Organización | Agencia Espacial Europea |
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Constructor | Alcatel Space (Cannes) |
Programa | Horizonte 2000 |
Campo | Estudio de los orígenes del Universo mediante la observación de la radiación cósmica fósil. |
Estado | Misión completada |
Otros nombres | COBRAS / SAMBA |
Lanzamiento | 14 de mayo de 2009 a las 13 h 12 min TU |
Fin de la misión | 23 de octubre de 2013 |
Duración | 21 meses (misión principal) |
Identificador de COSPAR | 2009-026B |
Sitio | ESA |
Misa en el lanzamiento | 1,921 kilogramos |
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Control de actitud | Estabilizado por rotación |
Energia electrica | 1.816 vatios |
Orbita | 1,500,000 kilometros |
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Localización | Punto de Lagrange L 2 |
Tipo | gregoriano |
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Diámetro | 1,5 m |
Longitud de onda | Micro ondas |
BIA | Receptores de 10 a 90 GHz |
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HFI | 54 bolómetros que cubren 6 bandas de 100 a 857 GHz |
Planck es un observatorio espacial desarrollado por la Agencia Espacial Europea (ESA) con la participación de la agencia espacial estadounidense NASA . La misión del satélite es trazar un mapa de las pequeñas variaciones de temperatura (o intensidad) del fondo difuso cósmico , la radiación en el dominio de microondas que muestra el Universo 380.000 años después del Big Bang . La misión Planck fue seleccionada en 1996 para ser la tercera misión de tamaño medio del programa científico Horizon 2000 de la ESA .
La radiación estudiada solo puede observarse con suficiente precisión desde el espacio. Dos satélites de la NASA, COBE a fines de la década de 1980 y WMAP en 2001, dibujan un primer mapa de radiación fósil. Planck, lanzado el14 de mayo de 2009por un lanzador Ariane 5 , su objetivo, gracias a su instrumento principal HFI enfriado a 0,1 Kelvin, es dibujar un mapa de 20 a 30 veces más preciso que sus predecesores. La recopilación de datos por parte de HFI finalizó en enero de 2012 después del agotamiento de los isótopos de helio 3 y helio 4 utilizados para enfriar los bolómetros utilizados como detectores.
Una primera interpretación completa de los datos recopilados se presenta en marzo 2013. Los resultados completos se hacen públicos endiciembre 2014y publicado a principios de 2015. Los parámetros cosmológicos que describen el Universo actual y su historia, como la edad del Universo y su composición inicial, se refinan gracias a la precisión incomparable de los datos recopilados por Planck. Estos elementos proporcionan una mejor comprensión de ciertos aspectos de la física del Universo temprano , así como el modo de formación de las estructuras a gran escala del Universo . En conjunto, los datos de Planck confirman la teoría de la inflación cósmica , uno de los pilares del Modelo Estándar de cosmología , la teoría más comúnmente aceptada sobre cómo se formó el Universo observable.
El satélite Planck observa dos tipos de radiación que son las principales fuentes de información sobre la estructura del universo en su infancia: el fondo cosmológico difuso en el dominio espectral de microondas que refleja la estructura del Universo primitivo y el fondo infrarrojo difuso que nos dice sobre la formación de las estructuras a gran escala más antiguas del Universo ( galaxias y cúmulos de galaxias ).
Durante los milenios posteriores al Big Bang , hace 13.800 millones de años, la materia del Universo primordial se encuentra en equilibrio térmico y bañada por la radiación electromagnética del cuerpo negro , cuya longitud de onda de Wien está relacionada con la temperatura de la materia. Pero es en ese momento muy caliente y muy denso: se comporta como un plasma y los fotones asociados a esta radiación solo pueden moverse en distancias muy cortas porque interactúan inmediatamente con la materia: el Universo es opaco.
