Sondes spatiales

Qu'est-ce qu'une sonde spatiale ?

Une sonde spatiale est un vaisseau envoyé par l'Homme dans l'espace et destiné à explorer des objets de notre système solaire : planète, comète, astéroïde, étoile, etc. De nombreuses tentatives sont restées infructueuses, autant du côté américain que du côté russe, mais ce sont les soviétiques qui ont les premiers su faire sortir un objet fabriqué par l'homme, hors du champs d'attraction terrestre. Le 2 janvier 1959, la sonde spatiale Lunik 1 s'approche à 6 000 km de la lune pour poursuivre ensuite sa route dans l'espace après avoir transmis quelques données. Deux mois plus tard, la sonde américaine Pioneer effectue le même parcours. Depuis cinquante ans, ces engins spatiaux sont envoyés dans notre système solaire, avec un taux d'échec élevé mais les missions réussies de ses sondes nous valent de magnifiques observations qui font rêver, le grand public ainsi que les scientifiques.
Une sonde spatiale peut avoir différentes fonctions selon le type de module qu'elle embarque.
On parle d'orbiteur lorsqu'elle s'insère en orbite de l'astre cible, d'atterrisseur lorsqu'elle se pose sur un corps solide, ou de sonde de rentrée lorsqu'elle entre dans l'atmosphère d'un corps gazeux. Une sonde a pour mission, de faire des mesures in situ et de nous transmettre ses données. Équipées de caméras d'observations, elles nous montrent l'objet cible, en dehors des perturbations atmosphériques terrestres et dans un angle de vue inaccessible, depuis la Terre.

Il est important de faire la différence avec les satellites artificiels, qui eux, ne sont destinés qu'à être mis sur orbite terrestre. Cependant, certaines sondes sont aussi destinées à être mises en orbite autour d'autres planètes, satellites de planètes ou même autour de petits astéroïdes. Les États-Unis dominent largement ce domaine de l'exploration du système solaire, par les sondes spatiales. En 1964 une première sonde spatiale est envoyée vers Mars, puis en 1972 vers Jupiter, en 1973 vers Saturne et Jupiter, et une autre vers Mercure, en 1977 vers Uranus et Neptune ainsi que Jupiter et Saturne. Au XXème siècle, seul Pluton n'a pas encore fait l'objet d'une exploration par sonde spatiale. Les images qui nous parviennent des sondes, témoignent souvent de notre passé mais nous montrent aussi notre avenir.

Image : Cette image de 2011, positionne, Voyager 1, lancée en 1977, elle est à 17,5 milliards de km. Son signal met 16 heures à parcourir 117 fois la distance Terre-Soleil.  Pioneer 10 est à 15,4 milliards de km du Soleil, Voyager 2 à 14,2 milliards de km et Pioneer 11 à 12,4 milliards de km, bien au-delà de l'orbite de Pluton.
En deçà de Pluton, la sonde New Horizons est à 3 milliards de km. Tous ces vaisseaux spatiaux ont utilisé les effets de fronde gravitationnelle pour gagner en vitesse. Voyager 1 est la plus rapide, avec une vitesse de 17 km/s.

Cassini

La mission Cassini-Huygens La mission Cassini-Huygens est une mission conjointe de la NASA, de l'Agence spatiale européenne et de l'Agence spatiale italienne dont le but principal est d'explorer Saturne et ses satellites, en particulier Titan. L'idée de cette mission remonte à 1982. La durée totale de la mission est estimée à 11 ans, du lancement le 15 octobre 1997 jusqu'en 2008. La sonde Cassini-Huygens est composée de l'orbiteur Cassini, équipée au total de 12 instruments, et de l'atterrisseur Huygens, équipé de 6 instruments. Début 2004, la sonde est entrée en orbite autour de Saturne et le 14 janvier 2005, l'orbiteur s'est posé sur Titan. est une mission spatiale automatique réalisée en collaboration par le Jet Propulsion Laboratory (JPL), l'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Agence spatiale italienne (ASI). Son objectif est l'étude de la planète Saturne et de plusieurs de ses satellites, dont Titan. La sonde spatiale Cassini-Huygens, composée de l'orbiteur Cassini et du module Huygens est en orbite autour de la planète. Huygens avait pour objectif d'atterrir sur le satellite Titan. Le nom de la mission est un hommage à Jean-Dominique Cassini, astronome français du XVIIe siècle à l'origine d'observations fondamentales concernant Saturne, et à Christian Huygens, astronome néerlandais du même siècle, qui a découvert Titan. La mission Cassini-Huygens a notamment permis d'avoir de nombreuses images détaillées de Phœbé, d'étudier en détails la structure des anneaux de Saturne, d'étudier Titan de manière approfondie et de découvrir les nombreuses lunes de Saturne. Après un voyage de près de 7 ans et 3,5 milliards de km parcourus dans le système solaire sur le dos de Cassini, la sonde Huygens s'est posée sur Titan, grâce à ses boucliers thermiques, le 14 janvier 2005 renvoyant sur Terre, distante de 1,2 milliards de km, des informations et des images spectaculaires.

