilisées pour les observations de la Terre) et GEO (36 000km d’altitude, utilisée pour les télécommunications, la météorologie et la défense) et ne retombe pas sur Terre.

    Ainsi, le satellite Ariel est en conformité avec la Loi sur les Opérations Spatiales afin de limiter les débris spatiaux.

     

    Organisation

    Contributions de l’Agence Spatiale Européenne (ESA)

    L’ESA est responsable de la mission Ariel. Plus précisément, l’ESA prend les responsabilités suivantes :

    • Développement du satellite, confié à ADS France, le maître d'œuvre industriel
    • Fourniture des détecteurs de l'instrument AIRS (contrat avec la société Teledyne US)
    • Développement du segment sol opération (MOC et SOC)
    • Lancement
    • Opérations satellite
    • Archivage des produits scientifiques et mise à disposition de la communauté scientifique

     

    Contributions du consortium Ariel

    Le consortium Ariel est chargé de la fourniture à l'ESA de la charge utile incluant les instruments.
    Il est également responsable de l’IOSDC (Instrument Operation Science and Data Center) du segment sol scientifique.
    L’IOSDC, fournira l’outil de planning mission qui permettra de choisir les cibles et d’optimiser les pointages pour accéder au plus grand nombre de données. Il fournira également à la communauté scientifique (via le SOC) les données de haut niveau (spectres) prêtes pour les analyses scientifiques.

    Le consortium Ariel est constitué des membres des laboratoires et agences spatiales contribuant à la mission. Il est dirigé par le RAL (Rutherford Appleton Laboratory, UK) et présidé par la PI (Principal Investigator) de cette mission : Giovanna Tinetti de l’University College of London (UCL).

    Les pays contributeurs au consortium Ariel et l'ESA se sont engagés sur leurs fournitures respectives au travers d'un accord multilatéral. Ce sont les agences spatiales, signataires de l'accord, qui sont garantes des contributions de leur pays.

    Au sein du consortium Ariel, le CNES a la responsabilité de la fourniture de l’instrument AIRS.
    La Pologne fournira l’instrument FGS.

     

    Contributions françaises

    La contribution française est développée sous la maîtrise d’ouvrage du CNES. Le CNES est garant des fournitures françaises vis-à-vis de l’ESA et des autres agences concernées. À ce titre :

    • Il finance les contributions françaises des laboratoires,
    • Il finance l’accompagnement scientifique de chercheurs français contribuant à la mission
    • Il supervise les développements des contributions françaises
    • Il assure l’interface avec l’ESA, ainsi qu’avec les organismes partenaires CNRS-INSU et CEA-AIM, pour les aspects programmatiques.

    Le CNES contribue également au financement du projet Ariel à travers sa contribution au programme scientifique obligatoire de l'ESA et sa forte participation au consortium Ariel.

    Outre la maîtrise d’ouvrage, le CNES peut apporter à la demande des laboratoires des expertises techniques dans les domaines assurance qualité et ingénierie ou de l’aide au management.
    Les laboratoires apportent leur expertise scientifique, leurs ressources humaines et moyens techniques propres (ingénieurs, techniciens, moyens d’essai).

    Jean Philippe Beaulieu, de l’Institut d'Astrophysique de Paris (IAP, université Pierre et Marie Curie/CNRS) et Pierre Olivier Lagage du CEA Astrophysique Instrumentation et Modélisation (université Paris Diderot /CEA-Irfu/CNRS) sont Co-PIs de la mission et à ce titre ont un rôle majeur au sein du consortium et de l’équipe scientifique ESA.

    • Le département d’astrophysique du CEA (DAp) est maître d’œuvre de l’instrument AIRS.
    • L’IAS est responsable de l’architecture optique, thermique et mécanique de l’instrument et fournira les éléments optiques.
    • Le LESIA fournit les moyens de calibration de l’instrument et prend la responsabilité de cette activité.
    • L’IAP est impliqué dans des lots de travaux en relation avec le traitement des données.

