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Les missions spatiales L'exploration du système solaire (IV) Les comètes Le succès mémorable du rendez-vous de la sonde spatiale Giotto de l'ESA avec la célèbre comète de Halley le 13 mars1986 prouva à tous les chercheurs qu'il était possible de calculer une rencontre à 500 km de distance du noyau d'une comète dont la vitesse relative était de 68.4 km/s soit ~246000 km/h située à 150 millions de kilomètres de la Terre. Six ans plus tard, l'excitation continua lorsque Giotto rencontra une autre comète beaucoup moins active, Grigg-Skjellerup, à une vitesse relative plus lente de 13.8 km/s mais à seulement ~200 km de son noyau. Malheureusement Giotto n'a pas pu la photographier car plusieurs instruments avaient été endommagés lors de sa rencontre avec Halley.
En 1998, la NASA franchit un nouveau pas en lançant la petite sonde Deep Space 1, la première représentante du programme révolutionnaire New Millenium. DS1 fut emblématique car elle démontra qu’il était possible d’allier dans la prochaine génération de sondes d’explorations une douzaine d’innovations technologiques pour un faible coût, dont une propulsion plus performante (électrique et non plus chimique), une microélectronique encore plus miniaturisée et une meilleure autonomie permettant à ce type de sondes d’opérer plus longtemps sans recevoir d’instructions détaillées de la Terre. DS1 visita les astéroïdes McAuliffe et Braille en 1999, passa au large de Mars en avril 2000, visita la comète Wilson-Harrington en janvier 2001 et passa au large de Borelly en septembre 2001 tout en étudiant les autres corps célestes durant son voyage. En juin 2002, la mission Contour (Comet Nucleus Tour) de la NASA s'envola pour étudier 3 comètes : Encke, Schwassman-Wachmann 3 et d’Arrest. Les instruments équipant cette plate-forme présentaient une résolution de 4 mètres par pixels, 25 fois supérieure aux meilleurs images de Halley ! Malheureusement, peu après son lancement la sonde fut détruite, probablement suite à une instabilité de son moteur. En 2004, la sonde spatiale Stardust rencontra la comète Wild 2. Au cours de son survol elle captura de la poussière et des gaz cométaires à haute température dans un bloc d'aérogel qui fut ramené sur Terre pour analyse. En 2005, l'impacteur de Deep Impact s'écrasa comme prévu sur la comète Tempel 1 formant un cratère profond de 500 m et grand comme deux terrains de football. Cette collision programmée permit aux scientifiques d'étudier le nuage de poussière qui en résulta et indirectement la constitution du noyau de la comète qui remonte à l'époque de la formation du système solaire. Rappelons que la mission Deep Space DS4 qui devait survoler Tempel1 en 2006 (lander Champollion) fut annulée en 1999, forçant la NASA à la remplacer par la petite mission Deep Impact. Dans le cadre de la mission Epoxi, en 2010 la sonde Deep Impact photographia le noyau de la comète Hartley 2, révélant un corps allongé émettant des jets asymétriques. Enfin, dans le cadre de l'ambitieuse mission Rosetta de l'ESA, la sonde spatiale équipée du lander Philae rencontra la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko en août 2014, nous révélant un astre irrégulier à la surface très étonnante comme on le voit ci-dessous à droite. Cette comète dont le noyau mesure 3x5 km, tourne sur lui-même en quelque 12.4 heures et s'est formé par l'accrétion de milliers de petits objets autour de deux corps plus importants. A
voir : Atterrissage de
Philae sur la comète Churyumov-Gerasimenko Photos depuis la surface de 67P (sur le blog, 2014) Blog Rosetta, ESA
