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sonde spatiale

Sondes spatiales
Sondes spatiales

Engin lancé dans l'espace interplanétaire, et destiné à l'étudier.

ASTRONAUTIQUE

Les premières sondes spatiales ont été lancées en 1959, vers la Lune, par l'ex-U.R.S.S., à qui l'on doit aussi le lancement en 1961, vers Vénus, de la première sonde planétaire.

Depuis lors, plusieurs dizaines de sondes ont été lancées, presque exclusivement par les États-Unis et l'ex-U.R.S.S., puis par l'Europe, la plupart pour l'étude de la Lune ou des planètes et de leurs satellites naturels, les autres pour l'étude du Soleil et du milieu interplanétaire, de comètes ou d'astéroïdes.

Contraintes

Pour parvenir au voisinage des planètes, toute sonde doit parcourir une très grande distance (quelques centaines de millions de kilomètres pour atteindre Mercure, Vénus ou Mars, davantage pour les autres), ce qui exige beaucoup de temps (de 3 à 4 mois pour Vénus, de 5 à 8 mois pour Mars, de 18 à 20 mois au minimum pour Jupiter…). D'où la nécessité de résoudre deux problèmes essentiels.

D'abord, celui de la fiabilité du matériel : pour ce type de mission, il est indispensable de disposer de composants électroniques et d'instruments de mesure capables de fonctionner longtemps malgré les particularités de l'environnement spatial (vide poussé, grands écarts thermiques, etc.).

Ensuite, le problème des transmissions : tout au long de son voyage, la sonde doit rester en contact avec la Terre (pour recevoir des ordres ou pour communiquer le résultat de ses mesures ou encore pour transmettre les photographies qu'elle a prises). Elle doit donc être dotée d'une puissante antenne d'émission, d'un dispositif de stabilisation pour la maintenir pointée vers la Terre, et y associer une source d'énergie adaptée.

Autre conséquence des grandes distances mises en jeu : la nécessité, pour la sonde, d'assurer elle-même certaines manœuvres de manière autonome, du fait de la longueur des délais de communication avec la Terre.

Ultime contrainte, pour une sonde d'exploration planétaire (ou cométaire) : la nécessité de procéder au lancement à l'intérieur d'une période favorable imposée par la mécanique céleste (→ lanceur spatial) ; cette fenêtre de lancement se réduit à quelques jours et ne se reproduit qu'à des intervalles de plusieurs mois.

Instruments

Les instruments scientifiques qu'emporte une sonde planétaire pour remplir sa mission comprennent généralement : une ou plusieurs caméras, pour la transmission de photographies ; des spectromètres et des photomètres pour l'analyse des constituants atmosphériques ; divers détecteurs pour la mise en évidence d'une magnétosphère, de ceintures de rayonnement, d'émissions radioélectriques.

À cet appareillage s'ajoutent des instruments destinés à l'étude du milieu interplanétaire : des magnétomètres, pour la mesure des champs magnétiques, et différents capteurs ou détecteurs pour l'étude des particules chargées, des rayonnements, des micrométéorites, du vent solaire, etc.

Missions

Certaines sondes n'effectuent qu'un simple survol de l'astre visé. Plusieurs planètes peuvent être survolées successivement grâce à la technique d'assistance gravitationnelle, qui consiste à utiliser l'attraction gravitationnelle exercée par l'astre survolé pour modifier la trajectoire de la sonde et lui fournir un complément de vitesse sans consommation d'énergie.

D'autres sondes se mettent en orbite autour de l'astre qu'elles doivent étudier : elles peuvent alors répéter les mêmes mesures un grand nombre de fois, ce qui permet d'obtenir une image globale, dans le temps et l'espace, de l'astre et de son environnement. Cette satellisation permet aussi de suivre l'évolution temporelle de certains phénomènes (météorologiques, volcaniques ou autres), d'effectuer des mesures d'altimétrie radar ou de gravimétrie et de mettre en œuvre des techniques d'analyse in situ (capsules de descente dans l'atmosphère, atterrisseurs, pénétrateurs).

