thumb|SOFIA en position d'observation.

Lobservatoire stratosphérique pour l'astronomie infrarouge, (SOFIA), est un télescope infrarouge aéroporté développé conjointement par la NASA et l'agence spatiale allemande. Son premier vol est effectué le et le télescope est déclaré opérationnel en 2014. Son dernier vol scientifique a lieu le ..

La partie optique de SOFIA est constituée d'un télescope de doté d'un miroir de de diamètre. L'avion porteur, en circulant à une altitude de près de , permet l'observation du rayonnement infrarouge dans une gamme d'ondes qui va de l'infrarouge proche à l'infrarouge lointain (5 à ), laquelle ne peut être observée par des télescopes terrestres car interceptée par l'atmosphère. Courant 2020, le télescope comporte six instruments dont une caméra optique, un polarimètre et plusieurs spectromètres. L'instrument est utilisé pour déterminer la composition de l'atmosphère des planètes et de leur surface, pour étudier les comètes, la physique et la chimie du milieu interstellaire ainsi que la formation des étoiles.

Contexte : l'astronomie infrarouge

vignette|upright=2|Spectre de transmission de l'atmosphère. Dans le visible, les pertes résultent principalement de la diffusion Rayleigh, alors que dans l'infrarouge, elles proviennent de l'absorption.

L'astronomie infrarouge étudie la partie située dans l'infrarouge du rayonnement émis par les objets astronomiques. La gamme de longueurs d’onde de l’infrarouge se situe entre 0,75 et entre la lumière visible (0,3 à ) et les ondes submillimétriques (à partir de ). L'astronomie infrarouge permet d'étudier des objets célestes qui ne sont pas observables en lumière visible ainsi que des processus dont les caractéristiques sont en partie révélées par le rayonnement infrarouge qu'ils émettent. Les observations dans l'infrarouge portent en particulier sur les objets masqués en lumière visible par d'épais nuages de gaz ou de poussière interstellaire (centre de notre galaxie, pouponnières d'étoiles, proto-étoiles) et sur les galaxies les plus lointaines dont le rayonnement subit un décalage vers le rouge dû à l'expansion de l'univers qui les éloigne à des vitesses très grandes de notre galaxie..

La lumière infrarouge émise par les objets célestes est en partie absorbée par la vapeur d’eau contenue dans l’atmosphère terrestre. L'infrarouge moyen et lointain (à compter de 8 micromètres) n'est pratiquement observable que depuis la très haute altitude. Plusieurs méthodes ont été utilisées pour contourner cette contrainte : placer les télescopes à infrarouge à des altitudes élevées (Observatoires du Mauna Kea, VISTA), les placer en orbite (Spitzer, IRAS (), Herschel) ou les installer à bord d'engins aéroportés (ballons, avions) volant à très haute altitude.

Historique du projet

Télescope aéroporté Kuiper

vignette|Gros plan sur l'optique du télescope aéroporté Kuiper.

Le télescope SOFIA est le successeur du télescope aéroporté Kuiper, développé par la NASA et qui est resté opérationnel entre 1974 et 1995. Celui-ci comprenait un télescope de d'ouverture permettant d'observer l'infrarouge proche, moyen et lointain (1 à ). Il était installé à bord d'un avion à réaction C-141 Starlifter qui est utilisé en vol à une altitude de , c'est-à-dire au-dessus de 99 % de la vapeur d'eau contenu dans l'atmosphère. Il permet de découvrir les anneaux d'Uranus en 1977 et la présence d'eau dans les atmosphères des planètes gazeuses géantes Jupiter et Saturne.

Développement

La NASA propose en 1984 de développer un télescope aéroporté ayant une ouverture de et qui serait transporté par un Boeing 747. Les spécifications sont détaillées en 1987 et l'Allemagne de l'ouest décide de partage à hauteur de 20 %. Mais la réunification de l'Allemagne entraîne une période d'austérité budgétaire tandis que la NASA subit de son côté des coupes budgétaires. Le planning du projet SOFIA glisse de cinq années. La NASA sous-traite le projet à l'USRA et la coopération avec l'Allemagne est contractualisée en 1996. Les principaux composants du télescope sont assemblés à Augsbourg en Allemagne en 2002 et livrés quelques mois plus tard aux États-Unis. Les premiers tests au sol du télescope ont lieu en 2004.