Après une première extension de mission jusqu'en 2010, pour observer intégralement l'équinoxe d'aout 2009, les responsables de la mission ont repoussé une nouvelle fois l'âge de la retraite de Cassini. Depuis septembre 2010, la sonde a débuté une nouvelle mission de 7 ans, dont l'objectif est d'observer Saturne au-delà du solstice d'été de l'hémisphère nord.
« Après presque sept ans en transit et six ans dans l'orbite de Saturne, le vaisseau spatial continue son petit bonhomme de chemin », a déclaré Bob Mitchell, directeur du programme Cassini du Laboratoire de recherche sur la propulsion (JPL) de la Nasa. « Avec sept ans de plus devant lui, la science devrait être aussi passionnante qu'elle l'a été jusqu'à maintenant. »

Image : Image d'artiste de la sonde Cassini Huygens © Mylène Simoès, Art Director.

New horizons

Le programme New Horizons est une sonde spatiale de la NASA destinée à survoler Pluton et son satellite Charon, puis à continuer dans la ceinture de Kuiper. Il étudiera aussi Jupiter et ses lunes.
Il s'agit du premier engin spécifiquement étudié pour retransmettre des données des objets lointains du système solaire.
La sonde New Horizons a été lancée le jeudi 19 janvier 2006 à 20h00 heure française et pourra utiliser l'assistance gravitationnelle de Jupiter en 2007. La sonde a une forme triangulaire épaisse, c'est la plus rapide jamais lancée depuis la Terre (19 km/s).
Comme la sonde part aux confins du système solaire, la génération d'électricité ne peut être assurée par les traditionnels panneaux solaires, un générateur thermoélectrique à radio-isotope (RTG) est alors embarqué. Ce générateur convertira la chaleur fournie par la désintégration radioactive de 10,9 kg de dioxyde de plutonium 238, dont on estime qu'il fournira encore 190 watts en 2015. Le cylindre contenant le générateur est fixé sur un des sommets du triangle. L'antenne parabolique, d'un diamètre de 2,5 mètres, servant à la communication avec la Terre est fixée sur une des faces du triangle. Son poids total est de 265 kg.

N. B. : à bord de New Horizons il y a une urne funéraire avec les cendres de celui qui a découvert Pluton en 1930, l'astronome américain Clyde William Tombaugh (1906 - 1997). New Horizons est la première sonde à avoir pour principal objectif l'étude et le survol de Pluton.
En raison de son éloignement, Pluton est une destination à risque, c'est pourquoi les projets d'étude de cette planète naine ont été annulés les uns après les autres, comme le programme Outer Planet Grand Tour, qui prévoyait l'envoi de quatre sondes, dont deux en direction de Jupiter, Saturne et Pluton.
Suite à des contraintes budgétaires, la NASA n'a pu envoyer que 2 sondes : Voyager 1 et 2.
L'observation de Pluton a été abandonnée car le Jet Propulsion Laboratory (JPL) ne pouvait diriger, pour des raisons de configuration planétaire, qu'une sonde à la fois vers Uranus, Neptune et Pluton.

Image : Image d'artiste de la sonde New Horizons © Mylène Simoès, Art Director.