Un troisième type de sondes est conçu pour se poser à la surface de l'astre à étudier. Les expérimentations déjà mentionnées peuvent alors être complétées par des mesures portant sur l'atmosphère et le sol. Au stade le plus élaboré, l'exploration in situ peut comporter le prélèvement et le retour sur la Terre d'échantillons de la matière constitutive de l'astre, en vue de leur analyse en laboratoire.

Historique

En permettant d'accroître nos connaissances sur les planètes, les sondes spatiales ont permis de mieux comprendre l'histoire de la Terre, sa formation et son origine. D'ailleurs, de manière symbolique, Voyager 1, avant de quitter le Système solaire, s'est retourné une dernière fois pour un ultime cliché : au centre de la photomosaïque, une étoile, le Soleil ; perdues dans l'espace, de minuscules têtes d'épingle, nos planètes.

Les débuts de l'exploration du Système solaire et de l'Univers

L'exploration des objets du Système solaire a commencé quelques années avant le lancement des premiers satellites.

La Lune, le premier objet d'étude

L'intérêt des ingénieurs soviétiques et américains se porta d'abord vers la Lune. Les premiers lancements soviétiques, en 1958, échouèrent et ne furent jamais annoncés. Plusieurs essais américains furent également vains, bien que deux d'entre eux (Pioneer 1 et 3) aient franchi près de 100 000 km dans l'espace avant de retomber sur la Terre.

La première sonde qui s'arracha à la gravité terrestre fut la sonde soviétique Luna 1, lancée le 2 janvier 1959 ; elle dépassa la Lune et poursuivit sa route dans l'espace. La sonde américaine Pioneer 4, lancée deux mois plus tard, suivit le même trajet. La conquête du système solaire commença véritablement avec l'impact, en septembre 1959, de Luna 2 sur le sol lunaire ; un mois plus tard, Luna 3 photographiait la face cachée de la Lune.

Au milieu des années 1960, trois projets de la NASA avaient pour objectif la Lune. Les sondes Ranger s'écrasèrent sur la surface lunaire mais réussirent, avant l'impact, l'envoi de photographies haute résolution. Les sondes Surveyor se posèrent en douceur et analysèrent la surface, tandis que les sondes Lunar Orbiter, en orbite autour de l'astre, envoyaient des images des sites potentiels d'atterrissage et de régions d'intérêt scientifique général.

Les efforts soviétiques furent similaires et conduisirent à des succès limités peu de temps avant leurs équivalents américains (Luna 9 réussit le premier alunissage en 1966, et Luna 10 fut la première sonde placée sur orbite lunaire, quelques mois plus tard). Les Soviétiques ont mis en service ultérieurement une série de sondes automatiques qui ont rapporté de petits échantillons de sol lunaire, déployé des véhicules automatiques sur roues, les Lunakhod, et réalisé des observations orbitales de la Lune.

Mise en orbite le 11 janvier 1998, la sonde américaine Lunar Prospector emportait à son bord un spectromètre gamma capable de détecter à plusieurs mètres de profondeur des métaux et minerais comme le fer, l'uranium, le silicium, le titane, tandis qu'un spectromètre alpha repérerait les gaz comme l'azote et le radon. L'analyse de ses relevés doit permettre de dresser un atlas géochimique du sol de la Lune, et de confirmer éventuellement qu'il est le siège d'une activité tectonique. Un des premiers résultats des analyses transmises par Lunar Prospector a semblé confirmer la présence de quantités importantes d'eau (sous forme de glace) au fond des cratères polaires.

Toutefois, l'observation de l'impact provoqué du satellite américain Lunar Prospector dans un cratère polaire (31 juillet 1999) n'a pas permis de confirmer ces premières mesures en mettant en évidence une quelconque présence d'eau dans le sol lunaire. L'analyse des données recueillies simultanément par le téléscope spatial Hubble, par le satellite SWAS (Submillimeter Wave Astronomy Satellite), par l'observatoire McDonald au Texas et par le télescope Keck à Hawaii montrèrent que la collision n'avait dégagé aucun élément chimique pouvant révéler que des molécules d'eau avaient été projetées lors de l'impact.

En 2013, la sonde chinoise Chang'e-3 a déposé sur la surface lunaire le rover Yutu (« lapin de jade ») qui est resté opérationnel jusqu'en 2016.

