Gravitation - Mission Cassini-Huygens

Afin d'élucider l'un des derniers grands mystères qui subsistent après l'exploration du Système solaire par les engins spatiaux, la mission d'exploration la plus lointaine que l'ESA ait jamais entreprise a démarré le mercredi 15 octobre dernier. Par une étrange coïncidence, c'est à bord d'une fusée américaine Titan IVB/Centaur que le véhicule Cassini de la NASA a été placé sur l'orbite qui doit lui permettre de gagner Saturne. Cassini emporte la sonde Huygens (voir "Les principaux chiffres de la mission") de l'ESA ainsi que l'antenne à grand gain fournie par l'ASI, l'Agence Spatiale Italienne. Le module orbital Cassini sera placé en orbite autour de la planète géante pour une mission de quatre ans. Son précieux passager, la sonde Huygens, est un concentré de 350 kg de technologie, pur produit de l'industrie européenne. Dès son arrivée dans la banlieue de Saturne, Huygens se séparera de Cassini, pour plonger à la découverte de Titan, le plus gros satellite saturnien, sorte de terre primitive qui est l'objet le plus étrange du Système solaire. Sixième pierre angulaire de son programme scientifique "Horizon 2000", Cassini-Huygens est pour l'Europe la première mission interplanétaire avec rentrée atmosphérique.

Tout au long de son voyage, et jusqu'à la fin de sa mission prévue en 2008, Cassini sera suivi par le DSN (Deep Space Network) de la NASA: un réseau d'antennes géantes (70 mètres de diamètre) capable de détecter les faibles signaux qui nous parviendront. Le signal radioélectrique que l'émetteur de Cassini nous enverra de la banlieue de Saturne sera reçu sur Terre 1 heure et 20 minutes après son émission.

"Si vous sautiez en parachute au-dessus de Titan, vous profiteriez d'abord du merveilleux spectacle des anneaux de Saturne, puis vous disparaîtriez dans les brumes oranges de ce monde à nul autre pareil. A vos amis curieux de savoir si l'on atterrit sur une piste solide ou si l'on plonge dans un océan d'hydrocarbures, vous enverriez votre dernier message. Car une fois arrivé, vous finiriez soit par mourir de froid, soit - faute d'oxygène - par périr asphyxié dans une atmosphère de raffinerie de pétrole. Mieux vaut faire appel à un robot pour accomplir ce type de mission."

C'est par ces lignes que s'ouvre un document réalisé par l'ESA consacré au monde de Titan. Les quelque 500 représentants des équipes européennes ayant participé, au niveau scientifique, technique ou industriel, à la construction de la sonde, qui ont assisté à ce lancement à Cap Canaveral, s'en sont peut-être souvenu alors qu'ils étaient éblouis par la puissance des propulseurs de la fusée Titan qui éclairaient un ciel auroral et par le premier sans-faute de cette mission, un sans-faute d'importance.

Il faut savoir que la date de lancement a été choisie en fonction de la position qu'occupera alors chaque planète du Système solaire afin de bénéficier de l'effet de fronde pour atteindre Titan. La fenêtre de tir était très étroite, moins d'un mois. Si des problèmes étaient venus contrarier le lancement, Huygens aurait dû attendre le mois de juin 1999 pour une nouvelle tentative. Précisons cependant que le voyage ne durerait plus alors 7 mais 9 ans.

On comprendra que les équipes engagées dans cette mission aient été sur pied de guerre afin que Huygens quitte bien la Terre à l'automne 97!

La précision du lancement (0,004 degré) a fait oublier plusieurs événements qui rendirent la phase préparatoire assez mouvementée. En premier lieu, des groupes antinucléaires qui, farouchement opposés au lancement de Cassini-Huygens, avaient menacé d'empêcher le tir de la fusée Titan sous prétexte que le couple orbiter-sonde emporte quelque 33 kg de dioxyde de plutonium embarqué comme source d'énergie, soit la plus importante quantité de matière radioactive jamais envoyée dans l'espace.

Ensuite, il y eut un report de lancement d'une semaine en raison d'une dépollution de la sonde rendue nécessaire suite à une fausse manoeuvre, puis un report de 48 h, du lundi 13 au mercredi 15, suite à une panne de radar de poursuite et des pannes de logiciels. Enfin, si le lancement s'était mal passé, il aurait signifié une perte sèche de plus de 2 milliards de dollars et une catastrophe scientifique de première ampleur.