Inmediatamente después del Big Bang , el Universo comienza a expandirse y, por lo tanto, a enfriarse. Al cabo de 380.000 años, esta evolución produce el desacoplamiento de la radiación : la temperatura ha bajado lo suficiente como para que los electrones libres se asocien con núcleos atómicos formando átomos . En este nuevo estado, la materia ya no impide que los fotones se muevan y la radiación que existe en el momento de este evento se difunde. Inicialmente, la radiación es la de un gas caliente con una temperatura de 3000 Kelvin ( 2700 ° C ). Luego se ubica en el espectro del infrarrojo cercano , pero con la expansión del Universo , su energía disminuye ( efecto Doppler ) y en nuestro tiempo, 13 mil millones de años después de su aparición, esta radiación es la de un cuerpo negro a la extremadamente baja temperatura de 2.726 Kelvin ( - 270 ° C ). Esta radiación cosmológica difusa , cuya longitud de onda es de 3 mm , cuya frecuencia de 100 GHz , se ubica en un espectro intermedio entre el infrarrojo lejano (10-100 micrones) y las microondas (ondas centimétricas).
Esta radiación, que se dice fósil, sigue llegando prácticamente sin cambios desde su emisión. Es una foto del Universo tal como existe cuando se liberan los fotones. Las características de la radiación proporcionan información sobre los principales parámetros del Universo: su edad, su composición, su geometría ... Esta radiación no es perfectamente homogénea: según la dirección observada, aparecen pequeñas fluctuaciones ( anisotropías ) en el espectro que refleja las diferencias de temperatura y densidad de la materia en el Universo al momento de la liberación de los fotones: según las principales teorías que quedan por confirmar, estas diferencias de densidad aparecieron mucho antes, durante el episodio llamado inflación cósmica que se encuentra en la primera fracciones de segundo después del Big Bang. El orden de magnitud de estas variaciones es muy pequeño (1 / 10.000) pero, bajo la influencia en particular de la gravedad , constituyen las semillas de la concentración de materia en puntos privilegiados, y por tanto están directamente relacionadas con el origen de las grandes estructuras. del Universo que aparecen posteriormente: galaxias , cúmulos de galaxias .
Las primeras galaxias se forman al final de la Edad Media , hace alrededor de 13 mil millones de años. La radiación emitida por estos objetos y luego por las generaciones posteriores de galaxias forma un fondo difuso, es decir, las fuentes no pueden identificarse con precisión. La máxima intensidad de la radiación está en el infrarrojo . Este fondo difuso tiene un doble origen: la luz emitida directamente por las estrellas (fondo óptico) y la emisión de nubes de polvo como consecuencia de su calentamiento por la radiación de las estrellas. Su observación nos permite reconstruir la historia del nacimiento de las estrellas y la formación y evolución de las galaxias .
El fenómeno del fondo cósmico difuso es una de las consecuencias de la teoría del Big Bang y su existencia fue predicha en 1948 por el físico George Gamow . Fue observado accidentalmente en 1964 por Arno Allan Penzias y Robert Woodrow Wilson como parte de una investigación sobre transmisiones de radio de la Vía Láctea . En la década de 1980, la agencia espacial estadounidense , NASA , decidió lanzar observatorios espaciales para mapear con precisión esta radiación. Cosmic Background Explorer se pone en órbita en 1992. Los datos que recopila confirman sin lugar a dudas que la radiación es la de un cuerpo negro y, por tanto, permiten una importante validación de la teoría del Big Bang. El observatorio espacial WMAP lanzado en 2001 proporciona información más precisa sobre los parámetros del universo primordial y permite elaborar un mapa detallado de la distribución de la materia en el momento de la emisión de radiación.
En Mayo de 1993, casi dos años después del lanzamiento del satélite COBE de la NASA y de la observación por sus instrumentos de fluctuaciones en la intensidad del fondo difuso cósmico, se proponen dos proyectos de observatorios espaciales dedicados a este tema como parte del programa científico Horizonte 2000 del Espacio Europeo Agencia . El proyecto COBRAS ( satélite de anisotropía de radiación de fondo cósmico ) propuesto por un equipo italiano utiliza transistores de efecto de campo del tipo HEMT (en) ( transistor de alta movilidad de electrones ), mientras que SAMBA ( satélite para la medición de anisotropías de fondo ) propuesto por un equipo francés utiliza bolómetros . Los dos proyectos están preseleccionados para un estudio de viabilidad con la condición de que se fusionen. En 1996, el proyecto combinado COBRAS / SAMBA fue seleccionado para convertirse en la tercera misión de tamaño mediano del programa Horizon 2000.