L'exploration de Vénus

Le 12 février 1961, avant le vol historique de Gagarine, un engin soviétique appelé Venera 1 quittait la Terre pour voguer vers Vénus, qu'il survola, muet, toute liaison avec la Terre ayant cessé après quinze jours de vol. Mais le premier engin à atteindre avec succès la planète fut la sonde américaine Mariner 2, qui, le 22 juillet 1962, en frôlant Vénus et en l'observant pendant 42 minutes, recueillit et transmit les premières données thermiques et les paramètres orbitaux de cette planète. Mariner 5, en 1967, fournit des mesures détaillées à l'occasion d'un survol.

Vénus sera aussi explorée par des sondes soviétiques. Après trois échecs, Venera 4, sonde de 1 106 kg lancée le 12 juin 1967, atteint Vénus et transmet pendant 97 minutes des données sur l'atmosphère vénusienne. Le 17 août 1970, Venera 7 plonge dans l'atmosphère vénusienne et touche le sol. Dévoilée, l'atmosphère de Vénus se présente comme très dense, composée de dioxyde de carbone, avec des températures élevées (d'environ 475 °C). La sonde survit pendant 23 minutes, sous une pression de 90 bars ! En 1972, Venera 8 survivra 50 minutes à la surface de Vénus, et analysera les roches basaltiques de surface, mesurant leur radioactivité.

En 1975-1976, les missions Venera 9 et 10 sont pour les Soviétiques un succès : les sondes se posent sur le sol de la planète et transmettent des images du sol vénusien.

Deux sondes américaines, lancées en 1978, à cinq jours d'intervalle, atteignent Vénus. Pioneer Venus 1 portait douze expériences sur la chimie et la dynamique atmosphérique, tandis que Pioneer Venus 2 était équipée de quatre minisondes qui traversèrent l'atmosphère vénusienne pour atteindre la surface.

En 1982, les deux sondes soviétiques Venera 13 et 14 photographient en couleurs le sol vénusien, et Venera 14 enregistre des images panoramiques. En 1983, Venera 15 et 16 tourneront autour de Vénus pendant neuf mois, et cartographieront sa surface à l'aide du radar ; la résolution est de l'ordre de 2 km.

Les missions Venera seront suivies par deux missions, Vega 1 et 2, qui déploient des ballons-sondes. Les sondes soviétiques ont procédé à l'établissement de profils verticaux atmosphériques, mais aussi à des mesures de spectrométrie, de chromatographie, de cartographie et d'aéronomie, permettant de connaître la dynamique complexe des tempêtes et des vents violents qui affectent Vénus ; elles ont recueilli aussi une quantité considérable de données sur la surface du sol vénusien ainsi que sur sa composition.

La sonde américaine Magellan, lancée le 4 mai 1989, établit entre 1990 et 1994 une cartographie radar de la surface de Vénus, révélant des images splendides d'une planète volcanique où ont lieu des phénomènes tectoniques de grande ampleur.

Lancée en 2005, la sonde européenne Venus Express a permis de préciser la circulation atmosphérique et l'effet de serre de Vénus, ainsi que son activité tectonique et volcanique. La mission s'est achevée en 2014.

L'observation de Mercure

Lancée le 3 novembre 1973, la sonde Mariner 10 survole Vénus puis, le 5 février 1974, est placée sur une orbite tangente à la trajectoire de Mercure, qu'elle rencontre avec une période de 176 jours. Pendant sa mission, Mariner 10 photographia 45 % de la surface de cette planète, et étudia aussi son champ magnétique ainsi que ses paramètres atmosphériques.

La sonde américaine Messenger, lancée en 2004, a pu survoler Mercure à 3 reprises en 2008 et 2009, avec notamment un passage à seulement 200 km d'altitude, ce qui a permis de cartographier plus précisément l'astre et de dévoiler une partie de sa face cachée.

Les vols vers l'énigmatique planète Mars

Les lancements vers Mars se font à intervalles espacés : après un échec soviétique (Zond 1) et américain (Mariner 3), c'est la sonde Mariner 4, qui, en juillet 1965, en passant à 9 844 km de la planète rouge, transmet vers la Terre 17 images, où on reconnaît des cratères ainsi que des bassins.

