logo Essonne

Saturne : ça tourne avec Cassini-Huygens

Dans le rôle de l’explorateur : la sonde spatiale Cassini-Huygens. Lieu de tournage : à plus de 1,5 milliard de km de la Terre. Scénario : Cassini est en orbite autour de Saturne durant au moins 6 ans. Sa mission est de glaner le maximum d’informations sur la planète, ses anneaux et ses satellites. Cette histoire n’est pas une fiction. En voici le récit…

Saturne et ses anneauxSaturne et ses anneaux remplissent maintenant le champ de vue de la caméra NAC. Cette image en couleurs naturelles a été prise le 27 mars 2004.
© NASA/ESA/ Space Science Institute

Imaginez que votre calendrier prévoit chacun de vos faits et gestes au quart de seconde près, que tout soit contrôlé, du moindre mouvement au déplacement global, 240 fois par minute… n’est ce pas vertigineux ? D’ailleurs qui, hormis Cassini-Huygens, pourrait le supporter. Depuis qu’elle est entrée en orbite autour de Saturne, en juillet 2004, la sonde spatiale Cassini-Huygens suit un programme organisé au quart de seconde près. Avec ses 12 instruments, elle filme, photographie, enregistre des informations tirées des poussières cosmiques, des rayonnements ultraviolets ou infrarouge, des ondes radio, … Ce périple a été prévu par des centaines de scientifiques des agences spatiales américaine (N.A.S.A.), européenne (E.S.A.) et italienne (A.S.I.) pour une durée de quatre ans.

A la différence de nombreuses missions conçues pour tester de nouvelles technologies, l’objectif de Cassini-Huygens est purement scientifique: étudier l’atmosphère, la magnétosphère, les anneaux et les satellites de Saturne. Ces derniers, Titan, Encelade ou encore Japet ont chacun des particularités qui ne manquent pas d’aviver la curiosité des scientifiques. Une atmosphère proche de celle de la Terre pour Titan, d’intrigantes éruptions d’eau glacée sur Encelade, d’énormes bourrelets autour de Japet … Saturne est une mine d’interrogations surtout après le survol de 3 sondes, Pioneer 11 puis Voyager 1 et 2, entre 1979 et 1981. Comme toujours en science, toute nouvelle percée apporte davantage de questions que de réponses. C’est pourquoi les scientifiques ont souhaité aller plus loin. « Après les survols, il était naturel d’envisager la mise en orbite pour plusieurs années d’observation ! », estime André Brahic. Astrophysicien et spécialiste des anneaux de Saturne, il fait partie de ceux qui ont soutenu ce projet d’envergure depuis le début. Aujourd’hui, il est l’une des têtes chercheuses de la mission Cassini-Huygens. Au CEA de Saclay, il est l’un des fondateurs du laboratoire A.I.M. (Astrophysique Interactions Multi-échelles) et il pilote l’équipe chargée d’analyser les images renvoyées par la caméra qui se trouve à bord de l’orbiteur Cassini.

01.Cassini-Huygens une épopée de 40 ans

Mise en orbite de la sonde Cassini HugensVue d'artiste. Au terme d'un voyage de sept ans à travers le Système solaire, la sonde Cassini-Huygens, réalisée conjointement par la NASA, l'ESA et l’ASI, a été mise en orbite en juillet 2004 autour de la planète Saturne.
© ESA
Il est actuellement environ dix heures. Des milliers de clichés parviennent aux chercheurs, ingénieurs et techniciens depuis 2-3 heures du matin. Autour d’eux, une vingtaine d’écrans renvoient des images extraites d’un autre monde, celui de Saturne, situé à plus de 1,5 milliard de kilomètres de la Terre. « Les « oh là » fusent, tout le monde se retourne. Il y a une grande agitation, en même temps, on a le sentiment de vivre un moment unique », s’enthousiasme André Brahic, en direct du centre de contrôle de Pasadena (Californie). C’était le 1er juillet 2004, au moment de la mise en orbite de Cassini-Huygens. La sonde survolait les anneaux de Saturne et renvoyait des images exceptionnelles. Jamais aucun engin spatial ne les observé dans d’aussi bonnes conditions.

Et pour cause. La mission Cassini-Huygens est hors norme. Un budget à la hauteur de l’exploit : près de 4 milliards de dollars quand les deux robots martiens de la mission Mars Exploration Rover coûtent moins d’un milliard de dollars. Des objectifs plus qu’ambitieux : découvrir un monde extrêmement complexe situé à plus de sept années de voyage, le tout avec des instruments (un magnétomètre, des spectromètres, des caméras, des radars, etc.) des plus sophistiqués. Le matériel scientifique pèse 350 kg sur les 6 tonnes que représentent la sonde Cassini et son module Huygens, destiné à l’exploration de Titan, le satellite le plus énigmatique de Saturne. Cet engin est le troisième plus gros poids lourd envoyé dans l’espace : presque 7 mètres de long sur 4 mètres de large. Cet évènement est d’autant plus extraordinaire que le resserrement des budgets des agences spatiales les incite généralement à favoriser des missions légères et peu coûteuses.
L’histoire débute en juin 1980 autour d’une table en Californie : « c’était à la veille de l’arrivée de la sonde Voyager 1 aux environs de Saturne après 3 ans de voyage. Une dizaine de chercheurs s’étaient réunis, et pour la première fois, nous avons évoqué l’idée d’envoyer une sonde qui serait mise en orbite autour de la planète géante et nous permettrait des gains considérables en sensibilité et en résolution. » Un projet un peu fou ? « Beaucoup d’entre nous restaient sceptiques, craignant que le projet ne soit trop complexe, trop long et trop cher confirme André Brahic, mais je leur ai rappelé qu’il suffit de dire qu’un projet est impossible pour qu’il le devienne !». Il fallut franchir de multiples étapes, convaincre les collègues, faire valoir ses idées idée auprès des agences spatiales, persuader les ingénieurs, séduire les hommes politiques, enthousiasmer les industriels, etc. Finalement cette mission se sera étalée sur une quarantaine d’années : premières discussions en 1980, approbation par les agences en 1988, financement en 1990, sélections des scientifiques associés en 1991, construction de la sonde entre 1991 et 1997, lancement en 1997, mise en orbite autour de Saturne en 2004, fin de la mission vers 2010 ou 2012 … enfin, dépouillement des observations qui « s’achèvera à l’horizon 2020 tant les informations sont riches et complexes », informe le spécialiste.
« Si nous étions au départ, un peu comme dans Le Cid, une dizaine à y croire, nous sommes maintenant des dizaines de milliers à participer à cette aventure », s’enorgueillit André Brahic.