Churyumov-Gerasimenko est une comète libérant deux fois plus de poussière que de gaz. Lorsqu'elle s'approche au plus près du Soleil (entre 4 et 3 UA), elle libère entre 60 et 220 kg de poussière par seconde. Sa queue de poussière et de gaz contient principalement de la vapeur d'eau. Rosetta a également identifié des gaz comme l'ammoniac, le méthane et le méthanol ainsi que des traces de formol, de sulfure d'hydrogène, d'acide cyanhydrique, de dioxyde de soufre et de sulfure de carbone ainsi que des traces de sodium, de magnésium et de fer dans les poussières de la coma interne. Pour la première fois dans l'Histoire de l'astronautique et il faut le souligner, la sonde Philae atterrit à la surface de la comète le 12 novembre 2014, bien qu'après avoir rebondi quelquefois en raison d'une panne de son principal propulseur et des pitons d'ancrage. Philae effectua des analyses chimiques, thermiques, électriques et acoustiques de la surface et du sous-sol de la comète afin de déterminer sa composition et la structure de son noyau. La mission Rosetta s'acheva fin 2015. Les chercheurs doivent à présent analyser les données récoltées en espérant peut-être répondre à la question de savoir d'où provient l'eau et le carbone qu'on trouve sur Terre, deux éléments essentiels au développement de la vie. Pendant ce temps, Rosetta se dirigea vers le petit astéroïde Lutétia (Lutèce) qu'elle survola en 2010. Les astéroïdes En 1991, avant d'atteindre Jupiter, la sonde Galileo eut l’occasion de photographier l'astéroïde Gaspra et Ida en 1993. Deux ans plus tard la mission Near-Shoemaker photographia avec succès Mathilde avant d’atterrir sur Eros en 2001. Si le succès de la mission Near dépassa toutes les espérances, celui de la sonde Hayabusa fut encore plus spectaculaire bien qu'il se fit dans l'indifférence quasi-générale. En 2004, la JAXA envoya une sonde automatique et totalement autonome explorer le petit astéroïde Itokawa mesurant 630 m de longueur situé à 290 millions de km de la Terre. Le module Minerva y préleva des échantillons et les ramena sur Terre en juin 2010.
En 2007, la NASA envoya la sonde spatiale Dawn, propulsée par un moteur ionique, explorer les astéroïdes Vesta (2011) et Cérès (2015) Fin 2014, la JAXA envoya la sonde spatiale Hayabusa 2 équipée de l'atterrisseur MASCOTT explorer le petit astéroïde carboné Ryugu de 400 m de rayon qu'elle atteignit mi-2018. En décembre 2020, elle ramena avec succès des échantillons pesant au total à peine 0.1 gramme. En 2016, la NASA lança la sonde spatiale OSIRIS-REx vers l'astéroïde Bennu qu'elle survola en 2018. Bennu est un astéroïde carboné de 492 m de longueur potentiellement dangereux pour la Terre (PHA) qui orbite à moins de 1.3 UA du Soleil. Sa surface fut cartographiée et un spectromètre thermique analysa ses émissions pour évaluer l'effet Yarkovsky (une absorption de l'énergie solaire qui réchauffe sa surface et produit une lente déviation du grand axe de son orbite). Un échantillon de 60 grammes de sol fut récolté avec succès en octobre 2020 et sera ramené sur Terre en septembre 2023. L'analyse de cet échantillon aidera les chercheurs à éventuellement développer des contre-mesures adéquates si Bennu présentait un réel risque d'impact (la solution la plus simple serait de le dévier de sa trajectoire). Des images et vidéos de la mission OSIRIS-REx sont disponibles sur le site Solar System Exploration de la NASA. A
voir : OSIRIS-REx Spacecraft Captures a Sample of Asteroid Bennu,
NASA, 2020 Tour of Asteroid Bennu, NASA-GSFC, 2020 Asteroid Bennu’s Surprising Surface Revealed by NASA Spacecraft, NASA-GSFC, 2022 DART’s Final Images Before Asteroid Impact (MP4), JHUAPL, 2022 Le 24 novembre 2021, dans le cadre de la mission DART (Double Asteroid Redirection Test), la NASA en collaboration avec l'ESA lança une sonde spatiale en direction de l'astéroïde binaire Didymos (65803) situé à 11.3 millions de kilomètres de la Terre dans le but qu'elle percute sa petite lune Dimorphos (160 m de diamètre) et la dévie légèrement de sa trajectoire et ainsi tester en conditions réelles la technique de l'impacteur cinétique. La collision s'est produite comme prévu le 26 septembre 2022. C'est un crash-test qui coûta 325 millions de dollars. On y reviendra à propos des Histoires d'impacts.
