Spectromètre CIRS
L'instrument CIRS, embarqué à bord de la sonde Cassini est capable d'analyser la lumière infrarouge émise par la planète Saturne, ses anneaux et ses satellites. Il vise à mesurer la température et la composition chimique de ces corps afin de comprendre leur formation et leur évolution.
Description de l'instrument
L'instrument CIRS (Composite InfraRed Spectrometer) est le fruit d'une collaboration entre le Goddard Space Flight Center (GSFC) de la NASA situé près de Washington, l'Université d'Oxford, le Queen Mary College de Londres, le CEA/DAPNIA de Saclay et le LESIA de l'Observatoire de Paris.
CIRS est un spectromètre infrarouge à Transformée de Fourier composé de deux interféromètres. Il opère dans les domaines de l'infrarouge moyen et lointain de 7 à 1000 µm (1400 à 10 cm-¹) avec une résolution spectrale programmable de 0,5 cm-¹ (haute résolution) à 15,5 cm-¹ (basse résolution). Les deux interféromètres partagent le même télescope et le même mécanisme de balayage en différence de marche optique. L'interféromètre de la voie "infrarouge lointain" (10-690 cm-¹ ou 1000-14,5 µm, domaine dit "submillimétrique") est un interféromètre à polarisation qui illumine le plan focal "FP1" (Focal Plane 1) où sont placés deux détecteurs de type thermopile. L'interféromètre de la voie "infrarouge moyen" est un interféromètre de Michelson à deux plans focaux "FP3" (570-1130 cm-¹ ou 17,5-8,8 µm) et "FP4" (1025-1495 cm-¹ ou 9,8- 6,7 µm). Une barrette de 10 détecteurs réalisés en HgCdTe (tellure de mercure et de cadmium) est placée dans chaque plan focal (le plan focal FP2 a été supprimé lors d'une réduction de budget du projet Cassini).
L'ensemble optique comprend un télescope Cassegrain dont le miroir primaire paraboloïde mesure 50,8 cm de diamètre et le miroir secondaire hyperboloïde 7,6 cm de diamètre. Le rayonnement infrarouge incident est distribué entre les voies infrarouges "moyen" et "lointain" par un miroir de champ. A la sortie des interféromètres les faisceaux sont focalisés vers les détecteurs. Un interféromètre de référence permet de maintenir une vitesse constante du mécanisme de balayage et de contrôler l'échantillonnage des données.
L'instrument est refroidi passivement et contrôlé pour être maintenu à 170 ± 0,1 K. Le détecteur du plan FP1 fonctionne à la même température. Il permet d'obtenir une résolution sur le ciel de 3,9 mrad (équivalent à 1500 km à la distance de la Lune). Les barrettes de 10 détecteurs HgCdTe fonctionnent à des températures programmables entre 75°K et 85°K. Chaque élément couvre un angle de 0,27 mrad (équivalent à 100 km à la distance de la Lune).
Les contributions françaises à cet instrument ont consisté en la fourniture d'un prototype du mécanisme de balayage par le LESIA, et de barrettes de détecteurs pour le plan focal FP4 par le CEA/DAPNIA.
Schéma optique de CIRS montrant les différentes voies issues du télescope.
Caractéristiques du système de Saturne dans l'infra-rouge lointain
Le système de Saturne est situé à environ 9,5 UA (soit 1,4 milliards de km) du Soleil. A cette distance, la température d'équilibre d'un corps parfaitement absorbant (possédant un albédo de 1) serait de 180°K environ (-90°C). Mais aucun corps n'absorbe parfaitement le rayonnement solaire, si bien que les objets dénués d'atmosphère gravitant autour de Saturne ont une température comprise entre 50°K et 130°K (-220°C à -140°C). Quant aux atmosphères de Saturne et de Titan, elles sont caractérisées par des températures allant de 70°K à 200°K (200°C à -70°C) du fait de processus de redistribution de la chaleur en leur sein (avec une composante de chaleur d'origine interne pour Saturne).
Tous ces objets sont donc des corps froids qui rayonnent essentiellement dans le domaine infrarouge moyen et lointain. Les observations effectuées par l'instrument CIRS permettent, d'une part, de déterminer la température de ces différents corps, et d'autre part, d'identifier les molécules composant ces corps grâce à des raies d'émission ou d'absorption produites lors de transitions moléculaires. Les caractéristiques de l'instrument CIRS - domaine spectral étendu, résolution spectrale, et résolution spatiale - permettent une caractérisation tri-dimensionnelle des atmosphères de Saturne et de Titan, à savoir le profil de température, la distribution des constituants gazeux et des aérosols en fonction de l'altitude, de la latitude et de la longitude. Cet instrument mesure également les caractéristiques thermiques et la composition de la surface des satellites et des anneaux.