El futuro observatorio cuyo lanzamiento se espera en ese momento en 2003 fue nombrado Planck en honor al físico alemán Max Planck , premio Nobel de Física en 1918 y descubridor de la forma del espectro del cuerpo negro cuyo fondo de microondas cósmico resulta ser el logro más perfecto que se puede encontrar en la naturaleza. Poco después de su selección, la Agencia Espacial Europea decidió reducir los costos para acoplar el desarrollo de su observatorio espacial infrarrojo Herschel con Planck. Los dos satélites deben utilizar el mismo tipo de plataforma , el desarrollo se encomienda al mismo fabricante y son lanzados juntos por un lanzador Ariane 5 . El fabricante Alcatel Space , que desde entonces se ha convertido en Thales Alenia Space , fue seleccionado a principios de 2001. La empresa, que asegura el montaje del satélite en su Centro Espacial de Cannes - Mandelieu , es el principal contratista del programa que reúne alrededor de 95 empresas espaciales repartidas por Europa.
Planck toma dos instrumentos científicos desarrollados por consorcios científicos que se definieron a principios de 1999. El instrumento HFI es producido por un consorcio bajo la dirección de Jean-Loup Puget del Instituto de Astrofísica Espacial en Orsay ( Francia ) mientras que el instrumento LFI es producido por un equipo de científicos dirigido por N. Mandolesi del Instituto Nacional de Astrofísica ubicado en Bolonia ( Italia ). Más de cuarenta organizaciones de investigación están participando en el desarrollo de instrumentos, incluida la NASA, que suministra los bolómetros y parte del fluido criogénico para el experimento HFI y una de las etapas utilizadas para enfriar los sensores Sorption Cooler (compresor criogénico que asegura el enfriamiento de 50 K a 20 K). Un consorcio científico dirigido y financiado por Dinamarca fue seleccionado a principios de 2000 para desarrollar los reflectores del telescopio. Las capacidades del observatorio espacial europeo Planck lo convierten en una máquina de tercera generación después de los satélites estadounidenses COBE y WMAP .
Los objetivos científicos del satélite Planck son los siguientes:
Para lograr estos objetivos, está previsto inicialmente que la misión dure al menos 21 meses para que los instrumentos puedan realizar dos observaciones completas del cielo.
El satélite consta convencionalmente de dos subconjuntos: la plataforma o módulo de servicio y la carga útil .
El primero, un desarrollo conjunto para Herschel y Planck, está diseñado y fabricado por Thales Alenia Space en su planta de Turín , para los dos satélites Herschel y Planck combinados en un solo programa, formando un zócalo cilíndrico de ocho lados de baja altura, que comprende el el sistema de producción y regulación de energía, el sistema de control de actitud , el sistema de gestión de datos y comunicaciones y la electrónica (parte caliente) de los instrumentos científicos.
La carga útil incluye el telescopio equipado con dos espejos y una bocina de protección térmica, el plano focal en el que se ubican los sensores de los instrumentos LFI y HFI y finalmente los sistemas de refrigeración. El conjunto tiene 4,2 metros de altura con un diámetro de 4,2 metros y una masa de 1.912 kg . El satélite transporta 385 kg de hidracina , la mayoría de los cuales son utilizados por los motores de sus cohetes para alcanzar su órbita final. También transporta 7,7 kg de helio ( 36.000 litros de helio 4 y 12.000 litros de helio 3 ) utilizados para mantener los detectores del instrumento HFI a muy baja temperatura y almacenados en 4 tanques presurizados.
Para observar el fondo difuso cósmico , cuyo pico de temperatura es de 2.725 K ( es decir, -270.435 ° C ) y especialmente para trazar un mapa ultra preciso de sus pequeñas variaciones (± 0.00001 grados), los sensores de Planck deben mantenerse en una temperatura extremadamente baja. Esta limitación constituye la principal dificultad en el diseño del satélite y condiciona en gran medida su arquitectura. Planck tiene un sistema de enfriamiento de seis etapas (tres pasivas y tres activas) diseñado para mantener su espejo principal de cinco pies de diámetro a 60K ( −213 ° C ) y sus detectores de carga útil a 20K ( −253 ° C ), 4 K ( −269 ° C ) e incluso 0,1 K ( −273,05 ° C ) para los bolómetros del instrumento de alta frecuencia HFI. La temperatura de 0,1 K se alcanza en el laboratorio con un equipo demasiado voluminoso y pesado para cumplir con las limitaciones de una misión espacial. Se deben desarrollar nuevas técnicas para lograr este objetivo.
