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CASSINI-HUYGENS

La mission Cassini-Huygens est une mission spatiale automatique réalisée en collaboration par le Jet Propulsion Laboratory (JPL) (pour la NASA), l'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Agence spatiale italienne (ASI).

Son objectif est l'étude de la planète Saturne et de certains de ses satellites, dont Titan.

capture120-1.jpgLa sonde Cassini-Huygens dans l'orbite de Saturne

La sonde spatiale Cassini-Huygens, composée de la sonde Cassini et du module Huygens, s'est placée en orbite autour de Saturne en 2004. Huygens a atterri sur Titan en 2005.

Le nom de la mission fait référence à Giovanni Domenico Cassini, astronome italien du XVIIe siècle qui a découvert plusieurs anneaux de Saturne, et à Christian Huygens, astronome néerlandais du même siècle, qui a découvert Titan.

Présentation

capture121-1.jpgCassini-Huygens en orbite autour de Saturne

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 initiale de la mission était de 11 ans, du lancement le 15 octobre 1997 jusqu'au 30 juin 2008. Elle a été étendue une première fois jusqu'en 2010, puis une seconde fois jusqu'en 2017, dans le but notamment d'étudier les changements saisonniers de l'atmosphère et des lunes de Saturne.

La sonde Cassini-Huygens est composée de l'orbiteur Cassini, équipé au total de 12 instruments, et de l'atterrisseur Huygens, équipé de 6 instruments. Le 1er juillet 2004, la sonde est entrée en orbite autour de Saturne et le 14 janvier 2005, le module Huygens s'est posé sur Titan.

La mission Cassini-Huygens a notamment déjà permis d'avoir les premières images détaillées de Phœbé, d'étudier en détails la structure des anneaux de Saturne, d'étudier Titan de manière approfondie et de découvrir une trentaine de nouvelles lunes de Saturne dont les tailles varient de 2,5 à 7 km, portant le nombre total de satellites saturniens à 60 (nombre connu au 15 juillet 2007). La sonde permit également de découvrir quelques nouveaux anneaux de Saturne et même autour de certains de ses satellites.

Objectifs

Les objectifs principaux de la mission sont :

  • déterminer la structure en 3D des anneaux de Saturne et la dynamique de leur comportement ;
  • déterminer la composition de la surface des satellites et leur histoire géologique ;
  • déterminer la nature et l'origine de la matière sombre présente sur Japet ;
  • mesurer la structure en 3D et le comportement de la magnétosphère de Saturne ;
  • étudier la dynamique du comportement de l'atmosphère de Saturne au niveau de ses nuages ;
  • étudier le comportement météorologique de Titan ;
  • étudier la surface de Titan.

Origine du projet

L'origine du projet remonte à 1982, quand des scientifiques de la Fondation européenne de la science et de la National Academy of Sciences (États-Unis) eurent l'idée d'envoyer vers Saturne une mission comportant à la fois un orbiteur et un atterrisseur. En 1983, le projet fut soutenu par la NASA qui faisait les mêmes recommandations. De 1984 à 1985, la NASA et l'ESA menèrent des études conjointes sur le projet. L'ESA continuait seule les études sur le projet en 1986, alors qu'en 1987, l'astronaute Sally Ride défendait l'idée dans un rapport.

En 1988, Len Fisk, un administrateur de la NASA se ralliait à l'idée d'une mission commune entre la NASA et l'ESA. Il écrivit à son homologue de l'ESA, Roger Bonnet, en lui recommandant fortement de choisir la mission Cassini parmi les trois choix qui s'offraient à lui, en disant que la NASA s'engagerait dans le projet dès que l'ESA le ferait.

À cette époque, la NASA devenait sensible au sentiment grandissant au sein de l'ESA que la NASA ne considérait pas les Européens comme des égaux. Les officiels de la NASA et leurs conseillers décidèrent de s'impliquer dans la mission Cassini-Huygens pour corriger ce sentiment, prêts à partager les bénéfices scientifiques et technologiques de la mission. Cette initiative fut en partie influencée par la coopération de plus en plus étroite que les Européens entretenaient avec l'Union soviétique en matière spatiale, plus étroite que celle qu'ils entretenaient avec la NASA.

Ces considérations permirent non seulement d'améliorer la collaboration entre l'ESA et la NASA, mais aussi de défendre le projet auprès du Congrès américain et, à partir de 1994, il était sur les rails.

La sonde

Pesant 5 712 kg au lancement, soit le double de la sonde Galile qui tourna autour de Jupiter (1995-2003), elle est composée de deux modules :

  • Cassini elle-même, destinée à l'exploration du système planétaire de Saturne ;
  • Huygens, un module destiné à pénétrer dans l'atmosphère de Titan, le plus gros satellite de Saturne, et à s'y poser en parachute.

Module Cassini

La sonde Cassini a été réalisée par le JPL en collaboration avec l'ESA (pour le module de relais de Huygens : le PSE ou Probe Support Equipment) et l'ASI (pour l'antenne de communication à haut gain). La sonde a été nommée d'après l'astronome Giovanni Domenico Cassini, qui a étudié les anneaux de Saturne en détail et découvert certaines des principales lunes de la planète géante (Japet, Rhéa, Téthys et Dioné).

