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L'observation des satellites artificiels

Flash d'ISS filmé le 7 Juin 2001 vers 23h TU par Mike J. Tyrrell avec une caméra JVC308 fixée sur un Meade LX200 de 250mm.

Visibilité des satellites (I)

Selon l'ESA, en 2022 plus de 6170 satellites artificiels ont été lancés depuis le 4 octobre 1957, le jour J de la conquête spatiale, date à laquelle fut lancé le premier Spoutnik soviétique dont les bip-bip firent frémir le monde. Plus de 4900 d'entre eux sont encore actifs aujourd'hui. Avec les projets d'Internet par satellite (voir plus bas), leur nombre devrait décupler dans quelques années. Aussi, si vous avez la chance d'observer le ciel dans un endroit quelque peu éloigné des lumières des villes, il ne faudra pas plus de quelques minutes d'observation pour que l'un d'eux traverse silencieusement la voûte céleste au-dessus de votre tête.

Une centaine de satellites ont une magnitude comprise entre 3.5 et 4 et brillent donc au moins six fois plus que les étoiles les plus pâles visibles à l'oeil nu. Ces satellites bouclent leur révolution géocentrique en 90 minutes environ. Pour ceux et celles qui n'en ont jamais observé, ces satellites ressemblent à de petites étoiles mobiles qui évoluent un peu plus lentement que les avions au long cours que l'on voit parfois traverser silencieusement le ciel à haute altitude.

La magnitude quelquefois indiquée dans les listings ou les logiciels sur lesquels nous reviendrons, ne reflète pas toujours l'éclat réel des satellites. Ainsi, le catalogue Molczan de Mike McCants attribue une magnitude basée sur un satellite illuminé à 50%, alors qu'il utilise une valeur maximale de 100% d'illumination dans son (vieux) logiciel Quicksat. La somme des différences peut atteindre 1.5 magnitude.

Ces valeurs de magnitude sont dérivées mathématiquement des dimensions physiques des objets. Or un satellite ne brille jamais à son éclat maximum car la plupart d'entre eux ont une forme cylindrique et sont inclinés d'environ 45° par rapport à l'observateur. Aussi ne vous étonnez pas de trouver pour un même satellite une magnitude estimée à 4 ou 5.5... J'ai personnellement observé la station ISS à la magnitude de -2 alors qu'elle était estimée à -0.1. Vous savez à présent pourquoi.

La magnitude d'un satellite dépend également de sa distance, de son élévation et des conditions de visibilité. Près de l'horizon par exemple et en ayant le Soleil de face, vous avez peu de chance de le localiser. Vous mettrez toutes les chances de votre côté si vous observez le quadrant du ciel opposé à celui du Soleil afin qu'il réfléchisse au maximum la lumière solaire, c'est-à-dire l'horizon est le soir et l'horizon ouest le matin.

Suivez Telstar 1 (NORAD 340) en temps réel

Dernier représentant des satellites de télécommunication mis en orbite en 1962 mais muet depuis 1963

A gauche, ainsi qu'en témoigne cette simulation réalisée avec WinOrbit, le satellite Hubble est invisible aux latitudes supérieures à 49° Nord (ou Sud). A cette latitude le satellite ne s'élève pas à plus de 1° au-dessus de l'horizon sud (ou nord). A droite, poursuite en temps réel via l'interface GoogleSat Track de la station ISS à laquelle était arrimée la navette spatiale en septembre 2006 (STS-115).

Pour être visible, un satellite doit se situer en dessous de la latitude du lieu qui correspond à son inclinaison orbitale. Ainsi, si vous vivez à 50° de latitude Nord ou Sud, vous ne pourrez pas observer le satellite Hubble dont l'inclinaison est de 28.5°. De même, les satellites orbitant en dessous de 300 km d'altitude ne seront pas visibles au-delà de 10° de latitude au-dessus de leur inclinaison orbitale.

Précisons que compte tenu de l'inclinaison minimale de 28° des satellites héliosynchrones, à la latitude de 50° un satellite artificiel devra orbiter à plus de 2000 km d'altitude pour être visible au-dessus de la cime des arbres se silhouettant à l'horizon.