La plataforma con su electrónica y el panel solar representan la parte caliente del satélite. La temperatura de algunos componentes electrónicos alcanza así los 27 ° C, es decir , 300 K más que los detectores HFI. Los instrumentos y el telescopio están aislados térmicamente de la plataforma por tres aletas superpuestas que mantienen la temperatura por debajo de 50 K. Además, la orientación del satélite es fija para que el Sol nunca golpee la carga útil .
Tres sistemas activos proporcionan refrigeración en cascada:
El satélite lleva dos instrumentos: LFI ( Instrumento de baja frecuencia ), de diseño italiano y HFI ( Instrumento de alta frecuencia ) de diseño francés. Estos nombres reflejan las bandas de frecuencia observadas: de 30 a 70 gigahercios para LFI y de 100 a 857 GHz para HFI.
La parte ópticaLa radiación electromagnética analizada por los dos instrumentos es concentrada por un telescopio gregoriano de 1,75 × 1,5 m que comprende un espejo primario y un espejo secundario. Los conos asociados a guías de ondas colocados en el plano focal del telescopio filtran la radiación por longitud de onda y la dirigen hacia los detectores de los instrumentos HFI y LFI. El eje óptico del telescopio forma un ángulo de 85 ° con el eje de rotación del satélite. Un deflector pintado de negro rodea el telescopio para mantener la temperatura de los espejos por debajo de los 40 Kelvin.
El instrumento HFIEl instrumento HFI ( High Frequency Instrument ) comprende 54 bolómetros que operan en las bandas: 100, 143, 217, 353, 545 y 857 GHz , con un ancho de banda del orden del 30% del espectro observado. Estos bolómetros, que funcionan de manera óptima cuando se enfrían, funcionan alrededor de 0,1 K (entre 90 y 130 mK). Siendo los bolómetros por construcción detectores de banda muy ancha, la selección en frecuencia y en ancho de banda se realiza interponiendo en el camino óptico cuernos / guías de ondas así como filtros de interferencia.
El instrumento LFIEl Instrumento de Baja Frecuencia observa tres bandas espectrales (30, 44 y 70 GHz ) ubicadas en frecuencias por debajo del pico del fondo difuso pero permite mejorar la calidad final del mapa de radiación al tiempo que brinda información sobre emisiones galácticas y extragalácticas ubicadas en primer plano. El instrumento LFI utiliza radiómetros que funcionan a una temperatura de 20 Kelvin. La resolución angular es de 10 minutos de arco y la sensibilidad a la temperatura es de 12 µK.
Thales Alenia Space diseña y fabrica un módulo de servicio (SVM) en su planta de Turín , para los dos satélites Herschel y Planck combinados en un solo programa. Las estructuras de los dos módulos de servicios son muy similares, de forma octogonal. Cada panel está destinado a equipos térmicos, calentadores, teniendo en cuenta las disipaciones térmicas de los experimentos y los equipos vecinos del satélite. Además, también se mantiene un diseño común para los dos satélites para la aviónica , el sistema de control y medición de actitud, el sistema de control y gestión de datos, el subsistema de telemetría y control remoto. Todo el equipamiento de la plataforma es redundante .
Energia electricaLa energía eléctrica es suministrada por paneles solares equipados con células fotovoltaicas de triple unión, un acumulador y un sistema de control que gestiona la carga del acumulador y distribuye una tensión regulada de 28 voltios a los distintos equipos. En Planck, el panel de células solares está unido a la base del módulo de servicio que se dirige constantemente hacia el sol. Este panel y el módulo de servicio al que está conectado mantienen permanentemente la carga útil en su sombra. Proporciona una media de 1.816 vatios, de los cuales 685 vatios están destinados a instrumentos (780 vatios al final de su vida útil).