Dans le cadre de la mission Hera, en 2024 l'ESA enverra une sonde spatiale étudier les effets de la collision et ainsi déterminer l'efficacité du procédé. Les télescopes spatiaux Hubble et le JWST seront également mis à contribution. La sonde spatiale atteindra l'astéroïde binaire en 2026. Le 18 octobre 2021, la NASA lança également la sonde spatiale Lucy vers onze astéroïdes. Le premier visité sera l'astéroïde Dinkinesh (1999 VD57) en 2023 puis Donaldjohanson, tous deux situés dans la Ceinture principale. Ensuite, entre 2025 et 2033 Lucy explorera sept satellites Troyens de Jupiter (le camp Grec situé sur le point L4 de Lagrange en avant de l'orbite de Jupiter et le camp Troyen situé sur le point L5 de Lagrange en arrière de l'orbite de Jupiter). On ignore à peu près tout de ces astéroïdes et ils peuvent nous révéler d'intéressantes informations sur la formation et la chimie primordiale des planètes ainsi que sur la formation des planétésimaux. Selon le MPC, on dénombre 4184 petits corps sur le point L4 et 2331 petits corps sur le point L5.
Le premier astéroïde du groupe Grec qui sera visité est 3548 Eurybates et sa lune en août 2027, ensuite 15094 Polymèle en septembre 2027, 11351 Leucus en avril 2028 et 21900 Orus en novembre 2028. Puis, après un survol de la Terre le lendemain de la Noël 2030, Lucy se dirigera vers le groupe Troyen et survolera le couple 617 Patrocle-Menoetius le 2 mars 2033 dont les corps mesurent chacun 100 km et sont séparés de seulement 680 km. Les simulations prédisent qu'il s'agit de jumeaux (cf. B.Polak et H.Klahr, 2022). Cette cible présente une forte inclinaison orbitale, rendant l'approche difficile. L'équipe aura toutefois la chance d'atteindre Patrocle lorsqu'il traversera le plan de l'écliptique. Le 1 octobre 2023, la NASA devrait lancer la mission Psyche dont la sonde spatiale va explorer un astéroïde riche en métaux de la Ceinture principale. Les deux astéroïdes troyens terrestres découverts en 2011 et 2020 sont également des candidats pour des futures missions spatiales, si possible avec le retour d'échantillons car vu leur position sur le point L4 de Lagrange, ils peuvent contenir des renseignements précieux sur la formation du système solaire. Les objets interstellaires (ISO) A deux reprises nous avons eu la chance d'observer des objets interstellaires ou ISO de passage dans le système solaire : 1I/'Oumuamua en 2017 et la comète 2I/Borisov en 2019. Selon un article publiée sur "arXiv" en 2021 par l'équipe de Marshall Eubanks de l'Initiative for Interstellar Studies (i4is), une organisation sans but lucratif dédiée à la réalisation de vols interstellaires dans un proche avenir, environ 7 ISO pénètrent dans notre système solaire chaque année et suivent des orbites prévisibles pendant leur passage. Mais un objet comme la comète de Borisov est plus rare et n'apparaît environ qu'une fois tous les 10 à 20 ans. En outre, la plupart de ces objets ont des vitesses supérieures à celles de Oumuamua qui se déplaçait à plus de 26 km/s. Cette étude suggère qu'on pourrait envoyer une sonde spatiale explorer l'un de ces objets dans un proche futur. Selon Eubanks qui est physicien à l'i4is mais également le responsable scientifique de la start-up Space Initiatives Inc. et CEO de la société Asteroid Initiatives LLC, la découverte des objets interstellaires est significative et ne doit pas être sous-estimée : "En prouvant leur existence, cela eut un impact profond, créant un champ d'étude presque à partir de rien (un domaine que les bailleurs de fonds commencent tout juste à reconnaître). Les objets interstellaires nous offrent l'opportunité d'étudier et, à l'avenir, de toucher littéralement, des exocorps des décennies avant les premières éventuelles missions, même vers les étoiles les plus proches, telles que Proxima Centauri."