La sonde pénétrant dans le système saturnien en juin 2004, y commence son programme de 4 années par la visite de Phœbé le 11 juin 2004, soit 3 semaines avant sa satellisation autour de Saturne. Phœbé est la lune la plus distante de Saturne connue. L'insertion dans l'orbite saturnienne a eu lieu le 1er juillet 2004 par un ensemble de manœuvres l'amenant à traverser les anneaux de Saturne (entre les anneaux F et G) et à s'approcher à environ 18 000 km de Saturne (soit 0,3 fois le rayon de Saturne), ce qui ne se reproduira plus durant l'ensemble de la mission vu le risque couru. En effet, elle devait découvrir par la suite que le vide supposé entre ces deux anneaux est truffé de petit anneaux (annelets) diffus de particules fines.

La mission programmée sur exactement 4 ans (2004-2008) comprend 74 orbites autour de la planète géante, incluant 44 survols de Titan, ainsi que de nombreux survols des autres lunes de Saturne.

Module Huygens

capture122-1.jpg Cette photo permet d'avoir une idée de sa taille

Cassini sert également au transport de Huygens, un module d'exploration de 318 kilogrammes destiné à pénétrer dans l'atmosphère de Titan, la plus grosse lune de Saturne et, après Ganymède, la deuxième plus grosse lune du système solaire, dont la composition comprend des hydrocarbures et autres molécules à l'origine de la vie. Le module, réalisé par l'ESA, a été baptisé d'après l'astronome Christian Huygens, qui a découvert le satellite en 1655.

capture123-1.jpgIsolant thermique multicouche de Huygens

Huygens est libéré par Cassini le 25 décembre 2004 pour un voyage de vingt-deux jours vers Titan. La sonde s'est posée, comme prévu, le 14 janvier 2005 à la surface de Titan et a transmis les premières photos. Ces premières photos révèlent une géologie active, comme sur Io faisant de Titan un satellite exceptionnel dans le système solaire. Les six instruments à bord de Huygens permettent de connaître les détails de la composition chimique de l'atmosphère, puis de la surface elle-même.
La sonde a continué d'émettre (à un débit d'environ 8 kbit/s) jusqu'à épuisement de ses batteries, même une fois que Cassini, servant de relais en direction de la Terre, fut hors de portée de réception (on put capter une part de ses émissions ultérieures directement sur Terre). La durée attendue de la mission était de l'ordre de deux heures à deux heures et demie, à partir de l'insertion dans l'atmosphère de Titan. Huygens est le premier objet réalisé par l'homme à se poser en douceur et intact sur un corps céleste du système solaire extérieur (au-delà de la ceinture d'astéroïdes, celle-ci se situant entre les orbites de Mars et de Jupiter).

Huygens est composé de deux modules, l'Entry Assembly (ENA) et le Descent Module (DM). Le premier assure le transport du second depuis la séparation de Cassini jusqu'à Titan, sert de protection thermique lors de l'insertion dans l'atmosphère de Titan, et ralentit la sonde par ses parachutes jusqu'à la libération du Descent Module. Celui-ci contient toute l'instrumentation scientifique ainsi que ses propres parachutes pour la descente et les contrôles d'orientation de la sonde.

L'instrumentation de Huygens située dans le Descent Module comprend les instruments suivants :

  • Huygens Atmospheric Structure Instrument (HASI)
  • Doppler Wind Experiment (DWE)
  • Descent Imager/Spectral Radiometer (DISR)
  • Aerosol Collector and Pyrolyser (ACP)
  • Gas Chromatograph and Mass Spectrometer (GCMS)
  • Surface Science Package (SSP)

Lancement et voyage

capture124-1.jpgLancement de la sonde Cassini-Huygens le 15 octobre 1997 à Cap Canaveral par la fusée Titan-IVB/Centaur.

La sonde est lancée le 15 octobre 1997 à 8 h 43 UTC de Cap Canaveral, aux États-Unis, sur une fusée Titan-IVB/Centaur de l'armée de l'air des États-Unis.

Le voyage vers Saturne utilise à quatre reprises l'assistance gravitationnelle:

  • de Vénus le 27 avril 1998 ;
  • de Vénus le 24 juin 1999 ;
  • de la Terre le 18 août 1999 ;
  • de Jupiter le 30 décembre 2000.

La sonde se met en orbite autour de Saturne, comme prévu, le 1er juillet 2004. À compter de cette date, la durée nominale de la mission de la sonde Cassini est de quatre ans, jusqu'au 30 juin 2008. Au vu des réserves de propergols encore disponibles à bord (pour les changements d'orbite), une prolongation de 2 ans de cette mission est décidée.

Le budget total de la mission est 3,26 milliards de dollars américains, dont :

  • 1,4 milliard pour le développement du projet ;
  • 704 millions pour la mission en elle-même ;
  • 422 millions pour le lancement ;
  • 54 millions pour le suivi de la sonde.

La NASA y ont contribué pour 2,6 milliards, l'ESA pour 500 millions et l'ASI pour 160 millions 250 scientifiques sont mobilisés pour la mission.

La sonde est équipée pour réaliser 27 types d'investigations différentes. Cassini est équipé de 12 instruments et Huygens de 6, les dits instruments ayant souvent des fonctions multiples.