Control de actitud y propulsiónLa función de medición y control de actitud se realiza mediante una computadora de control de actitud, teniendo en cuenta las mediciones de los sensores de actitud y controlando los pares de control para cumplir con las especificaciones de apuntamiento e inclinación de las cargas útiles de Herschel y Planck. El satélite Planck está estabilizado en rotación , a una revolución por minuto, con una especificación de puntería de menos de 37 minutos de arco . Como el satélite está en modo de "exploración" del cielo, también se requiere que la reproducibilidad del apuntado sea mejor que 2,5 minutos de arco en 20 días. El sensor de actitud principal es un buscador de estrellas . Las modificaciones y correcciones de rumbo se realizan utilizando múltiples grupos de pequeños motores de cohetes que queman la hidracina con un empuje de 1 newton y 20 newtons. Los propulsores más potentes se utilizan para la inserción en órbita y las rectificaciones de la órbita operativa que suelen tener lugar una vez al mes.
Los datos científicos producidos por los instrumentos se almacenan en una memoria masiva de 32 gigabits (con una memoria masiva de respaldo). Se transmiten durante sesiones acumulando 3 horas diarias con una velocidad máxima de 1,5 megabits por segundo. El flujo promedio suavizado durante el día es de 130 kilobits por segundo, lo que es suficiente para transmitir los datos recopilados de forma continua. La transmisión se realiza mediante una antena de ganancia media (haz de 15 °) ubicada en el panel solar. El satélite también tiene tres antenas de baja ganancia instaladas en la misma ubicación.
El dimensionamiento del instrumento HFI se realiza desde Abril de 1993por Jean-Michel Lamarre , director científico del instrumento.
Planck, como cualquier satélite, debe pasar una serie de pruebas. Clásicamente, esto implica probar los subconjuntos, generalmente probados en los respectivos laboratorios (a menudo los laboratorios contribuyen en especie al proporcionar una parte del experimento, a cambio, los científicos en el laboratorio tienen acceso privilegiado a las observaciones (datos sin procesar)), pruebas de integración para cada uno de los experimentos (un satélite que a menudo lleva varios experimentos) y pruebas generales. En cuanto al experimento HFI, el modelo de calificación y las pruebas del modelo de vuelo se realizan en el Instituto de Astrofísica Espacial (IAS) ennoviembre de 2004 y Marzo de 2005 (calificación) y junio-julio de 2006(calibración) respectivamente. Cada vez, durante 3 a 4 semanas, el experimento se lleva a cabo al vacío y se enfría en un tanque a unos pocos Kelvin (alrededor de 2,7 K). Las pruebas del satélite completo se llevan a cabo en el establecimiento de Cannes y en el Centro Espacial de Lieja (CSL). Este último está desarrollando una configuración de prueba así como instrumentación específica en sus instalaciones de simulación espacial. Esta fase de prueba supone un presupuesto de 17,5 millones de euros para el CSL y aproximadamente 125.000 horas de trabajo. La primera etapa de las pruebas de calificación de satélites comienza enJunio de 2005y finaliza en septiembre. El segundo paso es probar el modelo de satélite; esto termina en el verano de 2008.
El satélite (así como el Telescopio Espacial Herschel ), se lanzan en14 de mayo de 2009a las 13 h 12 min UT , desde Kourou , por un Ariane 5 -ECA lanzador , vuelo 188 y se coloca en una órbita muy elíptica de 270 kilometro del perigeo y 1193622 kilometro de apogeo llevándola a alrededor del segundo punto de Lagrange L 2 de la Sistema Sol - Tierra en unos 45 días. La trayectoria seguida es casi perfecta y solo requiere pequeñas correcciones a la inyección en la órbita de transferencia . Planck modifica como se esperaba su trayectoria a mitad de camino (Delta-v de 153,6 m / s ) entre la Tierra y su destino y una corrección final de 11,8 m / s .
La 3 de julio, Planck llega al punto de Lagrange L 2 y se inserta utilizando brevemente su propulsión (Delta-v de 58.8 m / s ) en una órbita llamada Lissajous que viaja en 6 meses y que se elige para que el satélite nunca sea en la penumbra de la Tierra durante al menos 4 años. Gracias a maniobras muy precisas, Planck consume sólo 205 kg de combustible, lo que deja 160 kg para las correcciones del curso y los cambios de orientación que corresponden a un Delta-v anual de 1 m / s y 2,6 respectivamente. M / s . El punto de Lagrange L 2 es una región del espacio alrededor de la cual el satélite puede mantener su equilibrio con poco gasto de combustible, mientras sigue a la Tierra a gran distancia (1,5 millones de kilómetros) en su curso alrededor del Sol. Así, durante los primeros 30 meses de funcionamiento solo es necesario corregir la trayectoria 12 veces utilizando brevemente los pequeños motores cohete del módulo de servicio. Este tipo de órbita se elige para que los instrumentos puedan alcanzar temperaturas extremadamente bajas (en una órbita ubicada cerca de la Tierra, es difícil alcanzar los 0,1 kelvin debido a las emisiones térmicas de nuestro planeta). El eje del satélite apunta hacia el Sol con la base de la plataforma hacia el Sol mientras que la parte óptica ubicada en el lado opuesto mira hacia el exterior del Sistema Solar . El panel solar bloquea la radiación del sol y el eje del satélite nunca se desvía más de 15 ° de la dirección del sol.