Rosetta

Rosetta Le nom Rosetta est un clin d'œil à la fameuse pierre de Rosette, qui permit il y a 2 siècles, de déchiffrer les hiéroglyphes égyptiens. L'atterrisseur est baptisé Philae, du nom de l'obélisque de Philae, qui permit en complément de la pierre de Rosette de déchiffrer les hiéroglyphes.  est une sonde spatiale conçue par l'Agence spatiale européenne (ESA), dont l'objectif principal est l'étude de la Comète Churyumov-Gerasimenko. Elle sera la première à se mettre en orbite autour d'une comète et également à déposer un atterrisseur sur sa surface. Mais avant d'arriver auprès de cette dernière, la sonde photographiera les astéroïdes Steins L'astéroïde 2867 Steins ne mesure que 5 kilomètres de diamètre en forme de diamant. Il a été découvert le 4 novembre 1969 par Nikolaj S. Chernykh. Comme l'explique Philippe Gaudon, le survol a tout d'abord confirmé des observations faites depuis la Terre (La Terre, foyer de l'humanité, est surnommée la planète bleue. C'est la troisième planète du système solaire en partant...): "sa surface (Il existe de nombreuses acceptions au mot surface, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, souvent...) est très homogène, essentiellement composée d'enstatites, c'est-à-dire de silicates très peu métallisés avec quelques traces de composés soufrés".  et Lutetia.Lutetia a été observée pour la première fois par Herman Goldschmidt à Paris, le 15 novembre 1852. Rosetta et Philae reprendront du service en juillet 2010, pour photographier Lutétia, un gros astéroïde de 100 km de diamètre.  Durant 18 mois Rosetta cartographiera la comète et posera son atterrisseur Philae, à sa surface afin d'étudier sa composition. Suite à l'échec de la fusée européenne Ariane 5 en décembre 2002, c'est la comète Churyumov-Gerasimenko qui a été choisie au détriment de Wirtanen (objectif initial). Ariane 5 a lancé la sonde Rosetta le mardi 2 mars 2004 à 4h 17m et 44s (heure de Kourou, en Guyane française) pour un parcours de 6,5 milliards de kilomètres. Rosetta bénéficiera de l'effet d'assistance gravitationnelle. Ce concept permet de se servir de l'énergie gravitationnelle d'un corps céleste en le frôlant. Plus il est massif et plus la vitesse acquise est élevée. Rosetta va user par quatre fois de cette technique, en frôlant la Terre (2005, 2007 et 2009).

Rosetta a frôlé à 1 700 km l'astéroïde Steins, le 5 septembre 2008, avec une vitesse relative de 9 km/s. Lutetia, l'astéroïde d'un diamètre d'une centaine de kilomètres, a été frôlé le 10 juillet 2010.
La sonde européenne Rosetta est passée à 3000 km de l'objet à près de 15 km/s. C'est le plus grand astéroïde survolé à cette date. Tournant autour du Soleil au niveau de la ceinture d'astéroïde principale, Lutetia s'est révélé être un reliquat fortement cratérisé du système solaire primordial. La sonde spatiale Rosetta poursuit dès lors son périple à destination de la comète Churyumov-Gerasimenko qu'elle devrait atteindre en 2014. Il n'y aura pas, pour des raisons d'économie d'énergie, de communication avec la Terre entre 2011 et 2014. Mais au mois d'aout 2014 elle entrera en orbite autour de la comète.

Image : Image d'artiste de la sonde Rosetta © Mylène Simoès, Art Director.

Mars Reconnaissance Orbiter (MRO)

Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), c'est le nom de cet œil de lynx d'une nouvelle génération de sondes destinées à photographier la planète Mars.
Cette sonde américaine, lancée le 12 aout 2005 depuis la base Cap Canaveral en Floride, contribue à enrichir nos connaissances sur la planète Mars, comme l'histoire de son eau, de son climat ou de son sous-sol.
MRO pourra repérer les meilleurs sites d'atterrissage pour des sondes ou les hommes à venir et servira, dès la fin de sa mission scientifique, de relais de communication avec la Terre jusqu'en 2015.
Cette sonde est nettement plus imposante que les précédentes (Mars Global Surveyor et Mars Odyssey). Avec une hauteur de 6,50 m et un diamètre de 3 m, ce monstre bourré de technologie, contient 11 instruments au total pour assurer, sa mission scientifique, sa navigation et sa communication avec la Terre (caméra stéréoscopique haute résolution HiRISE, caméra CTX de contexte, spectro-imageur CRISM, caméra MARCI, radiomètre MCS, radar SHARAD, émetteurs radio sciences,... ).
D'une masse totale de 2180 kg au décollage, MRO a été lancée par une fusée Atlas V-401.
Après avoir parcouru 500 millions de km en 7 mois à 3 km/s, elle s'est positionnée en orbite martienne.