Trajet

La trajectoire de la sonde Cassini-Huygens utilise l'assistance gravitationnelle en passant dans l'orbite de Vénus, de la Terre et de Jupiter afin d'obtenir une vitesse suffisante pour atteindre Saturne. Elle a parcouru 3,5 milliards de kilomètres pour atteindre Saturne.

capture125-1.jpgReprésentation schématique de la trajectoire de la sonde Cassini-Huygens durant son voyage vers Saturne

Les étapes permettant de reconstituer la trajectoire de la sonde :

  • Lancement : Fenêtre de tir du 6 octobre au 15 novembre 1997. Le lancement est repoussé deux fois, la première fois à cause du système de refroidissement et la deuxième à cause du système informatique. Le lancement a finalement lieu le 15 octobre 1997 à 04h43 heure locale (08h43 temps universel).
  • Entrée dans une orbite de transfert vers Vénus. Survol de Vénus le 26 avril 1998 à une vitesse de 11,7 km/s et à une altitude de seulement 300 km.
  • Correction de trajectoire le 3 décembre 1998.
  • Entrée dans une orbite de transfert de Vénus. Survol de Vénus le 24 juin 1999 à une vitesse de 13,6 km/s et à une altitude de 600 km.
  • Entrée dans une orbite de transfert de la Terre. Survol de la Terre le 18 août 1999 à une vitesse de 19,1 km/s et à une altitude de 1 200 km.
  • 1er décembre 1999 : L'antenne à haut gain (HGA) est dirigée vers la Terre.
  • 23 janvier 2000 : approche de l'astéroïde (2685) Masursky à 1,5 million de kilomètres
  • Février 2000 : Correction de trajectoire à cause d'un défaut du système radio de Huygens. Il n'a pas été tenu compte de l'effet Doppler dans la conception de ce système. La nouvelle trajectoire permet de corriger cet effet et les capacités de transmission reviennent quasiment à la normale.
  • 18 août 2000 : Approche de Himalia, une lune de Jupiter, à 4,4 millions de kilomètres.
  • 1er octobre 2000 : Début de l'observation de Jupiter, à 84,4 millions de kilomètres
  • 30 décembre 2000 : Survol de Jupiter à 9,7 millions de kilomètres, à une vitesse de 11,6 km/s, ce qui raccourcit le voyage vers Saturne de 2 ans.
  • 22 mars 2001 : Fin de l'observation de Jupiter à 84 millions de kilomètres.
  • 6 février 2004 : Début de l'observation de Saturne.
  • 11 juin 2004 : Survol de Phœbé,.
  • 1er juillet 2004 : Capture par l'attraction de Saturne et première traversée de l'anneau de la planète.

Atterrissage de Huygens

Les temps donnés correspondent aux temps dits « earth received », c'est-à-dire 67 minutes après que les événements réels se sont déroulés (le temps qu'il faut à un signal pour parcourir la distance séparant le système saturnien de la Terre). Les temps sont donnés en heures CET (heure de Paris).

  • Le 14 janvier 2005 à 11 h 13 CET : Huygens entre dans l'atmosphère rouge orangé de Titan, à 1 270 kilomètres d'altitude au-dessus de sa surface.
  • 11 h 17 CET : le parachute pilote (2,6 mètres de diamètre) est déployé, alors que la sonde, qui n'est plus qu'à 180 kilomètres de la surface, fonce à 400 m/s (soit 1 440 km/h).

Une des fonctions de ce parachute est d'enlever la protection thermique arrière de la sonde. En 2,5 secondes, cette protection est enlevée et le parachute pilote est largué. Le parachute principal (8,3 mètres de diamètre) est alors déployé.

  • 11 h 18 CET : à environ 160 km de la surface, le bouclier thermique avant est largué. Il est important d'éliminer ces deux boucliers car ils pourraient être une source potentielle d'exo contamination à la surface de Titan.

Les orifices d'entrée des instruments GCMS et ACP sont ouverts, 42 secondes après le déploiement du parachute pilote. Des perches sont déployées pour exposer les HASI alors que le DISR prend son premier panorama. Il continuera à prendre des images et des données spectrales tout au long de la descente. Le SSP est également mis en route, mesurant des propriétés de l'atmosphère. Huygens commence à transmettre des données en direction de Cassini distante de 60 000 kilomètres.

  • 11 h 32 CET : le parachute principal est largué et un autre parachute plus petit (3 mètres de diamètre) prend le relais.

En effet, à ce niveau de l'atmosphère (environ 125 kilomètres d'altitude), le parachute principal ralentirait tellement Huygens que les batteries ne dureraient pas assez longtemps pour pouvoir fournir toute l'énergie nécessaire durant la descente jusqu'au moment de l'atterrissage. Aussi, pour collecter un maximum de données, il convient de ne pas trop ralentir la descente et donc d'utiliser à ce moment un parachute plus petit.