L'arrivée de ces deux corps extrasolaires offrit l'opportunité aux chercheurs de proposer plusieurs missions spatiales de rendez-vous avec les futurs ISO de passage dans le système solaire. L'une est le Projet Lyra proposé en 2017 auquel participe l'i4is avec le soutien d'Asteroid Initiatives LLC. Il y a également la mission Comet Interceptor de l'ESA proposée en 2019 qui serait lancée en 2028 et devrait rencontrer une comète à longue période. Il y a aussi le projet Dragonfly, un petit vaisseau spatial combiné à une voile laser qui a fait l'objet d'une étude par i4is en 2013. Il y a bien sûr "Breakthrough Starshot", un concept proposé par Yuri Milner et "Breakthrough Initiatives" qui propose d'envoyer une minuscule sonde spatiale vers Alpha du Centaure au moyen d'une voile propulsée par un puissant laser (cf. SETI et la colonisation de l'espace). Ce genre de proposition a déjà été formulée ces dernières années par Abraham Loeb de l'Université d'Harvard et fondateur de l'Institute for Theory and Computation (ITC), et Manasvi Lingam de l'Institut de Technologie de Floride (FIT) et chercheur à l'ITC. Mais un rendez-vous avec un objet interstellaire présente de nombreux défis. Le plus évident est celui de la vitesse. Oumuamua se déplaçait à plus de 26 km/s soit 93600 km/h avant comme après son passage près du Soleil. Dans l'histoire de l'exploration spatiale, aucune sonde d'exploration n'a voyagé aussi vite. A ce jour, les vaisseaux les plus rapides n'ont atteint qu'environ les deux tiers de cette vitesse, notamment la sonde spatiale Voyager 1 qui se déplace à environ 17 km/s (vitesse héliocentrique) et celle de la mission New Horizons qui passa au large de Pluton à 14 km/s. Rappelons que si la sonde spatiale Giotto frôla la comète de Halley à la vitesse relative de 68.4 km/s, la vitesse propre de Giotto ne dépassait pas 14 km/s. Fabriquer un sonde spatiale plus rapide constituera donc un défi majeur. Selon Eubanks, "il est très peu probable que des missions de poursuite puissent rencontrer un ISO. Il s'agira presque certainement de missions limitées à des survols rapides. Les missions de rendez-vous, où l'on fait correspondre les vitesses et les orbites des deux corps en mouvement avec un éventuel atterrissage sur l'ISO exigeront de grandes précautions." En plus la fenêtre d'observation sera assez courte. Dans le cas de Oumuamua, les observateur n'eurent que 11 jours pour réaliser leurs observations, après lesquels l'astre était hors de portée des instruments. Dans le cas de la comète Borisov, elle fut découverte environ 3 mois avant son passage au périhélie. Mais pour que les futures missions de rendez-vous réussissent, il est impératif d'en savoir le plus possible sur la fréquence à laquelle les ISO nous visitent et à quelle vitesse ils se déplacent. Pour garantir le succès de la mission, il faut tenir compte des contraintes sur ces deux variables, en particulier la façon dont la vitesse d'un objet interstellaire est influencée par le référentiel local au repos (LSR ou local standard of rest), c'est-à-dire le mouvement moyen des étoiles, du gaz et de la poussière dans la Voie Lactée à proximité du Soleil. Selon Eubanks, "en supposant que les ISO se sont formés en même temps que le système planétaire d'où ils proviennent et qu'ils furent isolés, ils partagent la même dynamique galactique que les étoiles. Sur base des données de 1I/'Oumuamua et de 2I/Borisov ainsi que des estimations des vitesses stellaires réalisées par la mission Gaia de l'ESA, on peut estimer la vitesse à laquelle se déplacent les ISO." On pourrait donc planifier une mission spatiale sur cette base. Affaire à suivre. L'Interstellar Probe à destination de l'espace interstellaire A ce jour, cinq sondes spatiales sont en bonne voie d'atteindre un jour l'espace interplanétaire : les sondes Pionner 10 et 11, les Voyager 1 et 2 et New Horizons. Mais certains scientifiques aimeraient bien envoyer une sonde spatiale à plus de 1000 UA, dans l'espace interplanétaire, à condition que cette mission soit compatible avec la durée de vie humaine. Pour rappel à 1000 UA, nous sommes entre la Ceinture de Kuiper (~100 UA) et le Nuage de Oort (104-105 UA).
