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L'anomalie de Pioneer

La sonde Pioneer 10. Document NASA.

Logbook du JPL

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 sera baptisé "l'anomalie de Pioneer". Dans le cas de Pioneer 10, chaque année, la sonde accuse un retard sur sa position théorique de 5000 km.

Le 27 septembre 2004, la revue "Nature" rapportait que Pioneer 10 fonçait à 12.5 km/s et se trouvait 400000 km plus proche que prévu ! Cette anomalie suggère qu'une force cent millions de fois plus faible que la gravité à la surface de Terre "repousse" les deux vaisseaux vers le Soleil. 

Ceci n'est qu'une interprétation car il y a une difficulté majeure pour résoudre ce problème. En effet, les chercheurs ne disposent d'aucune donnée de position de la sonde, de vitesse ou d'accélération et ne peuvent 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.

Mais le décalage de la fréquence des ondes radios émises par les deux sondes suite à leur déplacement est 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 2002, lorsque John Anderson du JPL ne put 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. La raison de l'anomalie reste donc en suspens.

En 2004, John Anderson choisit une autre voie : réanalyser 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 été accepté faute de ressources (personnel).

La Planetary Society très impliquée dans l'exploration spatiale a souhaité parrainer ce projet grâce à ses milliers de membres. Elle y est parvenue. 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 événement sur le vaisseau comme une fuite éventuelle du générateur.

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 ralentir 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."

En guise de conclusion

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.

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

Pour plus d'informations

Planetary Society (Pioneer Anomaly) et leur blog

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

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

Nature, 431, 2004 (par abonnement)

Hommage aux sondes spatiales (sur ce site)

Silver Anniversary Pioneer 10

NASA Voyager Probe

Celestial ephemerides in an expanding universe, S.Kopeikin, Phys. Rev. D 86, 064004, 2012

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