  • 11 h 49 CET : à 60 kilomètres d'altitude, Huygens détermine elle-même son altitude, en utilisant une paire d'altimètres radar. La sonde surveille en permanence sa propre rotation et son altitude.
  • 12 h 57 CET : le Gas Chromatograph Mass Spectrometer- le dernier des instruments à être activé, l’est complètement. La descente a duré 160 minutes au total. Durant cette descente, la sonde tourne sur elle-même, permettant à la caméra et aux autres instruments de visionner un panorama intégral.
  • 13 h 30 CET : à proximité de la surface, Huygens allume une lampe qui aidera à déterminer précisément la composition de la surface de Titan.
  • 13 h 34 CET : Huygens touche une surface souple à une vitesse de 5 ou 6 m/s (une vingtaine de km/h).

La nature du terrain est inconnue mais selon toute vraisemblance, ce pourrait être de la glace. Le Surface Science Package recueille les informations durant les minutes suivant que la sonde ne se pose.

  • 15 h 44 CET : Cassini, à 60 000 kilomètres de là, continue de collecter les données que lui envoie Huygens pendant 10 minutes encore ; bien que Huygens ait disparu derrière l'horizon de Titan.
  • 16 h 14 CET : Cassini transmet ses premières données à la Terre.

 

Résultats scientifiques

Vérification de la théorie de la relativité générale

capture126-1.jpg Effets de la théorie de la relativité

Le 10 octobre 2003, l'astrophysicien italien Bruno Bertotti de l'université de Pavie et ses collègues Luciano Iess de l'université de Rome « La Sapienza » et Paolo Tortora de l'université de Bologne ont présenté les résultats du test de la théorie de la relativité d'Einstein que la sonde Cassini avait effectué l'année précédente. Durant l'été 2002, la Terre, le Soleil et la sonde Cassini-Huygens ont été exactement alignés, le Soleil se trouvant entre la Terre et la sonde. Lors des communications avec la sonde et grâce à l'antenne de quatre mètres de diamètre de celle-ci ainsi qu'à la nouvelle station au sol du NASA Deep Space Network à Goldstone en Californie, l'équipe d'astrophysiciens italiens a pu observer un glissement de fréquence dans les ondes radio reçues par et émises depuis Cassini-Huygens, lorsque celles-ci voyageaient à proximité du Soleil. D'après la théorie de la relativité générale, un objet massif tel que le Soleil est censé courber l'espace-temps autour de lui. Ainsi, un rayon lumineux ou une onde radio qui passe à proximité de l'étoile doit parcourir une distance plus grande à cause de cette courbure. Ce surplus de distance qu'ont dû parcourir les ondes émises par la sonde pour atteindre la Terre a retardé leur réception et ce retard a pu être mesuré et quantifié et a permis de vérifier la théorie avec une précision cinquante fois supérieure à celle des expériences précédentes effectuées avec les sondes Viking.

Bien que des déviations par rapport à la relativité générale soient prévues par certains modèles cosmologiques, aucune n'a été observée dans cette expérience. Les mesures effectuées se sont trouvées en accord avec la théorie avec une précision de l'ordre de 1 sur 50 000

Jupiter

capture03-2-2.jpgImage de Jupiter prise le 30 décembre 2000

La sonde Cassini-Huygens a pu observer Jupiter pendant presque 6 mois du 1er octobre 2000 au 22 mars 2001. Elle s'en est approchée à une distance minimale de 9,7 millions de kilomètres le 30 décembre 2000 et a pu effectuer plusieurs mesures. Durant ce survol ont été pris environ 26 000 clichés de la planète parmi lesquels on trouve les plus précis jamais réalisés (voir illustration à gauche). Sur certaines photos, les plus petits détails visibles mesuraient environ 60 km.

Une découverte majeure fut annoncée par la NASA le 6 mars 2003 et concernait la nature de la circulation atmosphérique de Jupiter. Certains clichés représentaient des bandes sombres alternées avec des zones plus claires dans l'atmosphère. Les scientifiques ont longtemps considéré ces zones, avec leurs nuages clairs, comme étant des zones de courants ascendants, partant du fait que sur Terre, les nuages se forment principalement dans des mouvements d'air ascendant. Mais l'analyse des clichés pris par Cassini a donné une autre explication. Des cellules individuelles de tempête, comportant des nuages blancs qui remontent, trop petites pour être observées depuis la Terre, émergent pratiquement partout, y compris dans les zones sombres. D'après Anthony Del Genio du Goddard Institute for Space Studies de la NASA, « We have a clear picture emerging that the belts must be the areas of net-rising atmospheric motion on Jupiter, with the implication that the net motion in the zones has to be sinking » (Nous avons une illustration claire montrant que les ceintures doivent être les zones de mouvement ascensionnel de l'atmosphère de Jupiter, avec l'implication que les zones sont des zones de descente de l'atmosphère).

Les autres observations atmosphériques ont révélé une structure ovale sombre et tourbillonnante dans la haute atmosphère, d'une taille similaire à la grande tache rouge, près du pôle nord de Jupiter. Les clichés infrarouges ont quant à eux révélé certains aspects de la circulation atmosphérique près des pôles. Ils ont révélé une structure en forme de bandes ceinturant la planète, bordées de bandes adjacentes dans lesquelles les vents soufflent dans des directions opposées.

Cette même annonce a permis de remettre en question la nature des anneaux de Jupiter. La dispersion de la lumière par les particules des anneaux a révélé que ces particules avaient des formes très irrégulières et étaient susceptibles d'avoir pour origine de la matière éjectée suite à l'impact de micrométéorites sur les très petits satellites de Jupiter, probablement sur Métis et Adrastée dont le champ de gravitation (la pesanteur) est excessivement faible.