Périple dans le Système solaire

Avec 3,5 milliards de kilomètres parcourus en 7 ans, ce sera donc bien le plus lointain voyage jamais entrepris par un véhicule européen. Mais pour parvenir à la lointaine planète Saturne, Cassini et son passager Huygens devront donc acquérir un supplément de vitesse grâce à l'accélération gravitationnelle que lui imprimeront les planètes survolées. Aussi, Cassini suivra-t-il un chemin détourné qui le mènera à proximité de Vénus par deux fois, puis au voisinage de la Terre et enfin aux abords de Jupiter qui lui donnera sa dernière impulsion. Cette technique permet d'économiser l'équivalent de 75 tonnes de carburant ou plusieurs dizaines d'années de voyage.

Après avoir atteint la vitesse requise de 12 km/s, soit 43 200 km/h, pour échapper à l'attraction terrestre, Cassini-Huygens a entamé son long voyage en direction de Venus. A sa première approche de l'Etoile du Berger, le 21 avril 1998, le module orbital et sa sonde recevront une poussée gravitationnelle afin d'augmenter sa vitesse. Quelques mois plus tard, le 2 décembre de la même année, une nouvelle manœuvre de changement de trajectoire orientera à nouveau ce véhicule interplanétaire vers Vénus. Second survol de cette planète le 20 juin 1999 où le vaisseau atteindra alors une vitesse 14 km/s, soit 50 400 km/h pour repartir en direction de la Terre qu'il survolera pour la dernière fois le 18 août 1999 avant de mettre le cap sur Jupiter.

C'est à la veille de la Saint-Sylvestre de l'année 2000 que Cassini et Huygens, alors situés dans la banlieue de Jupiter, recevront une ultime poussée gravitationnelle pour repartir en direction de Saturne. Près de trois ans et demie seront alors nécessaires pour que ce vaisseau entre enfin dans le champ de la planète Saturne et commence une période d'orbitation de cinq mois. A la première approche de Titan, Huygens sera largué. Lentement, la sonde perdra de l'altitude pendant environ trois semaines. C'est le 27 novembre 2004 qu'elle commencera sa descente vers la surface mystérieuse de Titan. Sa vitesse sera alors de Mach 20.

150 minutes de travail après un voyage de sept ans

Durant son entrée dans la haute atmosphère de Titan, Huygens subira une chaleur de près de 12 000° C, d'où l'importance de son bouclier thermique conçu par l'Aérospatiale française. Ce disque en matériau haute résistance (nid d'abeille aluminium/carbone avec couches de protections à base de silice) permettra en effet de protéger, durant l'entrée dans l'atmosphère de Titan, la charge utile qui abrite principalement un spectromètre infrarouge, une caméra, un radar altimétrique, un chromographe, un détecteur d'émission radio et un collecteur d'aérosols.

Grâce au freinage aérodynamique, la vitesse de la sonde tombera de 21600 km/h à 1 080 km/h en moins de cinq minutes. A Mach 1,5 commencera une séquence d'ouverture d'une série de parachutes. Le premier de ceux-ci, le plus petit, arrachera le capot arrière de la sonde et tirera le deuxième parachute dont le diamètre est de 8 mètres. Le tissu spécial dont est composé ce parachute lui permettra de résister à la vitesse supersonique. Celle-ci chutera encore pour atteindre environ 366 km/h. Après une période de stabilisation d'une durée de 30 secondes, l'éjection du bouclier thermique sera commandée.

Dans la dizaine de secondes qui suivra le largage de ce bouclier, les instruments, en sommeil durant les sept années qu'aura duré le voyage, entreront alors en action. Le parachute principal réglera la descente de la sonde. Après environ 15 minutes, à 105 km d'altitude, il sera largué à son tour alors qu'un plus petit parachute stabilisateur sera déployé. Deux heures et demi s'écouleront avant que la sonde touche le sol de Titan. Huygens devra alors fonctionner encore environ trois minutes afin de renvoyer vers l'orbiteur les précieuses informations collectées. Resté en orbite autour de Saturne, Cassini servira en effet de relais vers la Terre pour transmettre ces données.

L'exploration du Système saturnien

De son côté, Cassini séjournera quatre ans dans la banlieue de Saturne afin d'étudier avec précision le système saturnien. Il effectuera une trentaine de survols proches de Titan (jusqu'à 950 km) ainsi que de plusieurs autres satellites glacés de Saturne. Tout au long de ces 4 années, ses 12 instruments étudieront en détail :
- les constituants des atmosphères de Saturne et Titan et leur composition isotopique,
- le champ magnétique et son interaction avec le vent solaire, les anneaux et les satellites,
- la vitesse des vents et leur direction,
- les variations jour/nuit de l'ionosphère et les interactions avec le champ magnétique,
- les anneaux et la " bousculade " des fragments de roche, pour tenter de comprendre la formation des planètes dans le Système solaire, - la structure interne et le bilan radiatif, afin de comprendre pourquoi Saturne rayonne 79% de plus d'énergie qu'elle n'en reçoit du Soleil.

