Hommage aux Voyager et autres sondes spatiales

De frêles esquifs partis à l'aventure sur l'océan cosmique (I)

Ainsi que vous l'avez constaté, de nombreuses pages de ce site consacrées au système solaire sont richement illustrées. Elles rendent implicitement hommage aux missions Apollo, aux observatoires orbitaux Cluster, Hubble, Iras, Soho, Trace, Yohkoh ainsi qu'aux sondes spatiales Cassini, Huygens, Clementine, Galileo, Giotto, Lunar Orbiter, Mariner, Mars Global Surveyor, Mars Express, Mars Odyssey, Pioneer, Ulysse, Voyager et bien d'autres explorateurs mécaniques.

Dans le cadre de cette extraordinaire aventure spatiale, ces sondes ont accompli une tâche monumentale, remplissant leurs missions souvent au-delà de toutes les espérances.

Peu de gens se rendent compte que ces sondes spatiales ne sont pas lancées dans l’espace comme on jetterait une bouteille à la mer. Elles font partie d’un système de communication sophistiqué alliant une sonde d’exploration in situ et des stations terriennes de poursuite. 

Ainsi que nous l'avons expliqué, les installations radio du réseau DSN de la NASA, situées en Californie, en Australie et en Espagne sont des composantes tout aussi critiques que les sondes elles-mêmes. C’est le Jet Propulsion Laboratory, JPL, installé en Californie à Pasadena qui, sans cesse, améliore ce système en lui ajoutant de nouveaux récepteurs, des filtres, des logiciels de traitement de signaux et des antennes toujours plus sensibles. Ces améliorations ne peuvent toutefois pas compenser la perte graduelle de la puissance d’émission des sondes spatiales à mesure qu’elles s’éloignent de la Terre. 

Si dans la banlieue terrestre le bruit de fond galactique n'est pas sensible, aux confins du système solaire il est prédominant et le signal est à peine perceptible. Aussi, afin de conserver une réserve de puissance pour des corrections éventuelles loin de la Terre, la vitesse de transmission de Pioneer 10 par exemple a été réduite à 16 bits par seconde, une vitesse plus lente que le débit d’une conversation ordinaire. Disposant d’un émetteur fonctionnant à une fréquence plus élevée et d’une antenne terrienne de 34 m de diamètre, Voyager communique avec la Terre dix fois plus rapidement. Les communications restent toutefois beaucoup plus lentes que la plupart des modems qui équipent les micro-ordinateurs.

Sous l'antenne parabolique de 70m de Golstone. Waow, plutôt impressionnant ! En fait il s'agit de la plus grande antenne orientable dédiée aux télécommunications spatiales. Plus la parabole est grande plus elle est capable de détecter des signaux faibles. Document UCLA/RADHEP.

Honneur aux anciens

Parmi les premières missions au long cours interplanétaire citons celle de la sonde spatiale Pioneer 10. Ce projet fut conçu au début des années 1970 par l'ingénieur américain Herb Lassen de TRW. Cette société fut intégrée en 2002 aux secteurs Mission Systems and Space Technology de Northrop Grumman, l'une des 10 majors du secteur astronautique américain. On y reviendra en deuxième partie de cet article.

Sur le plan théorique, nous devons le projet scientifique au célèbre professeur James Van Allen. Il fut aussi le principal chercheur responsable du compteur Geiger embarqué (Geiger Tube Telescope). 

Pioneer 10 fut la première sonde spatiale qui photographia Jupiter. En décembre 1973, Van Allen utilisa la sonde pour mesurer l'intensité des ceintures de radiation entourant le géant jovien. L'histoire se renouvella avec Pioneer 11 qui rencontra pour la première fois Saturne en septembre 1979. Beaucoup de téléspectateurs ont délaissé leurs loisirs pour suivre ces missions avec beaucoup d'intérêts.

Après avoir annoncé la fin des transmissions avec Pioneer 11 en septembre 1995, le 26 février 2003, la NASA annonça officiellement l'arrêt des communications avec Pioneer 10.

La sonde souffrait d'une faiblesse et d'une décroissance de sa source d'énergie radioisotopique et avait envoyé ses derniers signaux le 22 janvier 2003 à quelque 12.2 milliards de km de la Terre, soit presque 82 fois la distance de la Terre au Soleil. Van Allen s'attendait en fait à cette décision lorsque la NASA l'avertit personnellement par téléphone une semaine plus tôt. Mais dans son esprit l'odyssée de Pioneer 10 n'était pas terminée; il écrivait en effet des articles à son sujet.

