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L'anomalie de survol

La sonde Pioneer 10. Document NASA.

Logbook de Pioneer

En 1996, alors que les sondes Pioneer 10 et 11 étaient respectivement 2 et 4 fois plus éloignées de la Terre que Pluton, les chercheurs du JPL qui analysaient leurs signaux découvrirent que les deux sondes s'enfonçaient dans l'espace à une vitesse inférieure aux estimations. Ce phénomène fut nommé "l'anomalie de Pioneer". Dans le cas de Pioneer 10, chaque année la sonde accusait un retard sur sa position théorique de 5000 km.

Le 27 septembre 2004, le journaliste Jim Giles rapporta dans la revue "Nature" que Pioneer 10 fonçait à 12.5 km/s et se trouvait 386000 km plus près de Saturne que prévu ! Cette anomalie suggère qu'une force cent millions de fois plus faible que la gravité à la surface de Terre attire les sondes spatiales différemment des équations conventionnelles de la gravitation.

Ceci n'était qu'une interprétation car il y avait une difficulté majeure pour résoudre ce problème. En effet, les chercheurs ne disposaient d'aucune donnée de position de la sonde, de vitesse ou d'accélération et ne pouvaient se baser que sur les données Doppler associées à la réception des signaux reçus par l'antenne DSS-14 du réseau DSN de la NASA.

Les chercheurs constatèrent également que le décalage de la fréquence des ondes radios émises par les deux sondes spatiale suite à leur déplacement était affecté d'un effet gravitationnel supplémentaire induit par la présence des corps célestes.

Les physiciens ont tout d'abord pensé que ce ralentissement pouvait être provoqué par un changement physique inconnu survenu dans les vaisseaux eux-mêmes (panne, anomalie) qui aurait pour effet d'augmenter leur traînée ou des erreurs dans les protocoles utilisés pour les suivre à la trace. D'autres, tel Mordehai Milgrom de l'Institut des Sciences Weizmann de Rehovot en Israël (1983), sans plus d'information, a carrément suggéré que la théorie de la gravitation devait être modifiée pour tenir compte de cet effet.

Cette solution trouva un certain écho en 2001, lorsque John Anderson du JPL et sont équipe ne purent trouver aucune explication rationnelle alternative... Actuellement l'équipe d'Anderson rejète de nombreux effets telle qu'une fuite de chaleur ou de gaz des générateurs thermoélectriques au plutonium.

Plus tard, des physiciens ont suggéré que l'anomalie de Pioneer serait liée à l'effet Creil, un phénomène proche de l'effet Raman (diffusion inélastique de la lumière) qui est susceptible à grande échelle d'induire des décalage Doppler. Mais cette théorie est peu supportée car elle impose un milieu assez dense et beaucoup d'interactions. L'origine de l'anomalie restait donc inconnue.

En 2004, John Anderson choisit une autre voie. Avec son équipe, il réanalysa toutes les données de vol acquises durant la première décennie des missions Pionner (1972-82 et 1973-83) puis celles des années suivantes jusqu'en 2000.

Selon Slava Turyshev, un collègue d'Anderson au JPL, cette étude n'est pas gratuite et fut estimée à... 250000$. Le projet fut soumis aux administrateurs de la NASA fin 2004 mais ils ne l'ont pas accepté faute de ressources (personnel).

La Planetary Society très impliquée dans l'exploration spatiale souhaita parrainer ce projet grâce à ses milliers de membres et y parvint. Seule difficulté, il fallait convertir les données les plus anciennes enregistrées sur de vieux systèmes à bandes de 10.5" dans un format compatible avec les nouveaux ordinateurs. 

A gauche, l'ancienne salle de contrôle du JPL (2005) et celle de 2012 (au centre, photographiée par Brad Snowder). A droite, l'ensemble des bandes magnétiques contenant les données Doppler de la sonde Pioneer qu'il a fallut convertir puis analyser.

Ce projet débuta en 2006 et fut dirigé par Slava Turyshev. Des scientifiques du JPL et des chercheurs étrangers associés au projet ont analysé les 11 premières années de vol puis dans un second temps les 22 années suivantes. Les chercheurs ont repris le problème au début, réévaluant notamment les performances de la sonde, son bilan thermique, etc. N'ayant à leur disposition que les données Doppler, certaines équipes ont proposé de traiter ce problème par modélisation.

En parallèle, Turyshev et ses collègues proposèrent d'envoyer une nouvelle sonde spatiale suivant exactement la même trajectoire que les deux missions Pioneer avec l'espoir de reproduire l'anomalie.

Leur proposition fut soumise le 16 septembre 2004 à des experts de l'ESA dans le but d'envoyer une sonde qui serait suivie à quelques kilomètres de distance par une sphère réflectrice. Des lasers montés sur la sonde mesureraient la distance entre le vaisseau et la sphère afin que les scientifiques puissent détecter et compenser toute accélération provoquée par un évènement sur le vaisseau comme une fuite éventuelle du générateur RTG.