Le 10 mars 2006, après un voyage de sept mois, elle a exécuté avec succès les délicates manœuvres d'entrée en orbite autour de Mars.
La sonde martienne MRO de la NASA qui a débuté réellement sa mission scientifique en novembre 2006 a d'ores et déjà envoyé vers la Terre, en quelques mois, près de 8 téraoctets de données, autant que MGS (Mars Global Surveyor) en neuf années d'observation.
Avec toute cette technologie embarquée, la sonde MRO rencontre quelques difficultés avec ses instruments.
La moitié des capteurs de la caméra HiRISE (High Resolution Imaging Science Experiment) présentent en effet des niveaux de bruit anormaux mais qui n'ont qu'un impact limité sur la qualité des images.
Le second instrument, le Mars Climate Sounder qui est chargé de scanner l'atmosphère martienne au-dessus de l'horizon, a quant à lui des difficultés de calage de son champ de vision.
Le cout total de la sonde est estimé à 720 millions de dollars.

Image : Image d'artiste de la sonde MRO © Mylène Simoès, Art Director.

Dawn

Le voyage de la sonde Dawn ("aurore" en anglais) va nous éclairer un peu plus sur la naissance de notre système solaire ainsi que sur la formation des planètes.
Après plusieurs reports, la NASA a procédé au lancement de la sonde spatiale DAWN à destination des astéroïdes Vesta et Cérès, les deux plus gros corps célestes connus de la ceinture d'astéroïdes qui se situe entre Mars et Jupiter.
Une fusée Delta 2, équipée de neuf boosters s'est élancée, dans le ciel de Floride, le jeudi 27 septembre 2007 à 11h34 UTC.
Cette ambitieuse mission de la NASA vise à satelliser la sonde Dawn autour de Vesta en 2011 puis de Cérès en 2015. Pour atteindre ces deux astéroïdes, une manœuvre d'assistance gravitationnelle autour de Mars a été nécessaire en 2009.
L'étude de ces deux objets devrait permettre une meilleure compréhension des conditions initiales du Système Solaire peu de temps après sa formation et de mieux comprendre les étapes de la formation des planètes. Dawn qui va parcourir au total 5,1 milliards de km, évoluera 7 mois autour de chaque astéroïde.
Des survols à basse altitude sont prévus, à une altitude de 15 km pour Vesta et de 40 km pour Cérès.
Cérès et Vesta sont des protoplanètes et se sont formés à peu près à la même époque, au moment de la formation des planètes du système solaire, il y a environ 4,5 milliards d'années.

Vesta et Cérès sont très différents. Vesta est un gros rocher de forme irrégulière, sec et rocailleux avec une surface qui semble être formée de lave gelée.
Cérès est presque rond (diamètre de 960 km) et pourrait avoir des pôles glacés. Cérès présente la particularité d'avoir le double statut d'astéroïde et de planète naine depuis 2006 comme Pluton et Eris. La mission est prévue pour durer jusqu'en juillet 2015.
Ce voyage inédit est rendu possible grâce aux moteurs à propulsion ionique. La sonde Dawn est équipée de caméras, d'un spectromètre à infrarouge, et d'un détecteur à neutrons et rayons gamma. L'énergie des panneaux solaires de 19,8 mètres d'envergure va permettre le fonctionnement de ses trois moteurs à propulsion ionique.
"Pour moi, c'est vraiment le premier vrai engin spatial interplanétaire", explique l'ingénieur en chef Marc Rayman.
La mission Dawn coute 357 millions de dollars (252,7 millions d'euros) hors cout de lancement par la fusée Delta.