Comme la plupart des vaisseaux habités en orbite terrestre, la Station Spatiale Internationale (ISS) dont nous reparlerons est rarement visibles au-delà de 50° de latitude, mais si vous avez manquez l'un de ses rendez-vous, vous pourrez généralement vous rattraper dans les jours qui suivent car elle boucle son orbite en 90 minutes et peut survoler votre région durant près de 2 semaines, de même pour la plupart des satellites en orbite bas. Ainsi le 28 février 2001 par exemple la station MIR passa à 74° au-dessus de l'horizon de la Bretagne et du Luxembourg qu'elle survola en l'espace de 15 minutes. Le phénomène se reproduisit début mars et fut photographié par Jörg Hartmann comme en témoignent les images présentées ci-dessous.

A consulter : Localiser le roadster Tesla dans le ciel (voir aussi cette vidéo)

A gauche, cette photo étonnante a été prise à Guadalajara, au Mexique (20.6° N) en juillet 2021 par Álvaro Ibáñez Pérez au cours de plusieurs séances photos entre 23h30 et 5h du matin. L'appareil photo fixé au foyer d'une lunette astronomique était dirigé entre la constellation de Céphée et l'étoile polaire, couvrant un champ de seulement 2.91º x 2.33°. Au cours des 15 heures de temps d'intégration total (90x 600 s) 138 satellites sont passés dans le champ photographique. Aucun satellite Starlink n'a traversé cette région du ciel. Au centre, le 13 février 2001 Jörg Hartmann eut l'occasion de photographier la station ISS alors qu'elle survolait Frankfort vers 19h15 TU. A droite, la station MIR photographiée le 6 mars 2001 à 18h55. APN Sony DSC S70, durée d'exposition de 8 secondes. Jörg utilisa les éphémérides publiées par Heavens-Above.

Un satellite en orbite polaire, y compris feu la navette spatiale américaine, évolue sur une orbite basse, entre 250 et 800 km d'altitude environ, effectuant environ 15 rotations autour de la Terre en une journée. Sa vitesse dépend de son altitude.

Kepler nous rappelle que suite à l’effet de la gravité, la vitesse d’un satellite est inversement proportionnelle à la racine carrée de son altitude : V = √(GM /r), r étant la somme du rayon de l'astre principal et de l’altitude du satellite au-dessus du sol. Ainsi plus un satellite est haut plus il sera lent. La même règle s'applique aux planètes en orbite autour du Soleil.

Rappelons qu’en réalité les orbites ne sont pas circulaires mais pratiquement elliptiques. La vitesse des satellites varie dès lors non seulement en fonction de l'altitude mais également selon la position sur l'orbite. Pour deux corps tels le système Terre-Lune par exemple, dont les paramètres sont V1,R1 et V2,R2, la vitesse V2=V1√(R1/R2). On découvre ainsi que pour se maintenir en orbite, la vitesse de la Lune doit être de l’ordre de V2=3300 x √(380000/6400) = 25000 km/h environ 7 km/s. Pour un satellite artificiel en orbite circulaire à 350 km d’altitude au-dessus de la Terre, la vitesse est d’environ 28000 km/h (7.8 km/s). Il lui faut 1h30 pour boucler une orbite longue de 42000 km. Pour un satellite géostationnaire positionné à 36000 km d'altitude, la vitesse orbitale est d’environ 11000 km/h (3 km/s).

Vous avez donc l'occasion d'observer plusieurs passages de satellites artificiels au cours d'une nuit bien qu'il faille tenir compte de son inclinaison orbitale qui le fera progressivement dévier vers l'est.

Passage d'ISS et de la navette

ISS le 11 fév 2001

STS-98 le 16 fév 2001

Ces deux films ont été réalisés avec une caméra vidéo fixée sur un télescope Meade LX200 de 400mm. Ils ont été réalisés par Joseph Huber et Tobias Lindeman qui présentent leurs résultats sur le site Satellite-Tracking. Ces deux films requièrent l'installation du module Divix Codec MP4 (download 570 Kb).

Afin de conserver une illumination constante (pour la télédétection par exemple), ces satellites sont en permanence contrôlés à partir du sol. Ils tournent d'est en ouest pendant que la Terre tourne dans le sens opposé et ils tournent à la même vitesse autour de la Terre que la Terre autour du Soleil.

La surveillance optique des engins situés à moins de 6000 km d'altitude n'est malheureusement pas possible, ni pour un amateur ni pour le réseau de surveillance de l'Air Force Global Strike Command (ex Air Force Space Command) ou de la NASA. Tout simplement parce que le satellite doit être illuminé par le Soleil et l'observateur dans la nuit. Cette configuration se produit bien au crépuscule mais elle est de courte durée et n'est possible que pour les satellites orbitant à moins de 2000 km d'altitude environ.