Toutefois, pour les experts de l'ESA la construction d'une telle sonde spatiale coûterait au moins 500 millions de dollars et ils répondirent à leurs collègues de la NASA que ce projet ne comptait pas parmi les priorités de l'agence. Finalement ce projet de mission spatiale fut abandonné.

L'effet de l'émission thermique anisotrope de Pioneer

A partir de 2006, l'équipe de Slava Turyshev analysa les données Doppler et découvrit que la chaleur libérée par la sonde spatiale n'était pas isotrope et était à l'origine de cette anomalie.

La sonde Pioneer 10 simulée dans l'espace par un add-on au logiciel Celestia.

Comment une émission thermique anisotrope peut-elle affecter la vitesse d'un vaisseau spatial ? Tout n'est qu'une question d'action et réaction.

La sonde Pioneer était stabilisée afin que ses différentes antennes paraboliques soient toujours pointées vers la Terre. De plus, les deux sources d'émissions thermiques détectées étaient situées du côté avant de la sonde spatiale. Quant aux générateurs d'énergie (RTG) ils rayonnaient vers la face arrière des paraboles. Lorsque ces paraboles ont réfléchi ou réémis cette chaleur, celle-ci se propagea dans la direction de propagation du vaisseau spatial.

De même, le boîtier contenant l'électronique du vaisseau générait de la chaleur et était placé sur la face avant du vaisseau, générant encore plus de chaleur de ce côté de la sonde spatiale. Finalement, la pression des photons, la même que celle utilisée dans les voiles solaires, a généré une force dans la direction opposée de navigation, provoquant une légère mais mesurable décélération du vaisseau spatial, l'anomalie de Pioneer.

L'effet de l'expansion de l'univers

Dans un article publié dans la "Physical Review D" en septembre 2012, l'astronome et physicien Sergei Kopeikin de l'Université de Missouri-Columbia (MU) s'est opposé à cette conclusion du JPL, la jugeant incomplète. Il  déclara que "Mes études suggèrent que cette soi-disant anomalie de Pioneer n'a rien d'étrange. La confusion peut s'expliquer par l'effet de l'expansion de l'univers sur le déplacement des photons dont sont constituées les ondes radios". Cette explication mérite quelques commentaires.

Des ondes radios émises par le réseau DSN ont été captées et renvoyées par les sondes spatiales Pioneer. Le temps qu'il fallut pour que les photos (ondes électromagnétiques) effectuent l'aller-retour a permis de calculer le déplacement, la distance et la vitesse des sondes spatiales.

Les travaux de Kopeikin suggèrent que les photons se déplacent plus rapidement que la théorie de Newton le prédit du fait de l'apparente décélération alors que les deux sondes se déplaçaient dans l'espace à la vitesse prédite par cette théorie. Mais selon les dernières recherches en cosmologie, l'Univers serait en expansion continue et ce phénomène altère les observations faites à partir de la Terre, notamment les mesures des photons renvoyés par les sondes spatiales, donnant l'impression que les sondes Pioneer ont ralenti.

Jusqu'à présent toutes les recherches se sont focalisées sur des explications mécaniques pour expliquer l'anomalie de Pioneer, telle que la chaleur anisotrope libérée par les sondes spatiales qui les ont repoussés en arrière. Toutefois écrit Kopeikin "ces phénomènes n'expliquent que 15 à 20 % de la décélération observée, alors que les équations de l'électromagnétisme expliquent les 80-85 % restants."

Sachant cela les physiciens doivent être prudents quand ils considèrent la propagation de la lumière dans un univers en expansion, car ce phénomène affecte des interactions qui ne sont pas prises en compte dans les autres équations. Ainsi, l'expansion de l'univers touche les photons mais n'a aucune influence sur le déplacement des planètes ou des électrons dans les atomes.

"Mesurer précisément les paramètres physiques de l'Univers nous aide à formuler les bases d'un future exploration de l'espace interstellaire", explique Kopeikin. "Discerner l'effet de l'expansion de l'univers sur la lumière est important pour comprendre les fondements de l'espace et du temps. Cette étude fait partie d'un plus vaste projet qui pourrait influencer la physique de demain."

La théorie de Kopeikin n'a pas été retenue par le JPL qui affirme, chiffres à l'appui, que l'émission thermique anisotrope explique seule l'anomalie de Pioneer et qu'il n'est pas utile d'ajouter une théorie extravagante, l'explication la plus simple étant toujours préférable. Mais il s'avéra que les ingénieurs du JPL avaient parlé un peu trop vite...

De nouvelles anomalies de survol

On a longtemps pensé que l'anomalie de Pioneer était exceptionnelle jusqu'à ce qu'on découvre qu'une anomalie similaire se produisit également au cours des missions d'autres sondes spatiales dont Galileo (1990, 1992), Ulysse (1992-1995), NEAR (1998), Rosetta (1999), Cassini (1999), Messenger (2005) et récemment Juno (2017). Elle fut donc renommée l'anomalie de survol (flyby anomaly) car elle se manifeste surtout lors de l'approche à courte distance des planètes.