Saturne

  • 30 décembre 2000 : La sonde passe au large de Jupiter et prend des images.
  • 27 mars 2004 : Première image de Saturne.
  • 11 juin 2004 : Survol de Phœbé à 2 071 km de sa surface et première image de ce satellite qui orbite à 13 millions de km de Saturne dans le sens rétrograde (sens des aiguilles d'une montre).
  • 1er juillet 2004 (le 30 juin pour les États-Unis): Premier passage à travers les anneaux de Saturne. En freinant à l'aide de ses rétro-fusées, la sonde devient captive de l'orbite de la planète. Elle est le premier objet humain en orbite autour de cette planète. Son insertion orbitale a lieu lors de son périapse (au point de passage le plus proche de Saturne), à 72 000 km de sa surface. Par la suite, la sonde, commandée depuis la Terre, ne cessera de modifier son orbite pour s'approcher des principaux satellites saturniens. Par ailleurs, elle fera remonter peu à peu son périapse au-delà de 200 000 km pour orbiter plus lentement afin de s'assurer des survols optimalement lents de ses cibles.
  • 26 octobre 2004 : Premier passage près de Titan et premières images, Titan demeurant la cible n°1. Depuis lors, sont prévus 44 survols rapprochés de Titan (dont 80 % déjà réalisés au 10 septembre 2007). Parmi ceux-ci: 41 à moins de 4 000 km dont 26 à moins de 1 100 km.
  • 25 décembre 2004 : Lancement de Huygens à partir de Cassini vers Titan.
  • 31 décembre 2004 : Premier survol de Japet à 123 000 km de son hémisphère éclairé.
  • 14 janvier 2005 : Atterrissage de Huygens en parachute sur Titan après une longue traversée de son atmosphère: premiers clichés de son sol.
  • 15 janvier 2005 : Nouveau passage près de Titan. Cassini passera au total 6 fois près de Titan en 2005.
  • 17 février 2005 : Premier passage près d'Encelade. Cassini survolera au total 4 fois Encelade en 2005 entre 1 264 et 172 km. Les clichés pris révèlent dans l'hémisphère sud l'existence de grands geysers d'eau (liquide ou vaporisée) qui se transforment en glace dans l'espace et dont les particules ainsi libérées alimentent l'anneau E, diffus, de Saturne.
  • 23 septembre 2005 : Survol de Téthys à 1 500 km.
  • 25 septembre 2005 : Survol d'Hypérion à 514 km. C'est le seul survol d'Hypérion prévu pour la durée normale de la mission mais ce survol à très basse altitude a permis néanmoins de révéler de façon très détaillée la structure étonnante de sa surface.
  • 11 octobre 2005 : Survols de Dioné à 500 km et, le même jour, du satellite Télesto à 10 000 km.
  • 28 octobre 2005 : Survol de Titan à moins de 1 350 km.
  • 26 novembre 2005 : Survol de Rhéa à 500 km.
  • 21 juillet 2006 : Survol de Titan à l'altitude minimale de 950 km.
  • 30 août 2007 : Second survol de Rhéa, à 5 737 km.
  • 10 septembre 2007 : Second et dernier survol de Japet à moins de 1 650 km.
  • 12 mars 2008 : Survol d'Encelade en rase-mottes à 50 km d'altitude au travers de ses geysers.
  • 30 juin 2008 : Fin théorique du programme Cassini, après 4 ans et 76 révolutions autour de Saturne, la sonde devant alors atteindre la fin de ses réserves de propergols qui lui permettaient jusque là de modifier plusieurs fois par mois son orbite pour survoler ses diverses cibles satellitaires. En fait, le 15 avril 2008, au vu des réserves encore existantes, il a été décidé une prolongation de 2 ans de la mission prenant cours le 1er juillet 2008, l'extension de la mission étant rebaptisée la Cassini Equinox Mission car devant couvrir l'équinoxe de Saturne du 11 août 2009. Par contre, si la mission avait dû se terminer à la date prévue de la mi-2008, aucune décision n'avait encore été prise pour faire plonger la sonde dans l'atmosphère de Saturne (à l'instar de la sonde Galileo dans celle de Jupiter en 2003), ni pour l'insérer sur une orbite définitive qui lui permettrait de continuer de photographier passivement le système saturnien et de l'analyser au moyen de ses nombreux instruments de mesure qui sont en parfait état de marche pour encore de nombreuses années grâce, notamment, à l'énergie électrique assurée par son générateur thermoélectrique à radioisotope de type GPHS-RTG, au plutonium 238.

Cette première extension de la mission (1er juillet 2008-30 juin 2010) consiste en 60 orbites supplémentaires autour de Saturne, incluant un supplément de 21 survols de Titan, 7 d'Encelade, 6 de Mimas, 8 de Téthys et 1 de Dioné, de Rhéa et d'Hélène.