Signalons également qu'en été dans l'hémisphère nord, étant donné que le Soleil se couche beaucoup plus tard et illumine plus longtemps la stratosphère, des satellites orbitant entre 300 et 500 km et invisibles en hiver restent visibles après minuit. En revanche, au-delà de 6000 km d'altitude, il n'y a aucun problème, les satellites demeurent visibles toute la nuit.

Pour mémoire, rappelons qu'en Finlande comme dans d'autres contrées proches de sites de lancements, il est possible d'apercevoir les traînées produites par le lancement des fusées russes depuis le cosmodrome de Plesetsk (lat. 62°9 N, long. 40.7°E).

Les satellites géostationnaires

Les satellites géostationnaires qui orbitent à environ 36000 km ne sont pas visibles à l'oeil nu car ils sont de 14e magnitude environ. Il faudrait un télescope d'au moins 450 mm de diamètre pour les observer visuellement. Exceptionnellement, ainsi que nous le rappelle Hugues Laroche, flight dynamics engineer auprès de la société des satellites ASTRA (L), lorsque la surface de leurs panneaux solaires réfléchit la lumière dans la direction de l'observateur, ils peuvent atteindre la magnitude 10 et peut-être même inférieure, sauf en tout début (18h locale en automne) et en fin de nuit où ils sont pratiquement invisibles. Si vous utilisez un télescope d'une ouverture inférieure à 300 mm, je vous conseille de les observer en automne entre 22h30 et 2h30 locale.

La brillance des satellites géostationnaires dépend de la géométrie observateur-satellite. Il y a en effet une configuration géométrique pour laquelle ils présentent une luminosité maximale. Pour le sud de la Belgique et le Luxembourg, la meilleure époque se situe vers 22h50 TU (1h du matin en début d'hiver). Ceci est vrai pour chaque jour de l'année. Se greffe sur cette géométrie, un effet saisonnier : depuis nos régions (50°N), les satellites géostationnaires sont plus brillants aux alentours du 1er mars et du 10 octobre, à leur sortie de l'ombre de la Terre.

Mais en mécanique céleste, rien n'est simple. Pour compliquer les choses, les satellites géostationnaires passent dans l'ombre de la Terre (éclipses) un fois par jour pendant les 22 jours qui précèdent et qui suivent les équinoxes. Les plus longues éclipses, d'environ 1h20m, se produisent aux équinoxes, période durant lesquelles les satellites sont totalement invisibles. La première séquence présentée ci-dessous à gauche illustre ce phénomène. On voit clairement la variation de luminosité et le passage des satellites dans l'ombre de la Terre.

A voir : Geostationary Highway Through Orion, James A. DeYoung, 2011

Satellites géostationnaires au-dessus des Alpes, Michael Kunze, 2011

Imaging Geostationary Satellites, SkyTrac, 2021

Geostationary Satellites with Celestron EdgeHD 800, SkyTrac, 2021

Ci-dessus à gauche, le passage de 8 satellites géostationnaires dans l'ombre de la Terre durant la nuit du 14 au 15 octobre 1999. 10 minutes séparent chaque prise de vue. Dans l'encart figurent les positions des satellites en début de pose. Ce document a été réalisé par Hugues Laroche depuis la société ASTRA au Luxembourg avec un Celestron C14 équipé d'une caméra CCD. La monture était fixe, sans entraînement. A droite, le passage du satellite géostationnaire Cosmos 2172 photographié le 8 mars 2001 avec un télescope Meade LX200 de 250 mm muni d'une caméra CCD Starlight Xpress HX516. Pose de 25 secondes. Ci-dessous à gauche, passage d'un satellite géostationnaire le 18 décembre 2007 au-dessus du Luxembourg. Ce film d'une durée réelle de 140 minutes a été réalisé par Roby Kieffer de l'Observatoire de Schifflange au foyer d'un télescope Newton VIXEN 200SS (200 mm f/4) équipé d'un APN réflex Canon EOS 350D. Le montage des images a été réalisé sous Paint Shop Pro. A droite, tailles des paraboles nécessaires pour capter les émissions des satellites ASTRA situés à 19.2° Est. Vous trouverez dans cet article écrit en anglais des informations techniques sur les antennes paraboliques.

Pour le Grand-Duché de Luxembourg, les coordonnées azimutales des satellites ASTRA sont constantes, azimut de 163.3° et élévation de 31.7° (l'azimut est compté à partir du nord, dans le sens horlogé quand on regarde l'observateur du dessus). En revanche, en coordonnées équatoriales et du fait de la rotation de la Terre, l'ascension droite varie constamment tandis que la déclinaison est fixe, environ -7.25° depuis nos régions.

