Le miroir de Hubble n'était pas mal poli, il était parfait dans la mauvaise forme
Le 24 avril 1990, le télescope spatial Hubble part en orbite à bord de la navette Discovery. Deux mois plus tard, le 21 juin, le chef de projet annonce un défaut majeur sur l'un des deux miroirs de l'assemblage optique, sinon sur les deux ; le 27 juin, la NASA rend le problème public en conférence de presse. Les deux caméras à haute résolution, la Wide Field/Planetary Camera et la Faint Object Camera, montrent la même déformation, l'aberration sphérique, qui ne peut venir que du miroir primaire, du secondaire, ou des deux.
La version qui a survécu tient en quatre mots : le miroir était mal poli. Le rapport d'enquête dit presque l'inverse. Le miroir primaire a été poli avec une précision exceptionnelle, jusqu'à une forme qui n'était pas la bonne. L'appareil chargé de dire quelle était la bonne forme portait une erreur d'espacement interne de 1,3 mm, et deux autres appareils avaient signalé le défaut dès 1981.
Le document de référence est public : The Hubble Space Telescope Optical Systems Failure Report, novembre 1990, référencé NASA-TM-103443. La commission de six membres qui l'a produit, constituée début juillet 1990 et réunie pour la première fois les 5 et 6 juillet à Washington, était présidée par Lew Allen, alors directeur du Jet Propulsion Laboratory.
Le miroir le plus soigneusement poli de son époque
Le dégrossissage du disque de 2,4 m commence en décembre 1978 chez Perkin-Elmer, à Wilton dans le Connecticut. Le miroir passe ensuite à Danbury, où le polissage s'achève en avril 1981. Le test final, après dépôt de la couche réfléchissante, a lieu en février 1982.
L'interférogramme de ce test est reproduit dans le rapport. Les franges sont droites. Perkin-Elmer en tire une erreur de surface résiduelle inférieure à 0,014 longueur d'onde rms à 632,8 nm, soit un défaut de surface de 0,009 micromètre rms. Cette analyse, note le rapport, a convaincu le projet que les objectifs de fabrication étaient atteints.
Ils l'étaient, au sens du polissage. Le rapport résume l'affaire en une phrase : la correspondance étroite des franges indique en réalité une correspondance très étroite avec la mauvaise surface asphérique. La constante conique de conception du miroir primaire était de -1,0022985 ; celle inscrite dans le verre est de -1,013236. L'écart apparaît dès la troisième décimale, un peu plus d'un pour cent de la valeur, et il suffit à produire de l'aberration sphérique du troisième ordre.
En performance : une erreur de front d'onde de 0,4 longueur d'onde rms à 632,8 nm, soit dix fois la tolérance spécifiée. La spécification demandait que 70 pour cent de la lumière d'une étoile tombe dans un cercle de 0,1 seconde d'arc de rayon ; le télescope livrait ces 70 pour cent dans un rayon d'environ 0,7 seconde d'arc.
Un seul juge, et personne pour le juger
Pour polir une surface asphérique, il faut un gabarit optique : un correcteur nul, qui met en forme le front d'onde de manière qu'un miroir parfait renvoie des franges droites. Jugeant que les correcteurs nuls réfractifs classiques, faits uniquement de lentilles, n'atteindraient pas la précision requise, Perkin-Elmer a conçu un correcteur nul réflectif inédit : deux miroirs sphériques et une petite lentille de champ. L'argument : la forme du gabarit se calculait à partir des dimensions des trois éléments, de la matière de la lentille et des espacements, mesurables à tout moment. Ce dispositif nouveau a compté parmi les facteurs qui ont valu à l'entreprise le contrat de l'assemblage optique.
La condition était que les espacements soient corrects à 10 micromètres près.
Aucun test indépendant du miroir n'était prévu : le plan reposait entièrement sur ce seul correcteur, pour fabriquer la surface comme pour la vérifier. Le rapport précise que la NASA a compris et accepté ce plan, et que cette méthode aurait dû alerter sur la fragilité du procédé et la possibilité d'une erreur grossière. La philosophie de test insistait beaucoup sur la certification de l'appareil ; la commission n'a trouvé aucun document attestant qu'elle ait eu lieu.
Le capuchon écaillé
Les espacements internes du correcteur étaient réglés avec trois tiges en Invar, désignées A, B et C, d'environ 20, 58 et 41 cm. La mesure ne se faisait pas mécaniquement mais par autoréflexion : on focalisait un faisceau sur l'extrémité polie et arrondie d'une tige, et on observait la figure d'interférence du faisceau revenant sur lui-même. Le centrage du faisceau sur l'extrémité était déterminant. Pour éviter que la tige ne se décale par rapport à l'axe de l'interféromètre, Perkin-Elmer y avait ajouté des capuchons percés d'une petite ouverture centrale.
La face supérieure de ces capuchons portait un revêtement antireflet. Sur le capuchon retrouvé, ce revêtement s'était détaché autour de l'ouverture, apparemment par accident, laissant une zone spéculaire. Il apparaît, écrit la commission, que l'opérateur a obtenu son reflet sur le capuchon plutôt que sur l'extrémité de la tige. Un essai mené en 1990 avec le matériel d'origine a montré que l'erreur était facile, et même probable, dans cette configuration. Écart : 1,3 mm. La commission le dit elle-même, la cause exacte reste une reconstitution : les documents qui auraient permis de rejouer la scène n'ont pas été retrouvés, et le scénario retenu est celui qu'elle a fait rejouer en laboratoire.