Dans le cas de Galileo, lorsque la sonde spatiale s'approcha de la Terre le 8 décembre 1990, sa vitesse asymptotique était décalée de 3.92 mm/s par rapport à sa vitesse asymptotique théorique. Une anomalie similaire se reproduisit en 1992. La plus grande déviation fut observée avec NEAR (~13 mm/s) lorsqu'elle fut près du périgée, à une distance de 532 km de la surface de la Terre.

La sonde spatiale Juno en orbite autour de Jupiter. Document T.Lombry.

Si dans certains cas l'anomalie semble évidente et liée à un effet gravitationnel, dans d'autres cas, la valeur est sur le seuil de détectabilité ou l'anomalie est aléatoire et parfois absente comme ce fut le cas lors du survol de la Terre par Juno en octobre 2013.

L'absence de toute explication convaincante a conduit les chercheurs à proposer des hypothèses aussi différentes que l'influence de la matière noire, des effets de marée, des effets inconnus de la relativité générale voire même l'existence d'une nouvelle physique ! Toutefois aucune de ces théories n'explique concrètement l'origine de ces anomalies et sont de pures spéculations.

Dans le cas de Juno dont la mission se poursuit au moins jusqu'en juillet 2018, Luis Acedo et son équipe de l'Université Polytechnique de Valence en Espagne ont décidé d'étudier l'anomalie lors du périjove, c'est-à-dire le point de l'orbite de Juno le plus proche de Jupiter, situé à environ 4000 km au-dessus de la couche supérieure de nuages. Pour cela, ils ont créé un modèle orbital fondé sur les trajectoires calculées par le JPL. Leur modèle tient également compte des forces de marée excercées par le Soleil, des satellites galiléens (Europe, Io, Ganymède et Callisto) ainsi que des contributions des zones de résonances connues.

Enfin, les champs magnétiques multipolaires de Jupiter qui résultent de sa forme oblate ont également été pris en compte sachant qu'ils ont un effet bien plus important que celui des forces de marée à l'approche du périjove comme Acedo l'avait déjà suggéré en 2014.

Les chercheurs ont déjà noté que l'anomalie présente une composante radiale significative qui diminue à mesure que la sonde spatiale s'éloigne du centre de Jupiter.

Les chercheurs espèrent à présent que leur simulation astrodynamique mettra en évidence l'anomalie de survol. Si c'est le cas, cela démontrerait que le phénomène n'est pas lié au survol de la Terre mais est universel.

Selon Acedo, "une accélération anormale agit également sur la sonde spatiale Juno au voisinage du périjove (dans ce cas, la vitesse asymptotique n'est pas un concept utile car la trajectoire est fermée). Cette accélération est presque 100 fois plus grande que les accélérations anormales typiques observées lors du survol de la Terre". A ce sujet, dans les années 1990, John Anderson du JPL qui découvrit avec son équipe l'anomalie de survol de Galileo avait constaté que l'effet augmente avec la vitesse angulaire de la planète (une période de 9.8 heures pour Jupiter contre l24 heures pour la Terre), son rayon et probablement sa masse.

Acedo et ses collègues ont également déterminé que cette anomalie semble dépendre du rapport entre la vitesse radiale de la sonde spatiale et la vitesse de la lumière, et diminue très rapidement lorsque l'altitude de Juno change par rapport aux nuages de Jupiter.

Ces problèmes n'ayant pas été prédits par la relativité générale, il est donc possible que les anomalies de survol soient le résultat de nouveaux phénomènes gravitationnels ou peut-être d'un effet plus conventionnel qui a été négligé. Affaire à suivre.

Cet article fut publié sur Futura-Sciences en 2005 et mis à jour.

Pour plus d'informations

A possible flyby anomaly for Juno at Jupiter (PDF), Luis Acedo et al., ArXiv, 2017

The flyby anomaly: A case for strong gravitomagnetism?, Luis Acedo, Advances in Space Research, 2014

Support for the thermal origin of the Pioneer anomaly, Slava G. Turyshev et al, ArXiv, 2012

Celestial ephemerides in an expanding universe, Seregei Kopeikin, Phys. Rev. D 86, 2012

The Pioneer Anomaly, Slava G. Turyshev et Viktor T. Toth, Living Reviews in Relativity, 2010

The constancy of the Pioneer anomalous acceleration,  Ø. Olsen, 2006

The Pioneer Anomaly and Its Implications, Slava G. Turyshev et al., ArXiv, 2005

Study of the anomalous acceleration of Pioneer 10 and 11, John D. Anderson et al. (PDF), ArXiv, 2001

Indication, from Pioneer 10/11, Galileo, and Ulysses Data, of an Apparent Anomalous, Weak, Long-Range Acceleration, John D. Anderson et al., ArXiv, 1998

The Depths of Space: The Story of the Pioneer Planetary Probes, Mark Wolverton, Joseph Henry Press, 2004

Nature, 431, 2004 (par abonnement)

Planetary Society (Pioneer Anomaly) et leur blog

Hommage aux sondes spatiales (sur ce site)

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