    Tous ces laboratoires sont également activement impliqués dans les activités relatives à la performance mission, au choix des cibles, au traitement des données…

    Les laboratoires français participant au consortium Ariel sont les suivants :

    • CEA AIM (Astrophysique Instrumentation et Modélisation, université Paris Diderot /CEA-Irfu/CNRS)
    • IAP (Institut d'Astrophysique de Paris, université Pierre et Marie Curie/CNRS)
    • IAS (Institut d'Astrophysique Spatiale, université Paris-Sud/CNRS)
    • LESIA (Département d'Astronomie Solaire de l'Observatoire de Paris, Laboratoire de Physique du Soleil et de l'Héliosphère)
    • LAB (Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux, université de Bordeaux)
    • LISA (Laboratoire Inter-Universitaire des Systèmes Atmosphériques, université Paris Est Creteil/CNRS)
  • Plateforme

    La plateforme ACES

    Portée par l’ESA, ACES (Atomic Clock Ensemble System) inclut deux horloges atomiques :

    • Pharao : horloge atomique par refroidissement d'atomes de césium développée par le CNES
    • SHM (Space Hydrogen Maser) : maser à hydrogène spatial développé en Suisse
    Schémas d'intérieur du Space Hydrogen Maser
    Space Hydrogen Maser

    La charge utile d’un volume de 1 m³ pèse 225 kg et nécessite une puissance électrique de 450 W. Pharao constitue le cœur de la charge utile, et les performances de son standard de fréquence sont combinées avec les caractéristiques du SHM. Le signal de l'horloge ACES fusionne les deux stabilités de fréquence à court et moyen terme de SHM avec la stabilité à long terme et la précision de référence d'une fréquence primaire standard basée sur les atomes froids de césium.

     

    Les différents sous-systèmes

    La comparaison à bord d'horloge à horloge (Pharao-SHM) et la distribution du signal d'horloge sont assurées par le FCDP (Frequency Comparison and Distribution Package), alors que tous les processus de manipulation de données sont contrôlés par l’ordinateur de la charge utile externe XPLC (eXternal PayLoad Computer). 

    L'un des principaux objectifs de la mission ACES consiste à maintenir à bord une échelle de temps stable et précise qui peut être utilisée pour des comparaisons de standard de fréquence espace-sol aussi bien que sol-sol. 

    Le transfert de temps et de fréquence, stable et précis, est obtenu par l'utilisation d'un lien micro-onde (MicroWave Link : MWL) développé spécialement, pour conserver la précision d'ACES dans les transferts de temps avec le sol.

    ACES est également doté d'un récepteur GPS qui fournira une position très précise des horloges et d'un lien optique (ELT) qui permet lui aussi un échange de temps performant avec le sol.

  • Instruments

    Illustration du principe d'une horloge atomique en micropesanteur
    Principe d'une horloge atomique en micropesanteur

    Aujourd'hui, sur Terre, les horloges atomiques les plus précises et stables utilisent des atomes de césium refroidis par laser. Dans une horloge atomique, la durée de l'interaction cohérente entre les atomes et le champ micro-onde est une limite fondamentale à la mesure de la résolution de la fréquence. Cette durée peut être considérablement repoussée par l'utilisation d'atomes froids en micropesanteur.

     

    L’instrument Pharao

    L'instrument PHARAO est composé de 5 sous-systèmes :

