À 6 h 28 HAE le 21 août 1972, le satellite Copernicus de la NASA, le télescope spatial le plus lourd et le plus complexe de son temps, a illuminé le ciel alors qu’il montait en orbite depuis le complexe de lancement 36B à ce qui est maintenant la station de force spatiale de Cap Canaveral. , Floride.
Initialement connu sous le nom d’Observatoire astronomique orbital (OAO) C, il est devenu OAO 3 une fois en orbite à la mode de l’époque. Mais il a également été renommé pour honorer le 500e anniversaire de la naissance de Nicolas Copernic (1473-1543). L’astronome polonais a formulé un modèle du système solaire avec le Soleil en position centrale au lieu de la Terre, rompant avec 1 300 ans de tradition et déclenchant une révolution scientifique.
Équipé du plus grand télescope ultraviolet jamais mis en orbite à l’époque ainsi que de quatre instruments à rayons X co-alignés, Copernicus était sans doute le premier observatoire dédié à l’astronomie à plusieurs longueurs d’onde de la NASA. Cela en fait un ancêtre des satellites en exploitation comme l’observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA, qui surveille le ciel dans le visible, l’ultraviolet et les rayons X.
« Les deux engins spatiaux partagent également des liens institutionnels », note le chercheur principal de Swift, S. Bradley Cenko, au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland. « Goddard a géré les deux missions, et l’expérience de rayons X sur Copernicus a été fournie par le Mullard Space Science Laboratory de l’University College London, qui a également contribué au télescope ultraviolet/optique de Swift. »
Apprendre à pointer et à maintenir un télescope en orbite sur une étoile suffisamment longtemps pour que les détecteurs captent sa lumière s’est avéré beaucoup plus difficile que prévu. Les satellites conçus pour étudier le Soleil à l’époque avaient un avantage intrinsèque : ils ciblaient l’objet le plus brillant du système solaire. Copernicus a volé avec une nouvelle unité de référence inertielle (IRU) développée par le Massachusetts Institute of Technology. Les gyroscopes de l’IRU ont accéléré le processus d’acquisition des cibles, tandis que d’autres systèmes maintenaient le satellite verrouillé. Dans une étude des 500 premiers jours de la mission, un ingénieur l’a résumé en notant que l’IRU avait fait du vol Copernic « une opération ennuyeuse ».
Au début de la NASA, les astronomes ont souligné la nécessité d’études ultraviolettes (UV), qui ne pouvaient pas être réalisées à partir du sol, et cela est devenu l’objectif principal du programme OAO. Sur quatre satellites lancés, un est tombé en panne après trois jours dans l’espace et un autre n’a pas du tout atteint l’orbite. OAO 2, lancé en 1968 et nommé Stargazer, a fourni des années d’observations, y compris des spectres stellaires à basse résolution, qui étalent les longueurs d’onde un peu comme un arc-en-ciel pour révéler les empreintes UV de molécules et d’atomes spécifiques. Copernicus est allé encore plus loin, capturant des spectres avec jusqu’à 200 fois plus de détails dans certaines longueurs d’onde.
« Cette mission a obtenu des spectres haute résolution de nombreuses étoiles dans l’UV et fourni des informations aux longueurs d’onde les plus courtes atteintes depuis de nombreuses années », a écrit Nancy Grace Roman, première responsable de l’astronomie au Bureau des sciences spatiales au siège de la NASA, à Washington, et scientifique du programme Copernicus. Au cours de la mission, Roman est devenu l’un des moteurs du projet du grand télescope spatial, maintenant connu sous le nom de télescope spatial Hubble de la NASA. Elle est également l’homonyme du télescope spatial romain de la NASA, qui devrait prendre son envol dans quelques années.
L’instrument principal à bord de Copernicus était le Princeton Experiment Package, qui captait la lumière UV à l’aide d’un miroir de 32 pouces (0,8 mètre) d’environ un tiers de la taille de Hubble. Dirigé par Lyman Spitzer Jr. de l’Université de Princeton dans le New Jersey, l’instrument a produit un trésor d’informations sur le gaz interstellaire et les sorties ionisées des étoiles chaudes. Sa première cible, une étoile nommée Zeta Ophiuchi qui est en partie voilée par un nuage interstellaire, a montré une forte absorption des molécules d’hydrogène. Les mesures de dizaines d’autres étoiles ont confirmé une théorie prédisant que la majeure partie de l’hydrogène dans les nuages de gaz existait sous cette forme.
En 1946, Spitzer a commencé à spéculer sur les types de science qui pourraient être possibles avec un grand télescope en orbite, devenant plus tard le catalyseur du développement de Hubble. Le télescope spatial Spitzer de la NASA, qui a fonctionné de 2003 à 2020 et a exploré, entre autres sources, les nuages froids où naissent les étoiles, a été nommé en son honneur.