La NASA s'intéresse à ce projet dénommé Interstellar Probe qu'elle finance et dont elle étudie la faisabilité depuis 2019. L'Université Johns Hopkins est responsable de son développement. Au total, 38 personnes travaillent directement sur ce projet dont 28 scientifiques au JHUAPL. Ce projet multi-générationnel pourrait être lancé dans les années 2030 et durera au moins 50 ans. C'est-à-dire que le chef de projet et les spécialistes ont une dizaine d'années pour le préparer. Les équipes auront probablement changé et certains membres ne seront plus parmi nous lorsque le dernier bit d'information sera renvoyé par la sonde spatiale. Si on se base sur le prix actualisé des missions Voyager 2 (plus de 1 milliard de dollars) et New Horizons (781 B$), le coût total de ce programme pourrait dépasser le milliard de dollars. Mais c'est 3 fois moins cher que la mission du robot Curiosity sur Mars ou de Cassini-Huygens autour de Saturne. Actuellement, il n'y a pas d'urgence ni de contraintes. Rappelons seulement que le budget de la NASA et notamment des missions d'exploration dépend des fonds publics et de la décision finale du président Joe Biden et des deux prochains présidents de poursuivre ou non ce programme. Kirby Runyon est responsable du groupe de travail de planétologie du programme Interstellar Probe au JHUAPL. Il a déjà travaillé sur plusieurs missions de la NASA dont Mars Reconnaissance Orbiter, Lunar Reconnaissance Orbiter, New Horizons et Mars 2020 Rover. Vu la distance à parcourir et le temps qui s'écoulera, il faut équiper la sonde spatiale d'un propulseur deux à trois plus rapide que celui équipant les Voyager. Au lieu de parcourir 3.6 UA par an, l'Interstellar Probe devrait parcourir 14 à 16 UA par an. Mais Runyon estime qu'une telle vitesse n'est pas nécessaire pour ce type de mission. Actuellement, sur base du lanceur SLS on pourrait parcourir 7 ou 8 UA par an soit atteindre une vitesse de 33 à 38 km/s. A cette vitesse, la sonde pourrait quitter l'héliosphère en une quinzaine d'années. Ce serait également une vitesse suffisamment faible pour permettre aux instruments embarqués de continuer à enregistrer des données sur la dynamique du vent solaire. En revanche, si les chercheurs décident d'explorer la planète naine Sedna qui est actuellement à environ 90 UA du Soleil mais s'écarte jusqu'à ~950 UA, il faudrait aller deux fois plus vite. A
voir : Interstellar Probe Mission
Concept, APL, 2021 Finalized Science Goals and Example Payload
Document JHUAPL. Tout va donc dépendre des objectifs de la mission. Si l'étude de l'héliosphère n'est pas prioritaire et que les chercheurs souhaitent explorer le milieu interstellaire ou une planète trans-neptunienne éloignée, alors il faut tout miser sur la vitesse. A priori, sachant que Joe Smith est expert en héliophysique et que la majorité des études autour de ce programme concerne cette discipline, on peut imaginer que l'étude de l'héliosphère sera prioritaire. Les scientifiques devront rapidement fixer leurs objectifs pour déterminer les caractéristiques du propulseur et des instruments à embarquer. En 2021, rien n'était encore décidé. On reviendra en temps utile sur ce propjet. Pour plus d'informations Quelques livres (cf. détails dans ma bibliothèque)
Sur ce site Les communications spatiales avec Mars National Geographic Magazines sur l'astronomie et l'astronautique Vidéos sur l'astronautique (animations) Les fusées, les projets et les missions spatiales Missions Active - By Target - By Type, NASA Upcoming Planetary Events and Missions, NASA/GSFC GRIN, NASA Blog Rosetta, ESA Encyclopedia Astronautica (Astronautix) The Planetary report, The Planetary Society Hubble Heritage Project, STScI PDS Image Atlas, JPL (les images brutes des missions spatriales) Spacecom (News) Science Connection, Magazine de Belspo (B) Livres d'Astronautique (blog).
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