Une proposition fut soumise à la NASA et approuvée pour une seconde extension de la mission, du 1er juillet 2010 jusqu'en septembre 2017 et prenant dès lors le nom de Cassini Solstice Mission (pour l'événement du solstice d'été de l'hémisphère nord de Saturne). Cette prolongation conduira encore à 155 orbites supplémentaires de Cassini autour de Saturne, incluant un supplément de 54 survols de Titan et 11 d'Encelade. Lorsque le carburant de Cassini sera sur le point d'être totalement épuisé, une dernière poussée du moteur propulsera la sonde dans l'atmosphère de Saturne, afin d'éviter le risque de biocontamination des satellites saturniens. Si tout se passe bien jusque là, Cassini aura étudié le système saturnien durant 13 ans au lieu des 4 années initialement programmées.

Cependant, le 2 novembre 2010, la sonde s'est mise automatiquement en mode de sauvegarde en raison d’une inversion de bit au sein de son ordinateur (un bit de valeur 0 devient 1, ou le contraire, au sein des données informatiques), un mode dans lequel l’engin coupe tout équipement de bord non indispensable lorsqu’il rencontre une anomalie de fonctionnement. Pour les sondes et satellites, ceci se produit parfois en raison des rayonnements cosmiques, capables de perturber les électroniques de bord. Les techniciens du Jet Propulsion Laboratory de la NASA qui «pilotent» la sonde ont déterminé que Cassini serait à nouveau pleinement opérationnelle le 24 novembre

Étude de la période de rotation sidérale de Saturne mesurée en radio

La détermination de la période de rotation sidérale d'une planète est essentielle pour l'étude de tous les phénomènes physiques qui y sont associés puisqu'on se base sur cette période de rotation sidérale pour l'établissement du système de longitude de la planète. Dans le cas des planètes telluriques, il suffit d'observer le sol pour obtenir cette période de rotation. Dans le cas des planètes gazeuses, il n'y a pas de 'sol' et le cœur est enfoui très profondément sous l'atmosphère de la planète. La seule observable qui est liée à la rotation du cœur de ces planètes est leur champ magnétique. On étudie donc les modulations induites par la rotation du champ magnétique de la planète étudiée sur ses émissions radios naturelles pour connaître sa période de rotation sidérale.

Dans le cas de Jupiter, la période de rotation sidérale a été mesurée de cette manière. La période obtenue (9h 55m 29.68s) est ainsi déterminée avec une très grande précision (l'écart entre chaque mesure ne dépasse pas 0,08 s, ce qui fait une précision relative de 0,0001 %). Dans le cas de Saturne, la période de rotation fut d'abord déterminée grâce aux données de la sonde Voyager. La période sidérale de Saturne était donc de 10h 39m et 24s (avec une précision relative de 0,02 %). En 2000, des scientifiques (utilisant les données radio de la sonde Ulysses) ont observés que la période de modulation des émissions radio de Saturne avait changé depuis les mesures de Voyager. Les nouvelles mesures donnent une période 1 % plus longue que celle mesurée par Voyager. Les mesures radios obtenues avec l'instrument Cassini/RPWS/HFR confirme la variation de la période des modulations des émissions radio de Saturne. Des observations effectuées sur les 2 premières années d'orbites autour de Saturne (2004-2005) semblent montrer que la période radio varie lentement (à l'échelle de l'année) de quelques fractions de pour-cents.

Comme la vitesse de rotation sidérale du cœur de Saturne ne peut pas varier, c'est l'interprétation des modulations des émissions radios qu'il faut probablement revoir. Que sait-on sur ces émissions ? Elles sont majoritairement émises sur le côté jour de la magnétosphère de Saturne et elles sont fortement corrélées avec la pression dynamique du vent solaire. Différentes interprétations existent :

  • effet saisonnier : la hauteur du Soleil sur le plan des anneaux change la quantité d'électrons libres sur les lignes de champs magnétiques et donc change les conditions d'émission des ondes radio.
  • effet du cycle solaire : les propriétés du milieu interplanétaire et du vent solaire varient fortement avec l'activité solaire. Il a été montré que les émissions radio aurorales de Saturne sont très fortement corrélées avec les fluctuations des paramètres du vent solaire.
  • effet de battement : fluctuation non aléatoire de la localisation de la région active en radio dans un secteur de temps local. Des simulations numériques ont montré qu'on peut très facilement obtenir des périodes de rotation apparente différentes de la période réelle par effet de battement.
  • système de convection du cœur de Saturne : théorie inspirée par ce qui se passe dans le Soleil, mais peu probable.

Mais aucune n'explique encore vraiment la variabilité observée, ni ne permet d'obtenir la période de rotation sidérale de Saturne.

Le problème de la définition d'un système de longitude à Saturne reste donc entier. Le problème est particulièrement épineux car, si la période de rotation de Saturne est effectivement 1 % plus lente que la période mesurée par Voyager, tout le système atmosphérique de Saturne serait alors en super-rotation (c'est-à-dire qu'il tournerait plus vite que le cœur de la planète) ce qui est difficilement explicable.

Anneaux de Saturne

Collecte d'informations sur les spokes. Les spokes sont des taches observées sur les anneaux de Saturne par la sonde Voyager dans les années 1980. Cassini-Huygens a permis de vérifier la réalité de ce phénomène et d'invalider certaines théories qui ne prévoyaient pas leur réapparition avant 2007.