Le télescope doit être monté à bord d'un B-747 d' modifié pour permettre l'emport du télescope et sa mise en œuvre. Mais trois fournisseurs successifs de la porte mobile qui doit permettre au télescope de faire ses observations en vol font successivement faillite ce qui entraîne un report en 2001. La compagnie aérienne fait elle-même faillite et se retire du projet alors qu'elle devait prendre en charge la mise en œuvre du télescope. En , le coût du télescope aéroporté ayant cru de 185 à de dollars, le projet est réexaminé mais finalement la NASA donne son feu vert pour le poursuivre.

Le télescope aéroporté effectue son premier vol le à l'usine L-3 Integrated System (L-3 IS) à Waco au Texas.. Le comportement en vol avec la porte ouverte et fermée est longuement testé et les premières observations scientifiques de routine débutent en 2010. Le fonctionnement à pleine capacité est atteint en 2014.

Les deux retirés du service servent de réserves de pièces détachées.

Fin de carrière

L'utilisation du télescope SOFIA est en 2020 loin d'atteindre les objectifs fixés par ses concepteurs. Selon un audit effectué par un organisme indépendant, alors que les responsables s'étaient donnés comme objectif la production de scientifiques par an, l'utilisation du télescope aéroporté sur la période 2014-2018 n'a produit en moyenne que scientifiques par an. Les responsables du projet tentent d'optimiser l'exploitation de l'instrument en démarrant de nombreux projets mais seules 40 % des propositions retenues comme prioritaires ont pu être menées à bien. SOFIA se classe en avant-dernière position parmi terrestres (plus Hubble) pour la production de papiers scientifiques et en dernière position pour le nombre de citations. Avec un coût annuel de de dollars, c'est par ordre de coût le deuxième instrument d'astrophysique opérationnel de la NASA juste derrière le télescope spatial Hubble. L'administration Trump a proposé d'arrêter le projet en mais le Congrès n'a pas donné son accord. La NASA annonce finalement le que SOFIA cessera ses opérations d'ici le , d'un commun accord avec l'agence spatiale allemande. Le dernier vol scientifique a lieu du 29 au . Il a effectué un total de d'observation..

Il effectue son dernier vol le pour rallier la base de Davis-Monthan à Tucson dans l'Arizona. Il sera exposé au ..

Description thumb|Miroir primaire de SOFIA. vignette|Les instruments regroupés autour du point focal du télescope, la partie optique se trouve de l'autre côté de la cloison.

La partie optique du télescope SOFIA comprend un miroir primaire de de diamètre dont sont frappés par le rayonnement. Il permet de collecter le rayonnement compris entre . Sa masse est de . Il est conçu pour combler le trou existant entre le futur télescope spatial JWST qui permet d'observer jusqu'à et le télescope Alma qui observe le rayonnement micro-ondes à compter de . Le télescope est construit par un consortium piloté par l'agence spatiale allemande DLR et son miroir principal est conçu et réalisé par la société française Reosc NASA - AIRBORNE OBSERVATORY'S TELESCOPE WEIGHT REDUCED, 1999, consulté le 20 juin 2014...

En 2020, les instruments de SOFIA sont : La caméra optique FPI+ () qui prend des images en lumière visible et dans le proche infrarouge (0,36-), Le spectromètre à grisme FORCAST () qui observe dans l'infrarouge moyen et lointain (5-) avec une résolution spectrale comprise entre 100 et 300. Le spectromètre haute résolution EXES () qui observe dans l'infrarouge moyen et lointain (4,5-) avec une résolution spectrale comprise entre 103 et 105. La caméra, bolomètre et polarimètre HAWC+ () qui observe dans l'infrarouge lointain (50-) avec une résolution spectrale comprise entre 2,3 et 8,8, Le spectromètre échelle FIFI-LS () qui observe dans l'infrarouge lointain (51-) avec une résolution spectrale comprise entre 600 et , Le spectromètre hétérodyne GREAT () qui observe dans l'infrarouge lointain (63-) avec une résolution spectrale comprise entre 106 et 108.