Image : Image d'artiste de la sonde DAWN © Mylène Simoès, Art Director. La mission de la sonde Dawn ("aurore" en anglais) est prévue pour durer 8 ans et son voyage de 5,1 milliards de kilomètres va nous renseigner sur les premiers instants de la naissance du système solaire, il y a 4,6 milliards d'années.

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

La sonde Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) a été lancée le 30 juin 2001.
Elle est destinée à l'étude de l'anisotropie c'est à dire selon la direction, du fond diffus cosmologique.
WMAP a été baptisée ainsi en hommage à l'astronome américain David Wilkinson, membre de l'équipe en charge du satellite, pionnier de l'étude du fond diffus cosmologique, décédé le 5 septembre 2002.
L'objet de la mission est de cartographier avec la meilleure précision possible les fluctuations de température du rayonnement thermique cosmologique, ainsi que sa polarisation afin de permettre de reconstituer le contenu matériel de l'univers.
Les premiers résultats de la sonde WMAP ont été salués à juste titre comme une grande avancée dans la compréhension de l'univers car WMAP a réalisé la première carte complète du fond diffus cosmologique depuis celle du satellite COBE en 1992, et ce avec une résolution considérablement meilleure.
Le cosmos est âgé de 13,8 milliards d'années.
Les premières générations d'étoiles ont commencé à s'y allumer 200 millions d'années après le Big Bang.
L'image a été publiée le 11 février 2003.

Cette image représente une cartographie de l'Univers connu dans l'état où il se trouvait à sa création, à l'âge de 380 000 ans alors qu'il devenait transparent.
Ce murmure radio capturé dans le rayonnement à 3K ou -270°C nous montre les fluctuations résiduelles de notre univers et en filigrane, les grumeaux de matière qui ont donné naissance aux galaxies.
L'observatoire spatial Planck, lancé en mai 2009 prend la suite pour expliquer l'histoire de l'Univers. Son objectif est aussi d'observer le fond diffus cosmologique, le rayonnement émis 380 000 ans après la naissance de l'Univers, qui explique que la température actuelle de l'Univers est de 2,7 K.
« En observant ce signal, nous pouvons remonter le temps et voir l'Univers tel qu'il était il y a des milliards d'années en arrière », explique Dominique Yvon, astrophysicien au CEA.
L'âge de l'Univers a été précisé grâce aux observations de la sonde WMAP. Les paramètres cosmologiques indiquent une valeur probable pour l'âge de l'univers d'environ 13,8 milliards d'années avec une incertitude de 0,2 milliard d'années.

Image : Les analyses de l'image WMAP de tout le ciel indiquent que l'Univers est vieux de 13,8 milliards d'années (avec une précision de 1 %). Il est composé de 73 % d'énergie sombre, 23 % de matière sombre froide, et seulement 4 % d'atomes. Il est actuellement en expansion avec un taux de 71 km/s/Mpc (avec une précision de 5 %), il est passé par des épisodes d'expansion rapide appelés inflation et grandira pour toujours. Crédit: Équipe scientifique WMAP, NASA

Les deux sondes GRAIL

Depuis toujours, La Lune a été un centre d'intérêt majeur pour l'homme. Les scientifiques s'intéressent à nouveau à la Lune afin d'y établir une base permanente. Bien que ce soit l'astre le mieux connu de notre système solaire après la Terre, il s'agit là, avec la mission GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory) de mesurer le champ de gravité de la Lune, déjà mesuré mais avec beaucoup d'imperfections.
Le projet GRAIL, de 375 millions de dollars a été lancé en 1997. En 2012, les deux sondes GRAIL (GRAIL-A et GRAIL-B) de la Nasa, lancées en septembre 2011, se sont mises sur la même orbite lunaire, à quelques heures d’intervalle, après 4 mois de voyage.
Les deux satellites tournent autour de la Lune à une altitude assez basse, environ 55 km, afin de mieux sonder les couches intérieures de la Lune.
Les deux sondes sont proches l'une de l'autre, entre 175 km et 225 km, cette distance est mesurée très finement, avec une précision de l’ordre du micromètre. Les deux sondes envoient un signal radio permanent sur Terre pour donner leurs positions respectives.

