Pourquoi le (petit) Hubble était-il mieux en mesure de trouver des cibles KBO pour New Horizons que les grands télescopes au sol à optique adaptative?

Lorsque les recherches initiales d'un objet de la ceinture de Kuiper pour que New Horizons puisse voler après avoir dépassé Pluton n'ont pas trouvé de bonnes cibles, le télescope Hubble a été utilisé, ce qui a donné lieu au survol cible actuel pour 2019. Les recherches initiales ont utilisé des télescopes au sol. Lorsque la recherche risquait de manquer de temps sans une bonne cible, le Hubble a été amené pour aider.

Selon ce que vous avez lu sur la génération actuelle de grands télescopes terrestres qui utilisent une optique adaptative, ces télescopes ont une résolution angulaire et une zone de collecte de lumière beaucoup plus grandes que le Hubble. Alors pourquoi le Hubble était-il mieux capable de trouver une bonne cible?

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Une partie de la réponse peut être que la génération actuelle de télescopes à optique adaptative ne fait que l'optique adaptative dans l'infrarouge , du moins si les KBO sont mieux observés à la lumière visible, ce que je ne sais pas, mais je l'ai déplacé vers une question distincte .

En ce qui concerne tout le monde suggérant que l'absorption atmosphérique est à blâmer, comment cela se vérifie-t-il: le télescope Subaru de 8,3 m (qui était l'un des télescopes utilisés dans la recherche au sol) a une zone de collecte de lumière de 53 m2. Le Hubble a une surface de collecte de 4,5 m2. Ainsi, l'absorption atmosphérique devrait être de 91,5% pour qu'ils puissent collecter la même quantité de lumière. Bien sûr, l'absorption atmosphérique est élevée pour certaines longueurs d'onde infrarouges, mais certainement pas si élevée sur toutes les longueurs d'onde pertinentes.

Je soupçonne que c'est une combinaison de deux choses:

1. Imagerie haute résolution stable et garantie sur tout le champ de vision, chose impossible avec l'optique adaptative au sol;

2. Fond très faible dans l'optique pour HST (Hubble), contre un fond très élevé pour AO au sol dans le proche infrarouge.

La plupart des systèmes d'optique adaptative ne peuvent corriger que dans une petite région (le «patch isoplanatique») autour d'une «étoile guide» brillante (disons, une demi-minute d'arc de rayon au maximum); même avec des étoiles de guidage laser artificielles, vous avez toujours besoin d'une étoile de guidage modérément brillante pour une correction dite "tip-tilt". Cela signifie que vous ne pouvez effectuer des recherches d'optique adaptative que dans des parties limitées du ciel.

Le HST , quant à lui, fournit une imagerie haute résolution sur tout son champ de vision (plusieurs minutes d'arc), tout le temps, quel que soit l'endroit où il est pointé.

Pour aggraver les choses, la trajectoire de New Horizons est proche du plan galactique, il y a donc beaucoup d' étoiles de fond faibles . Cela rend plus difficile la sélection des objets possibles de la ceinture de Kuiper, ce qui rend encore plus importante une fonction d'étalement ponctuel très précise et stable (comme celle du HST ).

Il est préférable d'effectuer ces recherches dans l'optique, afin de minimiser l'arrière-plan du ciel. L'absence de lueur atmosphérique du ciel (principalement la lumière diffusée du soleil et de la lune) pour le HST facilite la détection rapide de sources faibles comme les KBO. Le fait que les systèmes d'optique adaptative, comme vous et Rob Jeffries le notez, fonctionnent presque entièrement dans le proche infrarouge, où le fond atmosphérique est beaucoup plus élevé, le rend encore pire pour eux.

L'optique adaptative atténue uniquement la turbulence de l'air qui rend les images floues - et même cela n'est qu'une récupération partielle.

Tous les autres problèmes demeurent. L'air absorbe différentes longueurs d'onde. L'air a une certaine lueur provenant de diverses sources (pollution lumineuse, etc.) qui masque les objets faibles. Etc.