Le plus étrange des mondes

De nombreuses raisons ont poussé les chercheurs à choisir Titan comme objet d'étude de la mission Huygens. Entre 1979 et 1981, trois sondes américaines, Pioneer 11, Voyager 1 et Voyageur 2 ont photographié en gros plan Saturne, ses anneaux et ses satellites. Le premier objectif était Titan à cause des particularités de son atmosphère. Dès avec les premiers renseignements fournis par Voyageur 1, les astronomes constatèrent, non sans surprise, que cette atmosphère était plus dense que prévue. En effet, à partir de la quantité de méthane qu'ils avaient pu y détecter depuis la Terre, ils croyaient cette atmosphère assez comparable à celle de Mars.

Or, force leur était de constater qu'elle est bien 150 fois plus dense que l'atmosphère terrestre. Cette erreur d'appréciation est facile à expliquer. Le méthane, seul composant détecté depuis la Terre, ne forme que 2 % de l'atmosphère de Titan, le reste étant de l'azote, gaz difficile à détecter à si longue distance, et également composant essentiel de l'atmosphère terrestre. Titan possède une épaisse atmosphère comparable à un brouillard rouge-orange très dense qui s'étend sur une hauteur de 200 km et qui occulte complètement sa surface. Elle n'en reste pas moins intéressante. Le méthane se polymérise facilement (entendez par là que ses molécules se combinent entre elles sans problème) pour former des molécules plus complexes. Dès lors, il n'était pas interdit de penser que Titan possède des océans de corps organiques complexes, un revêtement d'asphalte et des lacs de méthane et d'éthylène et qu'il puisse s'y trouver une certaine forme de vie.

Remarquons cependant que la nature exacte de la surface de Titan reste matière à spéculation et cela pour plusieurs raisons. La première vient du fait que la température est proche de ce qu'on appelle le "point triple du méthane", c'est-à-dire la température à laquelle le méthane peut aussi bien se retrouver sous forme solide que liquide ou gazeux, comme c'est le cas pour l'eau sur Terre. La surface peut être complètement couverte de méthane gelé ou d'un océan de méthane liquide. La possibilité existe aussi d'y trouver des lacs et des falaises de méthane sur lesquels tombe une fine bruine d'azote liquide. Voilà bien un des endroits les plus étranges du Système solaire.

Son côté le plus fascinant vient donc des caractéristiques de son atmosphère, assez similaire à l'atmosphère terrestre primitive, comportant des molécules organiques comme CH₄ (méthane), HCN (acide cyanhydrique), C₂H ₂ (acétylène), C₂H₆ (éthane), etc. : c'est-à-dire des composés organiques de type prébiotiques, les premières "briques de la vie" !

L'atmosphère de ce satellite contient en effet de l'azote, du méthane et peut-être de l'argon, de l'hydrogène, des traces d'hydrocarbures et des composés organiques azotés comme de l'acide cyanhydrique composant des acides nucléiques fondamentaux constituant la matière vivante. Pourtant, il règne une température très basse à la surface de Titan. D'où les questions que se posent les chercheurs sur la possibilité de développement d'une forme de chimie prébiotique.

Aujourd'hui, les scientifiques pensent assez généralement que Titan est une sorte de Terre primitive congelée qui abriterait les ingrédients nécessaires au développement de la vie. En raison de la température glaciale qui règne (-180°C), les processus conduisant à l'apparition de la vie auraient été bloqués, et Titan conserverait une partie de la chimie prébiotique qui, sur Terre, a permis l'émergence du vivant, et qui a ensuite totalement disparu.

Six expériences pour en savoir plus sur Titan

Les aérosols, ces gouttelettes microscopiques en suspension dans l'atmosphère de Titan et qui se forment à une altitude d'environ 800 km, intéressent beaucoup les chercheurs. Une des six expériences de Huygens menée par une équipe du CNRS dirigée par G. Israël consistera à collecter ces aérosols et à les analyser par pyrolyse. Existe-t-il des nuages dans l'atmosphère de Titan ? Comment circulent les vents ? Quels sont la nature et le relief du sol ? Autant de questions auxquelles les six expériences embarquées de Huygens, menées respectivement par le CNRS (France), la NASA (Etats-Unis) et les Universités de Rome (Italie), d'Arizona (Etats-Unis), de Bonn (Allemagne) et de Kent (Grande-Bretagne) tenteront d'apporter un commencement de réponse.

Une chose est certaine : pour collecter toutes ces informations et les transmettre à la Terre, via Cassini, Huygens devra faire très vite. Car quoiqu'il arrive, l'orbiteur ne restera à l'écoute que pendant 30 minutes après l'impact. Huygens représente donc un extraordinaire pari d'une grande complexité technologique. Et cette mission est bien une extraordinaire aventure de la connaissance!

Pierre Bastin

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