Occultation radio des anneaux de Saturne

En mai 2005, Cassini a commencé une série d'expériences d'occultation, conçues pour déterminer la répartition des tailles des particules des anneaux et effectuer des mesures de l'atmosphère de Saturne. La sonde a effectué des orbites spécifiquement étudiées à cet effet.

Dans ce but, la sonde traverse les anneaux et émet des ondes radio en direction de la Terre. Les variations de puissance, de fréquence et de phase de ces ondes sont alors étudiées afin de déterminer la structure des anneaux.

Lunes de Saturne (excluant Titan)

Phœbé

La sonde a survolé Phœbé le 11 juin 2004. C'est la seule fois qu'elle la survolera, à cause de la distance entre Phœbé et Saturne. C'était le premier survol de cette lune depuis la mission Voyager 2 en 1981.

Les premières images ont été reçues le 12 juin 2004. Les scientifiques remarquèrent que la surface de Phœbé était bien différente de celle des astéroïdes que la sonde avait approchés. Certaines parties de la surface étaient très brillantes, ce qui laisse penser qu'une grande quantité d'eau (sous forme de glace) doit se trouver sur cette surface.

Survols d'Encelade

Durant les deux premiers survols d'Encelade en 2005, une déviation du champ magnétique du satellite a été constatée. Ce type de variation du champ magnétique est caractéristique d'une atmosphère mince mais significative. D'autres mesures semblent montrer que cette atmosphère est essentiellement composée de vapeur d'eau ionisée.

En 2006, des geysers composés de particules très fines de glace (éjectées dans l'espace à plus 200 km de la surface) furent découverts dans la région australe d'Encelade. Pour les étudier, les scientifiques planifièrent un survol de la sonde le 12 mars 2008, à seulement 48 km de la surface, par Cassini. Les premiers résultats révélèrent une température plus élevée que prévue et la présence de composés organiques, voire d'eau liquide. D'autres survols à plus basse altitude ont été programmés en 2008 et au-delà, dans le cadre de la mission étendue de la sonde (après le 30 juin 2008).

Nouvelles lunes de Saturne

La mission Cassini-Huygens a d'ores et déjà permis de trouver une trentaine de nouvelles lunes autour de Saturne, doublant ainsi le nombre de satellites saturniens connus. La dernière lune, découverte à la mi-2007, constituant la 60e de Saturne. En attendant d'être définitivement baptisés, ces satellites portent un numéro d'ordre provisoire durant parfois plus d'un an : « S/2004 S 1 », rebaptisée Méthone, « S/2004 S 2 », rebaptisée Pallène et « S/2005 S 1 », rebaptisée Daphnis. Ces immatriculations provisoires signifient : « Saturne/année de la découverte - satellite 1 (2, 3…) ».

Le petit Daphnis (7 à 8 km de diamètre) est, après Pan (26 km), le second « satellite des anneaux » car il orbite à l'intérieur de la division de Keeler (42 km de large) qui parcourt l'anneau A de Saturne, tout près de sa périphérie, au-delà de la Division d'Encke (cette dernière du même anneau et de 325 km de large) qui, quant à elle, contient le satellite Pan. Ces deux satellites, par leur passage, maintiennent ouvertes leurs divisions respectives mais leur champ de gravité génère des vagues à l'intérieur de l'anneau A sur plusieurs centaines de km de profondeur, comme le montrent les clichés pris par Cassini.

Environnement sur Titan

Après un voyage de près de sept ans et 3,5 milliards de km parcourus dans le système solaire sur le dos de Cassini, Huygens s'est donc posée sur Titan, grâce à ses boucliers thermiques et au déploiement correct de ses deux parachutes, le 14 janvier 2005 renvoyant sur Terre, distante d'un milliard deux cent millions de kilomètres, des informations et des images (renvoyées par le Descent Imager/Spectral Radiometer) d'une qualité jusqu'alors inégalée.

Le module scientifique de surface (SSP) révèle qu’à cet endroit, sous une croûte dure et mince, le sol a la consistance du sable. Les paysages de Titan présentent des similitudes avec ceux de la Terre, a expliqué Martin G. Tomasko, en charge du DISR, l’instrument qui a pris les images. Brouillards, traces de précipitations, érosions, abrasion mécanique, réseaux de chenaux de drainage, systèmes fluviaux, lacs asséchés, paysages côtiers et chapelets d’îles : «les processus physiques qui ont façonné Titan sont très proches de ceux qui ont modelé la Terre. Les matériaux, en revanche, sont plus «exotiques», Martin Tomasko de l'ESA. Puisque l'eau (H2O) y est remplacée par du méthane (CH4), qui peut exister sous forme liquide ou gazeuse à la surface de Titan. Quand il y pleut, ce sont des précipitations de méthane mêlées de traces d'hydrocarbures, qui déposent sur le sol des substances provenant de l’atmosphère. Des pluies seraient d’ailleurs tombées «dans un passé peu éloigné» précise encore Martin Tomasko, le 21 janvier 2005.

D'après ces informations, Titan possède donc bien une atmosphère uniforme faite de différents gaz (méthane, azote,...) et, au sol, une activité cryovolcanique, des rivières et de l'eau en abondance. Sur son sol gelé à -180 °C (mesuré sur place), se trouvent d'innombrables galets de glace parfois aussi volumineux que des automobiles.