Malgré de nombreuses tentatives, une seule mission soviétique atteint Mars. Mars 5, en 1973, réussira à retransmettre quelques images de la surface de la planète. Les autres missions seront perdues, manqueront leur cible ou resteront muettes. Si les sondes soviétiques échouent près du but, le vaisseau américain Mariner 9 se place en orbite autour de Mars ; il retransmet, pendant onze mois, un grand nombre de clichés (7 000) remarquablement détaillés, où les planétologues commencent à cartographier des structures d'écoulement fossilisées et de gigantesques volcans, comme le mont Olympus (500 km de diamètre pour une altitude dépassant les 25 km).

Lancée le 22 août 1975, la sonde américaine Viking 1 se pose en douceur, le 20 juillet 1976, dans le désert rouge de Chryse Planitia ; Viking 2 se posera dans Utopia Planitia le 3 septembre 1976. On découvre alors un monde étrangement réel, sous un ciel rouge, des sables ocres et des cailloux polis par le vent. Le sol martien est analysé in situ. Les sondes réalisent trois expériences pour détecter d'éventuelles formes de vie, mais les résultats ne sont pas probants.

En 1989, l'Union soviétique envoie deux sondes pour atteindre le satellite de Mars, Phobos, mais l'on perd le contrôle de l'une d'elles peu après le lancement, et la seconde ne réussit à effectuer qu'une partie du programme prévu.

En octobre 2001, la sonde américaine Mars Odyssey atteint Mars après un voyage de 200 jours. Première sonde parvenue à proximité de la planète rouge après l'échec de Mars Climate Orbiter et Mars Polar Lander (1999), placée en orbite pour deux années, elle a pour mission d'étudier la géologie et la composition chimique de Mars.

Du fait de ses similitudes avec la Terre, Mars fait l'objet de nombreux programmes d'exploration : plusieurs missions orbitales sont en cours (Mars Odyssey [USA, lancée en 2001], Mars Express [Europe, lancée en 2003], Mars Reconnaissance Orbiter [USA, lancée en 2005], Mars Orbiter Mission [Inde, lancée en 2013], MAVEN [USA, lancée en 2013]) ainsi que deux missions au sol menées par la NASA : Mars Exploration Rover qui a déposé en 2003 et 2004 les rovers Spirit (enlisé) et Opportunity (toujours en activité en 2016) et Mars Science Laboratory qui a déposé le rover Curiosity en 2012 afin de rechercher des traces de vie dans le passé géologique de la planète.

Les premières missions vers Jupiter

Les premières missions vers Jupiter ont été le fait des sondes américaines Pioneer 10 et 11, lancées par des fusées Atlas Centaur en 1972-1973. Plus de deux années furent nécessaires à chacune des sondes pour atteindre leur destination avant de continuer vers l'extérieur du Système solaire. Leurs mesures de l'environnement de Jupiter, et particulièrement des turbulences rencontrées dans ses ceintures de radiations, ont ouvert la voie aux sondes Voyager lancées en 1977.

Voyager 1 et 2 ont découvert de nouvelles particularités du système jovien, comme des satellites inconnus, un anneau étroit ou le volcanisme actif sur le satellite Io.

La sonde Galileo, lancée par la navette Atlantis le 18 octobre 1989, fait route vers Jupiter. Bien que cette sonde soit défectueuse, son antenne principale ne s'étant pas déployée, elle fournit de précieuses données et a notamment transmis les premières images de l'astéroïde Gaspra (astéroïde 951), dont elle a croisé la trajectoire en octobre 1991.

En 2016, la sonde américaine Juno atteint la planète géante pour étudier son atmosphère, sa structure profonde et sa magnétosphère afin de mieux comprendre sa formation.

Saturne et au-delà

Saturne a été visitée pour la première fois par la sonde Pioneer 11 en 1979, et l'année suivante les sondes Voyager sont passées à proximité de la planète ; elles ont pris des mesures de son environnement, observé son atmosphère, ses satellites et son impressionnant système d'anneaux.

Voyager 2 poursuivit sa route et fut la première sonde à atteindre Uranus, en 1986, puis à survoler Neptune et son principal satellite, Triton, en 1989.