    • un tube à vide aussi nommé Tube Césium (TC). Le Tube à Césium est le cœur de l'horloge PHARAO où a lieu l'interaction entre signaux micro-ondes et les atomes de césium. C’est là que les atomes sont capturés, refroidis, lancés, sélectionnés et détectés après avoir subi une interaction dans la cavité micro-onde. Les performances de l'horloge dépendent fortement du concept du tube : l'équipement doit fournir les conditions d'un vide très poussé, d'un champ magnétique très homogène et d'une température très stable pour minimiser les perturbations du nuage atomique qui le traverse. Le développement du Tube Césium a été confié à Sodern.
    • un banc optique aussi nommé Source Laser (SL) fournit les divers faisceaux laser nécessaires pour la capture, le lancement, le refroidissement, la sélection atomique et la détection des atomes. Les principaux défis de la conception de la SL sont dus aux contraintes d'accommodation de la charge utile ACES, qui impose un haut niveau de compacité, une faible consommation d'énergie, une large gamme de températures de stockage et de fonctionnement, ainsi que le besoin de fonctionner aussi bien dans l'air que dans le vide. Le développement de la Source Laser a été confié à Sodern.
    • la source micro-onde (SH), fournit le signal émis vers les cavités d'interrogation et de préparation. Le développement de la source micro-onde a été confié à Thalès Alenia Space.
    • L'unité de gestion bord (UGB), traite le signal de la mesure d'erreur pour commander les corrections de fréquence à appliquer à la source micro-onde en mode autonome ou bien les transmet à ACES-XPCC dans les autres modes opérationnels. Elle synchronise aussi les différentes phases du cycle atomique, gère les acquisitions de mesures et les systèmes de télécontrôle pour modifier les paramètres fonctionnels de l'instrument, et assure la régulation thermique. La réalisation de l'UGB a été confiée à EREMS.
    • L'unité électronique BEBA régule le champ magnétique du tube césium et acquiert le signal analogique fourni par le tube césium.
    • le Logiciel de Vol orchestre le tout en décryptant et déroulant les tables de micro-séquences, répartissant, pour chaque lancement de nuage d'atomes, les ordres destinés aux 5 sous systèmes de PHARAO. Le développement de ce logiciel a été confié à CS Group. 
    Source du laser
    Source laser © Sodern
    Tube ultra vide Sodern
    Tube ultra vide Sodern
  • PHARAO en détails

    Contexte

    Depuis la théorie de la relativité générale, en 1915, on sait que le temps ne s’écoule pas partout à la même vitesse. Albert Einstein a ainsi énoncé que l’écoulement du temps dépendait de la gravité, et que celui-ci ralentissait à proximité de toute masse. Mais on n’avait pas encore mesuré cet effet avec précision. 

    C’est toute l’ambition du projet d’horloge atomique par refroidissement d’atomes en orbite Pharao. Il sera en capacité de le faire en microgravité, dans l’environnement de la Station spatiale internationale à 400 km au-dessus de la Terre. Développé par la communauté scientifique réunie autour du CNES, cet instrument de nouvelle génération s’inscrit dans le cadre de la mission de l’ESA ACES (Atomic Clock Ensemble in Space). 

    Les horloges atomiques au sol constituent à ce jour les instruments les plus précis pour mesurer le temps qui passe, avec une dérive de seulement 1 seconde tous les 50 millions d’années. Pharao, qui opérera dans l’espace, depuis l’ISS, aura une exactitude de 10-16, ce qui correspond à une dérive de 1 seconde tous les 300 millions d’années ! Derrière cette expérience inédite de physique fondamentale, des applications concrètes sont attendues dans plusieurs domaines. 

    Objectifs

    • Tester précisément la théorie de la relativité

    • Valider de nouvelles technologies spatiales

    • Affiner les échelles de temps mondiales

    Le programme ACES/Pharao a des objectifs scientifiques à la fois dans le domaine de la physique fondamentale et dans celui de la technique. Les aspects fondamentaux ont trait à la physique des horloges à atomes froids. 

    Pour la première fois, les atomes froids seront manipulés en microgravité, dans des conditions qui ne sont pas accessibles sur Terre, pour réaliser des tests de physique fondamentale (relativité, possible dérive de constantes fondamentales dans le temps). L’intérêt est le suivant : lors du cycle de fonctionnement de l’horloge dans l’environnement spatial, les atomes refroidis tombent en chute libre, ce qui facilite la mesure de la seconde. 

    En plus de Pharao, la plateforme ACES embarque un ensemble de nouvelles technologies qui permettront à la communauté scientifique de bénéficier d’une référence de temps avec une stabilité inégalée.

    Grâce à ACES, l'inter-comparaison d'horloges atomiques terrestres distantes deviendra possible, et très utile, y compris si certaines d'entre elles deviennent plus précises que Pharao. Toute nouvelle horloge au sol augmentera l'intérêt d'ACES/Pharao, car elle pourra être soumise à une comparaison croisée avec n'importe quelle autre horloge sur Terre.