+Principales caractéristiques des instruments en 2020 Instrument Responsable scientifique Type instrument Longueurs d'onde Résolution Champ de vue DétecteurFPI+ Jürgen Wolf Université de Stuttgart Caméra lumière visible à haute vitesse 0,36 – 1,10 μm 0,9 – 29 micromètres 8,7' x 8,7' CCD 1024 x 1024 pixelsFORCAST Terry Herter Université Cornell Caméra infrarouge moyen spectromètre imageur à grisme 5-40 micromètres 100-300 3,2' x 3,2' 2 détecteurs 256 x 256 pixels (Si:As et Si:Sb)EXES Matthew Richter Université UC Davis Spectromètre échelle infrarouge moyen à haute résolution 4,5 – 28,3 micromètres 103 et 105 fente 1” x 180” 1024 x 1024 pixels (Si:As) HAWC+ Charles Dowell JPL/Caltech Caméra à bolomètre infrarouge lointain Polarimètre 53, 89, 154 et 214 micromètres (bandes 20 %) Δλ = 9 – 43 entre 1,4' x 1,7' (53 μm) et 4,8' x 6,4' (214 μm) bolomètre 3 x (32 x 40) FIFI-LS Alfred Krabbe Université UC Davis Spectromètre à grille à champ intégré infrarouge lointain 2 canaux 51 – 120 et 115 - 203 micromètres 600-2000 30” x 30” (bleu) et 60” x 60” (rouge) 2 x (16x25) Ge:GaGREAT, upGREAT Rolf Güs Université UC Davis Spectromètre hétérodyne multi-pixels infrarouge lointain 63 – 612 micromètres 106 - 108 Récepteur hétérodyne à diffraction limitée

vignette|Cockpit du Boeing. L'avion porteur est un , une version courte du quadriréacteur qui est conçu pour effectuer des vols particulièrement longs et qui a été obtenu à partir de la version standard en raccourcissant le fuselage et en modifiant fortement d'autres éléments pour réduire le poids de l'avion. Livré à la compagnie Pan Am en 1977, il est revendu à en 1986. La NASA, qui l'achète en 1997, a la responsabilité des importantes modifications effectuées pour installer le télescope dans la partie arrière du fuselage. Le télescope est pointé à travers une porte coulissante aménagée entre les ailes et l'empennage arrière. Celle-ci, haute de et large de , peut être ouverte en vol. Le télescope est installé dans la partie arrière du fuselage. Il est séparé du reste de l'avion par une paroi étanche qui permet de maintenir le reste de la cabine pressurisé. Le point focal du télescope se trouve avec les instruments du côté pressurisé du fuselage. Au milieu de la cabine se trouve le centre de contrôle de la mission et la section destinée aux opérations scientifiques. La partie avant permet d'accueillir des visiteurs. Le fait que le fuselage soit en partie exposé au vide n'a pas d'influence sur les qualités de vol et l'aérodynamique de l'avion....Al Nath, « Sofia » , sur potinsduranie.org, Les Potins d’Uranie, , ....

Exploitation vignette|Les consoles permettant de contrôler le fonctionnement des instruments.

SOFIA doit originellement fonctionner durant . L'avion est basé au de Palmdale en Californie et de manière temporaire à Christchurch en Nouvelle-Zélande pour des observations dans l'hémisphère sud. En 2021, l'appareil opère à partir de la Polynésie française, du fait de la fermeture de l'espace aérien néozélandais en raison de la pandémie de Covid-19.. Les conditions d'observation sont meilleures en hiver (moins de vapeur d'eau). L'été (aux États-Unis) est soit consacré à des observations dans l'hémisphère sud soit aux opérations de maintenance.

De février à fin , après une rénovation par Lufthansa Technik à Hambourg en partenariat avec le DLR (), il fait une première campagne en Europe depuis l’aéroport de Cologne. Une vingtaine de sorties de nuit sont prévues..