Tout ceci est approximativement vrai. En réalité chaque satellite doit rester dans le voisinage de la position prescrite, les tolérances précises étant données en termes de longitude et latitude. En pratique, les satellites géostationnaires ne s'en écartent pas de plus de 0.15°.

Si vous observez plusieurs satellites géostationnaires pendant un moment, vous verrez qu'en fait ils se déplacent lentement les uns par rapport aux autres. Ils ressemblent à un petit amas d'étoiles qui évolue lentement au fil des minutes. C'est un spectacle très rare que très peu d'amateurs ont eu l'occasion d'observer.

Le télescope spatial James Webb

Le télescope spatial James Webb (JWST) fut lancé le 25 décembre 2021 et rejoignit le point L2 de Lagrange situé à 1.5 million de kilomètres de la Terre le 28 janvier 2022 au terme d'un voyage de 35 jours à la vitesse d'environ 0.5 km/s. Le JWST est visible dans un télescope d'au moins 400 mm de diamètre ou par photographie comme une faible étoile de magnitude apparente 15 ou 16 (cf. ces courbes lumineuses). L'astronome Tony Dunn a simulé sa trajectoire parmi les étoiles dans l'application en ligne Orbit Simulator. Vous pouvez également connaître la position du JWST en temps réel en consultant l'application Stellarium, The Sky Live ou N2YO.

A voir : The James Webb Space Telescope, online observation, 2022

A gauche, une photo du passage du JWST prise par Tom Polakis le 5 janvier 2022 à 7h02 TU. Il s'agit d'une exposition de 2 minutes. A droite, animation en time-lapse du passage du JWST enregistré par Rolf Olsen le 6 janvier 2022 entre 8h41 et 9h54 TU avec un télescope newtonien Serrurier Truss de 317 mm f/4 de fabrication personelle équipé d'une caméra CCD QSI 683wsf-8 et d'un système de guidage Lodestar. Durant cette période, la magnitude du JWST oscillait entre 14.0 et 15.8. L'étoile orange est TYC133-1054-1 de magnitude 8.65 située dans la Licorne (Monoceros, cf. cette carte du ciel). Il s'agit du montage de 22 images prise sous filtres LRGB Astrodon Gen2 exposées chacune 2 minutes. Cliquer sur l'image pour lancer l'animation (.GIF de 6 MB).

Voici les paramètres orbitaux (TLE, voir page 4) du JWST établis par l'USSF :

      1 50463U 21130A  21362.00000000 .00000000  00000-0  00000-0 0   9999
      2 50463  4.6198  89.0659  9884983 192.3200 17.4027  0.01958082  27

Les trains de satellites

Depuis le 24 mai 2019, vous pouvez aussi observer les trains de satellites Starlink de SpaceX traversant le ciel. Ils font partie du projet de service Internet par satellite d'Elon Musk. Orbitant en orbite basse (LEO) à 350 km d'altitude, ils ne sont pas visibles au milieu de la nuit. Toutefois, ils peuvent sérieusement perturber le travail des astrophotographes qui ne souhaitent pas voir leurs photos zébrées par ces lueurs qui s'ajoutent déjà à la pollution lumineuse. La recherche en astronomie mais également la météorologie et la télédétection sont également impactés par ces satellites. L'UAI a aussitôt relayé les inquiétudes des astronomes dans ses actualités du 3 juin 2019 et depuis, la préoccupation des scientifiques a fait boule de neige.

A voir : The 60 satellites of Starlink-6 filmed over Paris, 23 April 2020, T. Legault

Passages des satellites Starlink au-dessus de Paris, l'Angleterre, les Pays-Pas

A consulter : Satmap - Celestrak - Stellarium Web

Position des satellites Starlink en temps réel

A gauche, le train de 60 satellites Starlink de SpaceX de magnitude ~3 passant au-dessus de Paris le 21 décembre 2019 filmé par Thierry Legault au moyen d'un APN Sony A7S équipé d'un objectif Sigma Art de 20 mm. La prédiction de leur passage fut vérifiée sur le site Heavens-Above. Voir aussi la vidéo ci-dessus. Au centre, le passage de 27 satellites Starlink en avril 2020 dans le ciel de Salgotarjan en Hongrie. Compositage réalisé par Peter Komka de l'agence EPA. A droite, d'autres traces spectaculaires des satellites Starlink. Il va sans dire qu'il est impossible de réaliser des photographies du ciel profond dans ces conditions.