Rien ne remplace réellement un grand télescope fonctionnant sous vide.

Je pense que vous avez mis le doigt sur la tête dans votre question. Les KBO sont vus dans la lumière du soleil réfléchie et ils sont incroyablement faibles, car la quantité de lumière réfléchie atteignant la terre correspond à la quatrième puissance inverse de leur distance de nous (voir ma réponse à cette question sur la tentative de visualisation des objets du nuage d'Oort).

Pour voir de tels objets, il faut des observations d'imagerie en profondeur avec de faibles niveaux de contamination de fond. Cet arrière-plan est minimisé en ayant des images avec une fonction d'étalement de points (PSF) extrêmement petite - le type de PSF qui ne peut être atteint que par des télescopes spatiaux ou des télescopes terrestres utilisant une optique adaptative.

Cependant, le spectre solaire est bien sûr fortement atteint un pic dans la région visible et les systèmes d'optique adaptative au sol ne sont pas efficaces dans cette gamme de longueurs d'onde (l'AO au sol fonctionne dans le proche infrarouge, mais en plus des KBO étant intrinsèquement plus faibles à ces longueurs d'onde il y a aussi le problème du bruit de fond apporté à la fois par l'atmosphère terrestre et le télescope lui-même). Par conséquent, le télescope spatial Hubble est l'instrument de choix.

La magnitude de ces objets de ceinture de Kuiper est incroyablement petite, pour commencer. L'atmosphère déforme normalement les étoiles et disperse la lumière même les nuits les plus claires. En plus de cela, ces objets plus proches peuvent être trouvés grâce à la détection infrarouge. L'atmosphère absorbe extrêmement bien les longueurs d'onde infrarouges, ce qui rend les observations spatiales une nécessité. Le télescope Hubble détecte également les ultraviolets, le visible et le proche infrarouge, ce qui en fait un télescope idéal pour ces petits objets de ceinture de Kuiper.

Pour faire face à l'absorption atmosphérique, les télescopes au sol tels que le télescope Subaru sont construits sur les montagnes afin qu'il y ait moins d'atmosphère à regarder à travers et les risques de couverture nuageuse. Cependant, le problème avec la recherche de KBO était qu'elle devait être effectuée dans un court laps de temps afin que New Horizons puisse y être dirigé avec moins de carburant. Hubble est idéal pour cela car il peut regarder les objets dans la bonne direction toute la journée tandis que les télescopes au sol ne peuvent le faire que la nuit en supposant que la nuit est suffisamment claire pour voir ces objets. Normalement, Hubble est réservé aux projets et recherches scientifiques les plus exclusifs en raison de la qualité incroyable de ses données. New Horizons avait déjà coûté tellement cher qu'il valait la peine de consacrer un peu de temps à chercher sa prochaine destination au lieu de se contenter de télescopes au sol.

Cet article [1] suggère que l'un des avantages de Hubble et d'autres télescopes spatiaux est qu'ils peuvent mieux imager des objets très faibles car ils n'ont pas à faire face à la lueur atmosphérique. L'optique adaptative n'aide pas à cela, et une plus grande zone de collecte recueille également plus d'éclat d'arrière-plan. La lueur atmosphérique est également plus intense dans l'infrarouge que dans la lumière visible.

Autres différences énumérées: les télescopes au sol ne peuvent pas faire des mesures de luminosité aussi précises en raison de la turbulence atmosphérique (AO n'aide apparemment pas à cela); les télescopes au sol peuvent avoir une meilleure résolution angulaire en raison des tailles plus grandes; Les télescopes au sol peuvent utiliser des spectrographes plus gros, plus lourds et meilleurs que ceux qui sont pratiques dans les engins spatiaux.

[1] Introduction à l'optique adaptative et à son histoire, Claire Max, au Center for Adaptive Optics, U. Calif, 2001