C'est grâce à la variation de la distance qui les sépare, que les scientifiques recueillent les légères variations locales, dues à la gravité de la Lune. La Lune n'étant pas une sphère parfaitement homogène, la distance qui sépare les deux sondes, sera perturbée, par les faibles variations de la gravité dues à la densité du sous-sol et à la répartition des masses lunaires.
Les différentes couches minérales de la Lune y compris le noyau, pourront être analysées à l'aide de cette cartographie de la structure géologique.
Connaitre parfaitement la structure de la Lune et en particulier son noyau, permettra de valider l'hypothèse de sa formation, la mieux acceptée par les scientifiques, celle d'un impact géant. Son origine serait due à une collision gigantesque avec la Terre, d'une planète de la taille de Mars, que l'on nomme Théia.

Image : Les deux sondes GRAIL (GRAIL-A et GRAIL-B) de la Nasa, lancées en septembre 2011, après 4 mois de voyage, se sont mises sur la même orbite lunaire, à quelques heures d’intervalle.

Image : image NASA, les deux sondes GRAIL (GRAIL-A et GRAIL-B).

Le satellite GAIA

GAIA est un projet de l’Agence spatiale européenne (ESA), le satellite a été lancé le 19 décembre 2013 depuis la Guyane française par une fusée Soyouz. Cette mission de mesures d’astronomie, a pour objectif de cartographier en 3D notre Voie Lactée, c'est-à-dire plus d’un milliard d’étoiles avec une précision allant jusqu’à 7 microsecondes d’arc ou 7/3600e de degré pour les étoiles les plus brillantes (magnitude 12 et moins) à 300 microsecondes d’arc pour les étoiles les plus faibles (magnitude 20). Cela permettra aux scientifiques de mieux comprendre les mécanismes de formation des galaxies, le fonctionnement interne des étoiles, l’influence de la matière noire et la courbure des rayons lumineux due aux effets gravitationnels.
La sonde de 2 tonnes, possède 3 détecteurs installés sur le même télescope, qui pourront faire environ 75 mesures d’astrométrie, de photométrie et de spectroscopie sur chaque objet observé. Elle relèvera la position, la vitesse, la brillance et la distance par rapport à la Terre de chacune des étoiles pointées par son télescope.
GAIA est l'arpenteur de la Galaxie, la sonde enverra pendant 5 ans, plus d'un petaoctet de données (1000 To) qui seront traitées par le CNES et 30 laboratoires internationaux.

Grâce au recensement de toutes ces étoiles, les astronomes pourront identifier différentes générations de populations stellaires, et reconstituer leur trajet dans l’espace et le temps. Le but est produire l’image la plus détaillée possible de la structure de notre Galaxie et de prévoir son évolution. Les relevés d'une précision inégalée vont alimenter les scientifiques pendant des décennies. GAIA est capable de mesurer l’épaisseur d’un cheveu situé à 1 000 km de distance. Pour mesurer la distance des étoiles GAIA utilise la méthode de la parallaxe stellaire. Cette méthode géométrique ancienne consiste à viser l’étoile deux fois, à six mois d’intervalle. Autrement dit les astronomes mesurent l'angle de parallaxe en mesurant la position d'une étoile depuis une position de la Terre sur son orbite et mesurent à nouveau, 6 mois plus tard, lorsque la Terre est de l'autre côté du Soleil, alors qu'elle a parcouru 300 millions de km. Plus l'étoile est proche, plus l'angle de parallaxe est grand. Cet angle nous donne directement la distance de l'étoile. En connaissant la distance d’une étoile, on peut déterminer ses principales caractéristiques, sa luminosité réelle, son âge, sa masse, sa température, et bien plus encore.

Image : Dans la Grèce antique, au IIe siècle avant notre ère, Hipparque de Nicée (-190 à -120 av. J.C.) mesura minutieusement à l’œil nu la position de plus d’un millier d’étoiles. Après le satellite Hipparcos (HIgh Precision PARallax COllecting Satellite), le satellite de mesure de parallaxe à haute précision, c'est au tour de GAIA, le géomètre-topographe, d'arpenter la Galaxie.