Mais ce n'est pas la seule perturbation qu'ils entrainent. En effet, les satellites destinés au réseau 5G (les communications à très haut débit entre 30-300 GHz) risquent de perturber les communications des satellites météorologiques qui recueillent des données cruciales sur le climat. Dans un article publiée dans la revue "Nature" en 2019, la rédactrice Alexandra Witze a rappelé que le réseau 5G sans fil des appareils mobiles risque à terme de perturber les communications des satellites météorologiques qui recueillent des données cruciales sur le climat.

Lors de la conférence de l'UIT (WRC-19) à Charm el-Cheikh en Égypte, les négociateurs ont convenu d'introduire des niveaux de protection pour les fréquences proches de 24 GHz - une plage proche de celles que les satellites météorologiques utilisent pour détecter la quantité d'eau dans l'atmosphère. Si les entreprises qui exploitent des réseaux 5G bénéficent d'une norme relativement souple jusqu'en 2027, au-delà la réglementation deviendra plus stricte. L'idée est de laisser les entreprises construire des réseaux 5G satellitaires aujourd'hui, puis de durcir la réglementation afin de protéger les systèmes de télédétection de la Terre à mesure que les transmissions 5G deviendont plus denses.

Mais après 8 ans d'une réglementation relativement laxiste, cela devient "très préoccupant" pour reprendre l'expression du météorologue Eric Allaix de Météo-Francequi dirige un groupe à l'OMM (l'Organisation Météorologique Mondiale) sur la coordination des radiofréquences. L'OMM est si bouleversée qu'elle exprima sa préoccupation dans le procès-verbal de la conférence WRC-19.

A voir : ITU INTERVIEWS @ WRC-19: Eric Allaix

Chair, MMO, groupe de pilotage sur la coordination des radiofréquences

57000 satellites en 2030, Analytical Graphics

Pour l'astronomie, dans une étude publiée le 5 mars 2020, l'ESO estima que les futures observations faites notamment au Chili seront impactées. L'étude révèle que "quelque 1600 satellites des constellations Starlink peupleront le ciel de tout observatoire situé aux latitudes moyennes. La plupart d'entre eux se situeront à moins de 30 degrés au-dessus de l’horizon local. [...] Une centaine de satellites sera suffisamment brillant pour être aperçu à l’oeil nu durant l’aube ou le crépuscule, et 10 d'entre eux se situeront à plus de 30 degrés au-dessus de l’horizon. [...] Dans l’ensemble, ces nouvelles constellations de satellites devraient doubler le nombre de satellites visibles à l'oeil nu dans le ciel nocturne à 30 degrés ou plus au-dessus de l’horizon".

Face à ce constat, début 2020, une pétition internationale a été lancée dans le but d'interdire ou tout le moins suspendre le déploiement de ces satellites qui nuisent au travail des astronomes jusqu'à ce qu'une évaluation approfondie de leur impact soit conduite. La pétition a été été signée par 2050 astronomes. C'est très peu quand on sait que l'UAI rassemble près de 14000 astronomes. Qu'ils ne viennent pas ensuite se plaindre qu'ils ne sont pas écoutés et perdent leur fenêtre sur le ciel...

Il y a quelques décennies, aux latitudes moyennes, on disposait encore de quelques heures pour prendre des photos du ciel à grand champ avant de voir un satellite traverser le ciel et gâcher la photo et toute une nuit de veille. Aujourd'hui, il y a en permanence plusieurs satellites visibles à tout moment dans le ciel. Pour s'en convaincre, il suffit de prendre un logiciel de simulation comme Stellarium Web et d'attendre quelques secondes pour en voir passer quelques uns.

Si l'arrivée de ces satellites suppplémentaires est intéressante pour celui qui veut photographier leur passage, c'est une vraie calamité pour l'astrophotographe qui souhaite photographier les constellations, la Voie Lactée, les comètes et même parfois le ciel profond. En effet, il faut dorénavant que l'amateur comme le professionnel vérifient les heures de passages des satellites artificiels pour s'assurer qu'ils ne traverseront pas le champ de sa photographie. En pratique, vu la haute sensibilité des APN et des caméras CCD, toutes les photographies au grand angle exposées plusieurs minutes risquent d'être zébrées par le passage des satellites, sans parler des avions ! La seule alternative est d'écourter le temps d'exposition et de réaliser plusieurs photos consécutives puis d'empiler les images

Prochain chapitre

La station spatiale internationale ISS

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