La línea de visión del telescopio forma un ángulo de casi 85 ° con el eje de rotación. El satélite, al girar alrededor de su eje de rotación a una velocidad de una revolución por minuto, permite a los instrumentos observar una estrecha franja de cielo en forma de círculo. El satélite observa la misma franja de cielo 50 veces y luego cambia ligeramente el eje para observar una nueva porción del cielo. Este cambio sigue exactamente el curso de la Tierra alrededor del Sol. De esta forma, en poco menos de 8 meses, los instrumentos barren gradualmente toda la esfera celeste excepto las zonas polares. Para observarlos, el satélite deposita una vez por hora su eje de rotación de 10 °.
Los sistemas de refrigeración se ponen en funcionamiento gradualmente después del lanzamiento del satélite y los detectores HFI alcanzan su objetivo de temperatura de 0,1 K en 3 de julio. Las operaciones de verificación de rendimiento y calibración continúan hasta finales de agosto y concluyen con la seguridad de que los instrumentos funcionan como se esperaba. La misión nominal termina el27 de noviembre de 2010 sin incidentes significativos y cada región del cielo se observa al menos dos veces.
La 19 de noviembre de 2010, la agencia espacial europea decide ampliar la misión Planck un año al mismo tiempo que la de varios otros satélites científicos. Esta nueva fase de la misión debería permitir, mediante un nuevo método, obtener, utilizando el instrumento de baja frecuencia (LFI), información adicional sobre la radiación fósil . El helio que utiliza el sistema de refrigeración para mantener los instrumentos en funcionamiento no debe agotarse antes de principios de 2012. El17 de enero de 2012, ESA , CNES , CNRS y CEA anuncian el fin de la misión del instrumento HFI que está agotando la reserva de líquido criogénico. Se apaga después de treinta meses de funcionamiento ejemplar y se mapea la radiación fósil durante un período dos veces mayor al esperado.
El instrumento LFI, que puede funcionar a temperaturas más altas, continúa recopilando datos hasta que 3 de octubre de 2013para proporcionar datos para calibrar los datos de HFI. Todo el equipo de Planck está apagado.23 de octubre de 2013. Los resultados científicos finales se publican en10 de agosto de 2015 y puesto a disposición de toda la comunidad científica.
En marzo 2013, la comunidad internacional de científicos que trabajan en los datos recopilados por Planck está entregando por primera vez una interpretación de todos los datos recopilados por HFI, así como los proporcionados por LFI. Estos resultados se reflejan en una treintena de comunicaciones científicas:
La comunidad internacional de científicos, trabajando en los datos recopilados por el satélite Planck, está obteniendo por segunda vez resultados aún más precisos que los de marzo 2013. Estos resultados son el resultado de una observación de más de 1.500 días en el rango milimétrico, gracias al instrumento LFI, y más de 1.000 días en el rango submilimétrico hasta el infrarrojo lejano con, esta vez, aquí, el instrumento HFI.
El proyecto Planck ha recibido el Premio Peter-Gruber de Cosmología 2018.
Parte del equipo de Herschel Planck, de izquierda a derecha: Jean-Jacques Juillet, director de programas científicos Thales Alenia Space ; Marc Sauvage, CEA , gerente de experiencia de PACS en Herschel; François Bouchet, IAP , gerente de operaciones de Planck; Jean-Michel Reix, Director de programas Herschel & Planck, Thales Alenia Space, durante las presentaciones de los primeros resultados de las misiones Herschel & Planck.
Maqueta del satélite Planck en la cúpula del mismo nombre.
Escaparate de HFI en la cúpula de Planck.
: documento utilizado como fuente para este artículo.