Trois anomalies accompagnent ce réglage. En amenant la lentille de champ contre l'extrémité de la tige B, les vis de positionnement sont arrivées en butée ; on a gagné de la course en insérant des cales entre la lentille et la plaque de montage du miroir inférieur. Les boulons qui tenaient le panier de la lentille n'ont pas été freinés mécaniquement, alors que ce freinage était une procédure spécifiée. Et le document décrivant l'ajout des cales n'a jamais été classé, ou s'est perdu dans les dix ans qui ont suivi ; un témoignage évoque une commission de revue de matériel tenue sur ce point, dont aucune trace n'a été retrouvée.
Le contrôle après coup, lui, était devenu impossible. Pour passer du prototype de 1,5 m au miroir de 2,4 m, les tiges avaient dû être rallongées, et la plus longue l'avait été de telle manière qu'elle ne s'insérait plus que d'un seul tenant : trop longue pour entrer dans le correcteur une fois celui-ci assemblé avec son interféromètre. Vérifier cet espacement supposait de démonter l'appareil. Aucune remesure n'a eu lieu après l'assemblage initial.
En 1990, la commission a mesuré le correcteur, retrouvé intact dans la chambre d'essai. Un interféromètre Zygo envoyait un faisceau collimaté à travers la lentille de champ, un miroir plan étant placé au foyer, à environ 0,55 m au-dessus. La lentille était trop éloignée du miroir inférieur d'environ 1,3 mm, valeur confirmée à 0,1 mm près par une mesure mécanique. La direction et l'amplitude de cet écart, souligne le rapport, expliquent l'aberration observée en orbite. Rapportée à la tolérance de 10 micromètres, l'erreur est cent trente fois trop grande.
Deux appareils avaient dit la vérité
Perkin-Elmer disposait de deux autres dispositifs. Les deux ont dit vrai.
Le correcteur nul inverse était conçu pour simuler un miroir primaire parfait sous le correcteur réflectif : avec un gabarit juste, il aurait donné des franges droites. L'interférogramme de février 1981 montre plusieurs longueurs d'onde d'aberration sphérique, d'amplitude comparable à celle du télescope et de signe opposé. Mis en place au début et à la fin de chaque séquence d'essai, il servait de contrôle qualitatif d'alignement : la figure de franges n'a apparemment jamais été analysée à fond. On a attribué le défaut au correcteur inverse lui-même, dont les composants passaient pour très sensibles à l'alignement. La commission a établi qu'il était précis à mieux que 0,14 longueur d'onde, largement assez pour détecter une erreur grossière, et qu'il l'avait effectivement détectée.
Le correcteur nul réfractif servait, lui, à mesurer le rayon au sommet du miroir fini. Son interférogramme de mai 1981 montre des franges courbes. Réanalysées en 1990 par plusieurs observateurs, elles donnent 0,4 longueur d'onde rms d'aberration sphérique du troisième ordre à 632,8 nm, valeur qui correspond, à un degré de certitude que le rapport juge raisonnable, au défaut mesuré en vol. La donnée a été écartée au motif que cet appareil passait pour moins précis que le correcteur réflectif. La commission a vérifié qu'il était précis à mieux que 0,02 longueur d'onde rms.
Le 22 juillet 1990, la commission a repris un interférogramme avec le correcteur inverse en place et l'a comparé à un cliché du 22 juin 1982 retrouvé dans le carnet d'un employé de Perkin-Elmer : les deux figures sont pratiquement identiques.
Le rapport signale enfin une troisième occasion manquée. Le miroir avait été dégrossi et poli à environ une longueur d'onde rms à Wilton, sous contrôle du correcteur réfractif, avant de partir à Danbury pour le polissage final sous le correcteur réflectif. Au moment du transfert, les interférogrammes des deux appareils ont été comparés et la divergence aurait pu être relevée. Les données et les circonstances de ce transfert restent floues, note la commission, et les exigences de passage paraissaient remplies.
Ce que la formule « miroir mal poli » efface
Le rapport ne décrit pas une faute isolée mais une organisation qui l'a rendue indétectable. La division des opérations optiques de Perkin-Elmer avait imposé ses propres restrictions d'accès à la zone de métrologie de Danbury où le correcteur était assemblé : porte à serrure à code, entrée réservée aux ingénieurs de métrologie venus de Wilton. Le personnel qualité, celui de la NASA comme celui de Perkin-Elmer, n'a pas su que le correcteur y était assemblé et a découvert son existence une fois l'ensemble transféré dans la chambre d'essai. Aucun dossier de fabrication n'a été ouvert sur cette activité. Et de 1981 au début de 1982, le programme accumulait les crises : coût du contrat multiplié plusieurs fois, calendrier fortement décalé, menace d'annulation.
La version populaire a gagné parce qu'elle est transportable. « Le miroir a été fabriqué dans la mauvaise forme » est une phrase du rapport lui-même, et elle voyage sans son pourquoi. La chaîne réelle, un revêtement écaillé, un reflet pris au mauvais endroit, une lentille calée 1,3 mm trop loin, un plan de test à un seul juge et deux contre-mesures écartées, ne tient pas dans une légende.
La réparation, elle, découle du diagnostic. La commission a interdit toute manipulation susceptible de perturber les correcteurs nuls, parce qu'ils constituaient, écrit-elle, le seul lien direct permettant de déterminer la forme réelle du miroir en orbite, donnée nécessaire pour calculer une prescription optique de rattrapage. L'instrument fautif, conservé intact, est ainsi devenu une pièce de la mesure. Du 2 décembre 1993 à 4 h 27 au 13 décembre à 0 h 25, heure de l'Est, la mission STS-61 de la navette Endeavour a mené cinq sorties extravéhiculaires : la troisième a remplacé la Wide Field/Planetary Camera par WFPC2, la quatrième a remplacé le photomètre à haute vitesse par COSTAR, qui redirigeait la lumière vers trois des quatre instruments restants. Le miroir, lui, a toujours sa mauvaise constante conique.