Analyses

L'atterrissage lui-même pose quelques questions. La sonde devait sortir de la brume à une altitude comprise entre 50 et 70 km. En fait, Huygens a commencé à émerger des nuages à 30 kilomètres seulement au-dessus de la surface. Cela pourrait signifier un changement dans le sens des vents à cette altitude.

Les sons enregistrés lorsque la sonde s'est posée laissent penser qu'elle s'est posée sur une surface plus ou moins boueuse, au moins très souple. « Il n'y a eu aucun problème à l'impact. L'atterrissage fut beaucoup plus doux que prévu. »

« Des particules de matière se sont accumulées sur l'objectif de l'appareil photo à haute résolution du DISR qui pointait vers le bas, ce qui suggère que :

  • soit la sonde ait pu s'enfoncer dans la surface.
  • soit la sonde a vaporisé des hydrocarbures à la surface et ils se sont rassemblés sur l'objectif. »

« Le dernier parachute de la sonde n'apparaît pas sur les clichés après l'atterrissage, aussi la sonde n'est probablement pas orientée à l'est, où nous aurions vu le parachute. »

Quand la mission a été conçue, il a été décidé qu'une lampe d'atterrissage de 20 watts devrait s'allumer 700 mètres au-dessus de la surface et illuminer le site au moins 15 minutes après l'atterrissage. « En fait, non seulement la lampe d'atterrissage s'est allumée à exactement 700 mètres, mais elle a continué à fonctionner plus d'une heure après, tandis que Cassini disparaissait au-delà de l'horizon de Titan pour continuer sa mission autour de Saturne » a encore indiqué Tomasko.

Le spectromètre de masse embarqué à bord de Huygens et qui sert à analyser les molécules de l'atmosphère a détecté la présence d'un épais nuage de méthane, haut de 18 000 à 20 000 mètres au-dessus de la surface.

D’autres indications transmises par le DISR, fixé à l'avant pour déterminer si Huygens s'était enfoncé profondément dans le sol, a révélé ce qui semble être du sable mouillé ou de la terre glaise. John Zarnecki, responsable du « Gas Chromatograph and Mass Spectrometer (GCMS) » qui analyse la surface de Titan, a déclaré : « Nous sommes surpris mais nous pouvons penser qu'il s'agit d'un matériau recouvert d'une fine pellicule, sous laquelle se trouve une couche d'une consistance relativement uniforme comme du sable ou de la boue ».

On doit à cette mission la découverte de l'Ontario Lacus, un lac d'éthane liquide qui est le premier et actuellement seul endroit dans le système solaire où l'on a détecté du liquide en surface hors de la Terre.

Controverse sur la source d'énergie

Comme la sonde évolue très loin du Soleil, il n'était pas envisageable d'utiliser des panneaux solaires pour fournir l'énergie nécessaire à la sonde. C'est pourquoi elle embarque trois GPHS-RTG (un modèle de générateur thermoélectrique à radioisotope) qui produisent de l'électricité directement à partir de la chaleur produite par la désintégration naturelle du plutonium 238. Ce générateur a une durée de vie qui dépasse de beaucoup les 11 ans de la mission.

La sonde Cassini-Huygens embarque 32,8 kg de plutonium (essentiellement du 238Pu, très radioactif), ce qui a provoqué une controverse avec des écologistes, des physiciens et d'anciens membres de la NASA. Concernant les risques de contamination, les estimations officielles étaient les suivantes : la probabilité d'une fuite de plutonium durant les trois premières minutes et demi était de 1 sur 1 400, d'une fuite durant la montée de la fusée de 1 sur 476, de contamination terrestre ultérieure inférieure à 1 sur un million, avec un risque de 120 morts sur 50 ans si une telle chose arrivait. De nombreux observateurs donnaient d'autres estimations. Par exemple, le physicien Michio Kaku prévoyait 200 000 morts si le plutonium contaminait une zone urbanisée, à cause de la dispersion atmosphérique, même si la trajectoire de lancement avait été prévue de manière à rester loin des grandes métropoles et si le RTG est conçu de manière à diminuer les risques de dispersion du plutonium en cas d'annulation de la mission (explosion).

De même, un risque supplémentaire provenait d'un second passage dans l'orbite terrestre le 18 août 1999.

La NASA a publié des informations se voulant exhaustives et rassurantes quant aux risques liés au générateur RTG.

Récompenses

Le prix Marcel-Dassault de l'Académie des Sciences (France) a été décerné en avril 2007 à trois scientifiques dont les contributions ont été jugés inestimables à la réussite de la mission Cassini-Huygens. Il s'agit de :

  • Jean-Pierre Lebreton, de l'Agence Spatiale Européenne, chef de mission de la partie européenne de la sonde et particulièrement responsable de l'atterrisseur Huygens qui réussit l'exploit de se poser à la surface de Titan, le 14 janvier 2005.
  • Daniel Gautier, directeur de recherche émérite au CNRS, à l'Observatoire de Paris.
  • Tobias Owen, professeur à l'Université d'Hawaii, initiateur avec Daniel Gautier de l'idée d'explorer Titan. Ils espéraient trouver sur ce satellite une atmosphère comparable à celle qui existait sur la Terre avant l'apparition de la vie.

 

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