Entre-temps, en août et septembre 1977 la NASA envoya les sondes Voyager 1 et Voyager 2 explorer l'environnement de Jupiter et des planètes supérieures. Sommet de la technologie des années 1970, Voyager 1 pèse 825 kg (contre 285 kg pour Pioneer 10) répartis entre son immense antenne parabolique de 3.7m de diamètre, une électronique et des senseurs sophistiqués et quatre générateurs thermoélectriques (RTG) capables de produire au décollage une puissance de 470 watts, trois fois supérieure à celle de Pioneer 10.

Voyager fut télécommandé jusqu'à plus de 4.5 milliards de kilomètres de distance, avec un temps de réponse qui atteignit 4 heures. Parcourant 1 U.A. tous les trois mois, la puissance des transmissions, de 20 watts à l'émission, arrivent à présent sur Terre avec une puissance réduite d'un facteur 1018... Les techniciens ont calculé la trajectoire de Voyager 2 avec une précision "sur site" de 30 km, une ponctualité de 10 minutes et l'orientation de son antenne fut précise à 0.05° près !

Gros-plan sur la parabole si précieuse de Pioneer 10. Sans elle, pas de communications et aucune donnée scientifique. Document H.M.Stanfield.

A consulter : Le message emporté par Voyager 1 et 2

En 1992-1993, signes avant-coureurs de leur évasion, Voyager 1 et 2 ont enregistré les bruits provoqués par l’onde de choc du vent solaire sur l’héliopause qui marque la frontière entre le système solaire et l’espace interstellaire. Au tournant du millénaire on a estimé que cette limite se situait encore 40 UA devant les deux sondes. Aujourd'hui les deux Voyager manquent d'hydrazine pour modifier leur trajectoire. Si l’oxyde de plutonium de leur générateur présente une demi-vie de 92 ans, les thermocouples qui convertissent cette énergie en électricité vont se dégrader beaucoup plus rapidement jusqu'à ce que le signal émit tombe sous le seuil de sensibilité des instruments. Mais vers 2020, longtemps avant l'épuisement du plutonium, la première ressource qui viendra à manquer aux deux sondes spatiales sera la lumière du Soleil. Aux yeux des caméras embarquées, notre étoile sera indiscernable dans le firmament. Le JPL et les stations terriennes de poursuite perdront alors tout contact avec les Voyager et autre Pioneer.

Le télescope Hubble observant le ciel profond

SOHO face au Soleil

Cassini-Huygens débarque sur Titan

Giotto rencontre Halley

Cluster2 à l'écoute du géomagnétisme

Yohkoh surveillant le Soleil

Documents ESA et T.Lombry

Aujourd’hui voyageant à plus de 17 km/s (61200 km/h) les sondes Voyager 1 et 2 continuent de voir le Soleil comme une étoile brillante et continuent d’ajuster leur position, se balançant de ci de là en allumant leurs petites fusées pour orienter leur antenne et transmettre leurs informations aux stations de poursuite terriennes. Car leur activité n'est pas encore achevée. D'ici là, fidèle à leur mission, les deux sondes continueront à transmettre de précieux renseignements sur le milieu interplanétaire.

Les amateurs peuvent-ils détecter les signaux de ces sondes spatiales ? Moyennant l'installation d'une antenne parabolique de 2m de diamètre accordée sur la bande S vers 2.32 GHz il est possible de détecter les faibles signaux émis par ces sondes jusqu'à plus de 10 milliards de km de la Terre. Les membres de la  SETI League par exemple peuvent réaliser de telles prouesses ainsi que les radioamateurs passionnés de micro-ondes.

Les positions des sondes Pioneer et Voyager en l'an 2000. Cliquer sur l'image pour l'agrandir. Document NASA/JPL.

Mais à l'impossible nul n'est tenu. En 2000 par exemple, les stations SETI opérées par les radioamateurs ont perdu toute chance de détecter les signaux émis par Pioneer 10. Peu de temps après les radioastronomes professionnels de l'Institut SETI américain perdirent également la trace de la sonde spatiale. Et pour cause. Elle se trouvait alors à 11.5 milliards de km de la Terre et le signal de downlink était 1 dB en-dessous du seuil de détection des antennes et des processeurs DSP du projet Phoenix. Il fallut faire appel aux grandes antennes du réseau DSN pour localiser la sonde spatiale.

En fait à cette époque, malgré le fait que Pioneer 10 émettait avec une puissance d'émission de 8 W et utilisait une antenne offrant un gain de +33 dBi (puissance totale EIRP de +72 dBm), à la réception la perte de puissance s'élevait à 310 dB, le signal arrivant sur Terre avec une puissance de -229 dBm ! Même l'Institut SETI ne pouvait plus discriminer le signal dans le bruit de fond cosmique malgré l'utilisation d'un logiciel spectrographique plus performant que SETI@home. Cette fois Goldstone repris la relève et les amateurs vaquèrent à d'autres occupations.

Deuxième partie

L'Aventure continue et L'anomalie de Pioneer

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