Au moment où la NASA envisageait des propositions d’instruments pour Copernicus, un seul objet céleste, le Soleil, était connu pour émettre des rayons X. Cela a changé en 1962. Volant de nouveaux détecteurs de rayons X sur une fusée suborbitale, une équipe de recherche dirigée par Riccardo Giacconi à American Science and Engineering Inc., alors à Cambridge, Massachusetts, a découvert la première source de rayons X au-delà du système solaire, nommée Scorpius X-1. Des vols supplémentaires ont découvert d’autres sources cosmiques, dont Cygnus X-1, longtemps suspecté et maintenant connu pour héberger un trou noir de masse stellaire.
Avec cette percée, Giaconni propose le premier satellite dédié à la cartographie du ciel en rayons X. Lancé en 1970 et fonctionnant pendant trois ans, le satellite Uhuru de la NASA a cartographié plus de 300 sources, a montré que beaucoup sont des étoiles à neutrons ou des trous noirs alimentés par le flux de gaz provenant de compagnons stellaires et a découvert les rayons X du gaz chaud dans les amas de galaxies. Giaconni continuerait à proposer des satellites à rayons X plus puissants – l’observatoire Einstein de la NASA, qui a fonctionné de 1978 à 198, et l’actuel vaisseau amiral des rayons X de la NASA, l’observatoire à rayons X Chandra, lancé en 1999.
L’expérience de rayons X à bord de Copernicus a été dirigée par Robert Boyd de l’University College de Londres, et les trois télescopes à rayons X ont connu des défis importants. Les détecteurs à plus grande longueur d’onde ont été submergés par un niveau de rayonnement de fond étonnamment élevé. Il s’est avéré provenir d’un vaste nuage d’atomes d’hydrogène en forme de comète entourant la Terre, appelé le géocorona, qui diffuse la lumière ultraviolette lointaine. Les instruments ultérieurs ont ajouté un filtre réglé pour absorber les UV mais laisser passer les rayons X.
En juin 1973, les scientifiques de Goddard ont remarqué un problème avec un obturateur dans les télescopes à rayons X. L’appareil a été utilisé pour empêcher périodiquement les rayons X d’atteindre le détecteur afin que les scientifiques puissent suivre l’évolution du rayonnement de fond des particules chargées dans différentes parties de l’orbite. Maintenant son fonctionnement était devenu hésitant. Craignant que l’obturateur ne reste définitivement en position fermée, l’équipe de l’instrument avait décidé de ne plus l’utiliser. Mais une dernière commande est passée – et l’obturateur collant s’est bloqué, aveuglant les instruments.
Un quatrième détecteur non attaché à un télescope a continué à fonctionner pendant toute la durée de la mission. Ce compteur de rayons X mesurait le rayonnement de 1 à 3 angströms sur un large champ de vision – 2,5 sur 3,5 degrés, soit environ 40 fois la surface apparente d’une pleine lune.
L’expérience aux rayons X a découvert plusieurs pulsars à longue période, dont X Persei. Les pulsars, généralement des étoiles à neutrons en rotation, avaient été découverts cinq ans avant le lancement de Copernic. Ces objets balancent un faisceau de rayonnement dans notre direction à chaque fois qu’ils tournent, généralement des dizaines à des milliers de fois par seconde. Curieusement, le pulsar X Persei prend tranquillement 14 minutes par tour.
Copernic a effectué une surveillance à long terme des pulsars et d’autres sources lumineuses, et a observé Nova Cygni 1975, une explosion sur la naine blanche dans un système binaire proche. L’expérience a découvert de curieuses baisses d’absorption des rayons X à Cygnus X-1, probablement causées par des amas froids et denses dans le gaz s’éloignant de l’étoile. Et le satellite a enregistré des rayons X variables de la galaxie Centaurus A alimentée par un trou noir, située à environ 12 millions d’années-lumière.
Copernicus a renvoyé des observations UV et rayons X pendant 8,5 ans avant sa retraite en 1981, et il orbite toujours autour de la Terre aujourd’hui. Il a quitté le devant de la scène de l’astronomie spatiale à mesure que des observatoires plus avancés sont apparus, notamment Einstein et l’International Ultraviolet Explorer, qui a été lancé en 1978 et a fonctionné pendant près de 19 ans. Les observations de Copernicus apparaissent dans plus de 650 articles scientifiques. Ses instruments ont étudié quelque 450 objets uniques ciblés par plus de 160 enquêteurs aux États-Unis et 13 autres pays.