LESIA - Observatoire de Paris

L’instrument VIRTIS

vendredi 12 décembre 2014, par Stéphane Erard

VIRTIS

L’objectif principal de VIRTIS est de procéder à des observations de spectro-imagerie sur la comète 67P/Tchourioumov-Guérassimenko couvrant le domaine UV-IR. L’étude porte aussi bien sur le noyau de la comète (et les astéroïdes croisés en chemin) que sur sa coma. L’association d’un spectro-imageur visible-proche infrarouge (VIRTIS-M) et d’un spectromètre infrarouge à dispersion croisée (VIRTIS-H) fournit une combinaison optimale pour étudier la variabilité de la surface et les signatures subtiles de l’atmosphère et des glaces.

Le modèle de rechange de VIRTIS a par la suite été intégré à la charge utile de la mission Venus-Express, en opérations depuis avril 2006. Cette filière instrumentale a ensuite été déclinée pour d’autres expériences : VIR, embarqué sur la mission Dawn (à Rome) est une adaptation de VIRTIS-M ; les projets SIMBIO-SYS/VIHI sur BepiColombo, MaRIS pour MarcoPolo-R, et MIRTIS pour ExoMars Orbiter (au LESIA) utilisent l’héritage de VIRTIS.

VIRTIS en calibration sol
VIRTIS en calibration sol

L’instrument est entouré de ses protections thermiques. On distingue à gauche le baffle de la voie H, à droite celui de la voie M (Crédits : VIRTIS team)

Virtis-M

Les deux réseaux imbriqués de VIRTIS-M
Les deux réseaux imbriqués de VIRTIS-M

La zone centrale est utilisée pour le visible (crédits : IASF/INAF)

VIRTIS-M possède une seule tête optique (télescope de Shafer + spectromètre Offner), le signal étant renvoyé sur deux détecteurs bidimensionnels distincts : la voie Visible (CCD, 0,25-1 µm) et la voie Infrarouge (HgCdTe, 1-5,2 µm). La dispersion spectrale est effectuée dans une direction des détecteurs, l’autre dimension fournissant une image de la fente d’entrée divisée en 256 pixels. La seconde dimension spatiale est acquise au cours du temps, avec le déplacement de la sonde sur sa trajectoire. Un miroir d’entrée permet d’augmenter les capacités de pointage et de balayage spatial. Le design est extrêmement compact, les deux réseaux Visible et IR étant imbriqués l’un dans l’autre. L’instrument est adapté à la cartographie systématique, avec une résolution spectrale permettant l’étude des minéraux et des glaces (R=200).

Design optique de Virtis-M
Design optique de Virtis-M

(crédits : VIRTIS team)

Virtis-H

Tête optique de VIRTIS-H après cablage
Tête optique de VIRTIS-H après cablage

(crédits : LESIA)

VIRTIS-H est un spectromètre échelle, utilisant un prisme et un réseau en série. Le domaine spectral 2-5 µm est dispersé en 8 ordres sur un détecteur infrarouge bidimensionnel. En mode nominal les spectres sont reconstitués à bord avant transmission pour économiser la bande passante. Les deux dimensions du détecteur étant utilisées pour la dispersion spectrale, l’instrument n’acquiert qu’un seul spectre à la fois et l’unique dimension spatiale est acquise au cours du temps (spectromètre ponctuel).

Les objectifs scientifiques de la voie H sont l’observation de la coma et des émissions de gaz, et celle du noyau. Dans le premier cas, la résolution de l’instrument (R=1500) lui permet de séparer les raies H2O et CO, dans le second, de distinguer les signatures à 3 µm des PAH (matériaux organiques à base de cycles aromatiques) et de la glace de méthanol, ou de séparer les signatures de glace et de minéraux.

Design optique de Virtis-H
Design optique de Virtis-H

(crédits : VIRTIS team)

Caractéristiques

Les deux voies M partagent la même optique. Les deux voies IR utilisent des détecteurs identiques. Le CCD de la voie Visible est refroidi passivement. Les deux détecteurs IR sont refroidis à 70 K par deux machines à détente Stirling.

Caractéristiques
VIRTIS-M visibleVIRTIS-M IRVIRTIS-H
Domaine spectral (µm) 0,220–1,046 0,952–5,059 1,88-5,03
Résolution spectrale 100–380 70–360 1300–3000
Champ (mrad x mrad) 63,6 (fente) × 64,2 (scan) 63,6 (fente) × 64,2 (scan) 0,49 × 1,47
Résolution spatiale (mrad) 0,2486 (fente) x 0,2508 (scan) 0,2486 (fente) x 0,2508 (scan) 0,49 × 1,47
Télescope Shafer Shafer Parabolique hors-axe
Spectromètre Offner Offner Echelle
Détecteurs CCD 508 x 1024 HgCdTe 270 x 436 HgCdTe 270 x 436
Température de fonctionnement (K) 150-190 65-90 65-90
VIRTIS intégré, en salle blanche
VIRTIS intégré, en salle blanche

La plaque supérieure est le radiateur de l’instrument (crédits : VIRTIS team)

Personnels LESIA impliqués

L’instrument VIRTIS résulte d’une collaboration tri-nationale :

  • l’Italie (A. Coradini puis F. Capaccioni, IAPS/INAF, responsable scientifique) qui coordonne l’intégration de l’instrument et la réalisation de la voie de cartographie VIRTIS-M (visible et infrarouge)
  • la France (P. Drossart puis S. Erard, LESIA, coordinateur national) pour la voie VIRTIS-H de spectroscopie infrarouge à haute résolution
  • l’Allemagne (G. Arnold, DLR, coordinatrice nationale) pour la réalisation de l’électronique de l’instrument et du logiciel de bord
Equipe scientifique
Stéphane Erard Coordinateur national,
Pierre Drossart Coordinateur national initial (1995-2010)
Antonella Barucci
Nicolas Biver
Dominique Bockelée-Morvan
Michel Combes
Jacques Crovisier
Daniela Despan
Thérèse Encrenaz
Sonia Fornassier
Cédric Leyrat
Frédéric Merlin
Didier Tiphène
Batiste Rousseau Doctorant
Vincent Debout Doctorant
Développement et opérations
Florence Henry Chef de projet, Gestion des données
Jean-Michel Reess Chef de projet (2010-2014), Optique
Alain Sémery Chef de projet initial (1995-2010)
Xavier Bonnin Gestion de données (2008-2010)
Marc Bouyé Mécanique, qualité
Olivier Dupuis Assemblage, Intégration et Tests
Agnès Fave Documentation
Yann Hello Détecteurs
Gérard Huntzinger Electronique de proximité
Sophie Jacquinod Gestion de données
Driss Kouach Thermique
René Knoll
Jérome Parisot Assemblage, Intégration et Tests
Alain Piacentino Bureau d’études
Jean-Pierre Rivet Atelier mécanique
Douchane Stéfanovitch Electronique
Thèses soutenues
Jennifer Romon Simulation des états de surface de noyaux cométaires et TNOs (2002)
Yamina Ghomchi Caractérisation et étalonnage du détecteur IR de l’instrument VIRTIS-H pour la mission cométaire Rosetta (2001)
Aurélie Le Bras Etude de l’état de surface des astéroïdes par spectroscopie infrarouge en réflectance (2001)

Avant intégration de l’instrument complet, VIRTIS-H a été étalonné séparément au LESIA dans la cuve SimEnOm, et les détecteurs ont été étudiés sur le banc de test YACADIRE.