Le système saturnien a été largement exploré par la sonde Cassini-Huygens placé en orbite de Saturne en 2004. La sonde a permis de nombreuses découvertes scientifiques concernant les anneaux de Saturne et les satellites Phœbé, Encelade (présence de geysers), et surtout Titan sur lequel a été déposé le module atterrisseur Huygens en 2005.

Les comètes

L'International Sun-Earth Explorer fut lancée par la NASA en 1978 sur une orbite lunaire élevée et fut détournée cinq ans plus tard pour une rencontre avec la comète Giacobini-Zinner.

En 1986, les sondes ont rendez-vous avec une autre comète, celle de Halley. Américains, Soviétiques, Européens et Japonais se mobilisent pour étudier au mieux la comète. Les Américains expédient la sonde ISEE-3, et les Soviétiques lancent deux missions, Vega 1 et 2, qui passent à proximité de Vénus, avant de se diriger vers la comète de Halley, qu'elles photographient. Pendant ce temps, les Japonais ont lancé deux sondes, Planet A et MS-T5.

L'Agence spatiale européenne envoie également une sonde : Giotto. Lancée le 2 juillet 1985 par Ariane 1, cette sonde de 950 kg survole le 14 mars 1986 la comète de Halley, à une distance de 605 km. Bien que de petite taille, elle est équipée d'une chambre photographique, de trois spectromètres, de deux analyseurs de plasma, d'un magnétomètre, d'un détecteur de particules et d'une sonde optique polarimétrique. Giotto a survécu à sa rencontre avec la comète, mais a perdu ses instruments photographiques. Placée en « hibernation », la sonde a pu être réactivée en 1990, pour repartir à la rencontre d'une autre comète, Grigg-Skjellerup, qu'elle a croisée, mais en aveugle, le 10 juillet 1992.

Depuis l'« année des comètes », la cadence des missions avait ralentie. Les Soviétiques ont mis au point deux missions ambitieuses, Phobos 1 et 2, qui ont échoué très près du but, et les Américains ont vu l'échec de la mission Mars Observer, en 1993.

Cependant, en 2005 la sonde américaine Deep Impact a lancé un projectile (« impacteur ») sur la comète Tempel 1, permettant une analyse des matériaux éjectés. En 2014 la sonde européenne Rosetta a réussi l'exploit de déposer l'atterrisseur Philae sur le sol de la comète 67P/Tchourioumov-Guerassimenko, ce qui a permis d'améliorer nos connaissances de la composition de ces astres, témoins des origines du Système solaire.

À la découverte d'une étoile : le Soleil

Les premières sondes Pioneer furent lancées pour observer le Soleil sous des angles divers. Deux sondes allemandes, Helios 1 et Helios 2, furent placées sur l'orbite de Mercure afin de mesurer le champ magnétique du Soleil et d'observer les caractéristiques de son environnement.

La sonde américano-européenne Ulysses était destinée à l'exploration des régions polaires du Soleil. Elle a été lancée par la navette spatiale le 6 octobre 1990 et a atteint le pôle Sud du Soleil le 13 septembre 1994, après avoir survolé Jupiter en février 1992. Elle a étudié notamment l'héliosphère interne et les vents solaires jusqu'en 2009.

En 2001, la sonde américaine Genesis avait pour objectif de recueillir des particules de vent solaire. Elle fut gravement endommagée lors de son retour sur Terre en 2004.

Les télescopes spatiaux

Les conditions d'observation astronomique depuis l'espace, affranchies des contraintes atmosphériques et du brouillage dû aux activités humaines, justifient l'utilisation de télescopes spatiaux. Hubble, lancé le 24 avril 1990 par la navette, devait envoyer des images d'une grande précision d'objets jusque-là inaccessibles. Des erreurs de conception ont limité ses possibilités bien qu'un vol de la navette, en décembre 1993, ait permis aux astronautes d'installer de nouvelles pièces optiques pour pallier ses insuffisances. Ainsi, pendant plus de 25 ans, Hubble a complètement révolutionné notre vision de l'espace lointain, mais aussi du Système solaire. Le télescope spatial James-Webb doit lui succéder en 2018.

Comment atteindre les autres planètes

Les missions planétaires profitent de la mécanique céleste (→ gravitation) pour réduire les temps de voyage. Ainsi, les missions vénusiennes ont lieu à intervalles réguliers tous les 584 jours, alors que la conjonction favorable pour Mars se produit tous les 780 jours.