    Cette possibilité pourra être exploitée dans différents domaines de recherche : la physique fondamentale (relativité générale), la métrologie temps-fréquence, mais aussi la géodésie (étude des dimensions de la Terre et de son champ de pesanteur) et la gravimétrie (étude de la pesanteur).

     

    Déroulé du projet

    ACES/Pharao doit être lancé en avril 2025 par le lanceur américain Falcon 9. Le transfert vers l’ISS s’effectuera à bord du véhicule américain Dragon 2. Une fois le module arrimé à l'ISS, ACES sera extrait par un bras robotisé et déposé temporairement dans la section américaine de l'ISS. Il sera ensuite amené à sa destination finale à l'extérieur du module Columbus.

    ACES opérera à l'extérieur du module européen Columbus en position nadir pour pouvoir transmettre des signaux micro-ondes vers les stations connectées aux horloges au sol. Columbus fournira les liaisons de transfert de données et l'énergie à ACES.

    La mission se déroule en trois phases : 

    • la recette en vol durant plusieurs semaines, jusqu’à la validation de la charge utile.
    • la caractérisation de la charge utile, qui consiste à évaluer les performances de Pharao. L'horloge au césium sera caractérisée par la comparaison à bord avec une autre horloge atomique présente à bord, le maser spatial à hydrogène (SHM), et la comparaison avec une horloge au sol (long terme).
    • l’utilisation opérationnelle : les paramètres de Pharao seront alors positionnés à leur valeur optimale et le lien sera synchronisé de manière à avoir un temps de base ACES avec les meilleures performances, aussi bien sur le court/moyen terme que sur le long terme. Pendant cette phase, l'échelle de temps sera comparée avec celle des horloges au sol.


    La phase de validation et d'utilisation est prévue pour durer 18 mois. Les six premiers mois seront dédiés à la caractérisation des horloges et à l’analyse de la capacité à comparer ces horloges avec d’autres instruments au sol. Cette phase sera suivie par une phase opérationnelle durant laquelle ces comparaisons seront faites avec des utilisateurs partout dans le monde. Le fonctionnement d'ACES pourra être étendu à 30 mois.

     

    Organisation

    Le CNES a assuré le développement et l'intégration de l'horloge Pharao, qui est la principale contribution française au projet ACES (Atomic Clock ensemble in Space) de l’ESA. Dans ACES, Pharao est couplé avec un maser actif, SHM, horloge atomique à hydrogène fournie par la Suisse. Les deux horloges sont complétées par un lien micro-ondes (MWL), instrument de transfert de temps d'une précision inégalée.

    Les laboratoires français ou internationaux impliqués dans Pharao sont :


    Le programme d’exploitation des données de la mission est ouvert à une communauté internationale constituée d’utilisateurs intéressés par la comparaison de leurs horloges atomiques au sol avec le signal d'horloge d'ACES et par l'analyse des données scientifiques. Cette coopération scientifique est organisé au sein un groupe de travail international ACES (ACES International Working Group).

  • Segment sol

    Le segment sol de contrôle (MIGS) repose sur des éléments partagés avec d’autres missions :

    • Un centre de commande-contrôle (CCC) commun aux filières Myriade et Proteus,
    • Des communications en bande S et bande X utilisant le réseau de stations terrestres multi-missions à 2 GHz et 8 GHz du CNES, et un réseau de transmission de données,
    • Des ressources supplémentaires rendues disponibles par les services multi-missions du CNES : service de gestion des débris, centre d’orbitographie opérationnelle COO et la salle de contrôle principale,


    Le segment sol dédié à la charge utile (PLGS) comprend :

    • Un centre chargé de l’acquisition, de l’archivage et de la mise à disposition des données (PLDS)
    • Un centre de programmation de la mission et de gestion de la charge utile, responsable de la surveillance et du contrôle de l’instrument (PLOC),
    • Un centre de traitement et de gestion des données scientifiques de la mission (PLDP),
    • Des centres d’expertise des produits (TEC) chargés de la surveillance de la qualité de ces produits,

    Les produits seront mis à la disposition du centre de données et de services AERIS permettant de les valoriser et de les mettre à la disposition de la communauté scientifique internationale.

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