Pour se déplacer dans le Système solaire, les sondes doivent acquérir des vitesses fantastiques. Afin d'économiser le carburant embarqué, elles mettent à profit la gravitation : c'est l'effet « trampoline » conçu par Gary Flandro, qui décrivit en 1965 (alors qu'il était un jeune chercheur de l'université de l'Utah) les possibilités de l'assistance gravitationnelle pour des sondes interplanétaires, reprenant en ce sens les travaux de L. Crocco, qui en 1950 conjecturait sur une mission habitée extraterrestre.

Depuis, de nombreuses missions interplanétaires ont utilisé les planètes comme trampoline pour accélérer et défléchir leur trajectoire. Le principe physique en est simple : lorsque le champ d'attraction d'une planète agit sur la trajectoire d'une sonde, cette dernière est déviée, selon sa vitesse et l'angle d'incidence ; la trajectoire est alors « réfléchie », et la sonde accélérée. Cette technique, qui demande de localiser la sonde avec précision, a permis par exemple à Pioneer 10, accélérée par Jupiter, de quitter le système solaire. Galileo a dû tourner deux fois autour du Soleil, puis survoler Vénus et revenir à proximité de la Terre pour enfin partir vers Jupiter.

Par définition, un satellite peut s'arracher à l'attraction solaire lorsqu'il est animé d'une vitesse supérieure à la « troisième vitesse cosmique » (plus de 16 km/s). Quatre sondes ont ainsi quitté le Système solaire et se dirigent vers des étoiles si lointaines qu'elles ne les atteindront qu'après un voyage de plusieurs dizaines de milliers d'années : ainsi, les sondes Pioneer 10 et Pioneer 11 s'éloignent à présent du Système solaire en direction d'Aldébaran et de la constellation de l'Aigle. Elles n'émettent aujourd'hui plus de signal, contrairement aux sondes Voyager.

Les dernières missions scientifiques

Dans les années 1980, l'Europe rejoignit les deux grandes puissances spatiales, les États-Unis et l'Union soviétique, et se lança à son tour dans l'exploration du Système solaire. Mais les annulations de programmes et les échecs sont éclipsés par l'éclatante réussite des Voyager interstellaires, par les résultats de la sonde Magellan, des deux missions internationales (Galileo, Ulysses) et des deux sondes qui ont repris l'étude de la Lune : le satellite japonais Hiten, depuis 1990, et la minisonde américaine Clementine (1994).

Dans les années 2000 et 2010, de nombreuses prouesses technologiques ont été réalisées : Mars est scrutée par de nombreuses sondes et le rover Curiosity y analyse le sol depuis 2012 ; la pose de l'atterisseur Philae sur une comète depuis la sonde Rosetta constitue une première scientifique ; la sonde américaine New Horizons a révélé pour la première fois les reliefs de Pluton et son satellite Charon en 2015.

Mais l'exploration de l'espace intéresse à présent de nouveaux venus : la sonde japonaise Hayabusa a ramené des échantillons d'astéroïde sur Terre en 2010 ; en 2007 et en 2008, la Chine et l'Inde ont lancé respectivement leurs premier orbiteurs lunaires (Chang'e 1 et Chandrayaan-1) ; la Russie a également des projets similaires en cours d'étude (Luna-Glob).

L'aventure des sondes Voyager 1 et Voyager 2

L'idée fut de profiter de l'alignement approximatif, entre 1982 et 1984, des quatre planètes géantes d'un même côté du Soleil pour organiser leur visite par une même sonde spatiale. Lancées à l'assaut des planètes externes, Voyager 1 et 2 reconnaissent successivement : Jupiter en 1979, et Io, satellite hérissé de volcans en activité ; Saturne, ses anneaux et son satellite Titan en 1980 et 1981 ; Uranus en 1986 ; Neptune et son satellite glacé, Triton, en 1989. Les deux sondes, pesant 815 kg chacune, sont alimentées par des générateurs nucléaires. Les sondes ont commencé à sortir du Système solaire en 2004 et 2007. Voyager 1 est officiellement entrée dans l'espace interstellaire en 2012. Elles se dirigent vers Sirius, qu'elles survoleront dans 296 000 ans.