« Il faut sans relâche trouver un terrain d’entente entre les intérêts parfois divergents des scientifiques. Certains étudient la composition chimique de l’atmosphère saturnienne, d’autres le comportement de la magnétosphère, d’autres les anneaux, d’autres les satellites. Pour ma part, je suis le membre français de l’équipe chargée de dépouiller les images ». Rien que dans ce secteur, les 14 spécialistes de l’équipe d’imagerie se sont entourés d’une centaine d’étudiants et de jeunes chercheurs pour préparer le programme d’observation, analyser les images et interpréter les résultats. La sonde Cassini, assemblée aux Etats-Unis, doit effectuer 73 orbites autour de Saturne entre 2004 et 2008. Au moins deux ans supplémentaires sont prévus. Quant au petit module Huygens, arrimé à la sonde au départ, il a été construit en Europe.

Ensemble, les deux vaisseaux ont parcouru un long et complexe voyage. Contrairement à Voyager 2 qui a mis trois ans pour atteindre Saturne après un tir direct, Cassini-Huygens a mis sept ans en parcourant une distance presque trois fois plus grande. « Il fallait que la sonde arrive le plus doucement possible pour que la mise en orbite soit possible sinon nous n’aurions pu eu assez d’énergie pour freiner », justifie le chercheur. Pour cela elle s’est appuyée sur l’assistance gravitationnelle des planètes rencontrées : chaque passage à proximité d’une planète dévie sa trajectoire et la rapproche de l’orbite idéale pour arriver à bon port. La sonde a ainsi survolé deux fois Vénus, est revenue au voisinage de la Terre en août 1999, avant de parvenir aux abords de Jupiter en décembre 2000. L’impulsion délivrée par ces planètes a permis d’économiser l’équivalent de 75 tonnes de carburant. En fait, il aurait été impossible de lancer une sonde aussi lourde. La sonde n’en a emporté que 3,14 tonnes de combustible. Puis vint la difficile insertion de la sonde sur une orbite autour de Saturne. « C’était l’un des moments les plus délicats : pour freiner la sonde, il a fallu effectuer plusieurs manœuvres délicates sans contact radio avec la Terre. Les moteurs ont été allumés pendant 95 min exactement. Au-delà de ce temps, elle s’écrasait sur Saturne, en deçà, elle passait son chemin et se perdait dans le système solaire ».

02.A la découverte du seigneur des anneaux

Anneaux de saturneCe cliché permet enfin de connaître la vraie couleur des anneaux de Saturne.
© NASA/ESA/ Space Science Institute
Cent fois plus massive que la Terre et presque dix fois plus large, Saturne est la deuxième plus grosse planète du système solaire après Jupiter. Malgré sa taille, elle pourrait flotter sur l’eau tant sa densité est faible ! Cette énorme planète gazeuse est composée essentiellement d’hydrogène. Mais sa singularité réside avant tout dans ses anneaux : c’est l’un des spectacles les plus remarquables du système solaire. Ils sont extrêmement brillants. C’est pourquoi Galilée a pu les découvrir avec sa lunette astronomique dès 1610 ! En fait, Galilée a observé deux excroissances autour de la planète sans savoir qu’il s’agissait d’anneaux. De nos jours, ils sont visibles de la Terre avec une simple paire de jumelles.En fait, les anneaux de Saturne se subdivisent en plusieurs milliers de structures dont l’ensemble s’étend sur plus de 300 000 km pour moins d’un kilomètre d’épaisseur. Ils sont constitués pour l’essentiel de blocs de glace et de poussières, mais leur composition exacte demeure inconnue. La dimension des blocs varie d’une fraction de millimètre à quelques centaines de mètres. Ces anneaux ne sont pas plats mais ils ondulent à la manière de vagues. Il est probable que ce ballet résulte de l’interaction entre les lunes de Saturne et les anneaux. Les observations de Cassini ont montré par exemple que le passage de la petite lune Pan et d’autres petits satellites modifiait notablement les anneaux en leur voisinage. Outre Pan, on dénombre plus d’une trentaine de satellites naturels ou encore lunes de Saturne. Le plus gros, Titan, possède une atmosphère. Comme la Terre, Titan possède une atmosphère composée essentiellement d’azote. La pression au sol est à peine plus élevée que celle de l’atmosphère terrestre. Mais, contrairement à la Terre, la température d’environ – 200° Celsius est glaciale ! Titan est une Terre mise au congélateur. La présence de nombreux hydrocarbures rend cette atmosphère passionnante. Certains se demandent s’il n’y a pas quelques similarités avec l’atmosphère primitive de la Terre, avant l’apparition de la vie. Toutes les observations collectées par les sondes Cassini et Huygens sont en cours d’analyse et « les résultats promettent d’être spectaculaires », assure André Brahic. La sonde Huygens a dévoilé une partie du visage de ce satellite le 14 janvier 2005 lors de son ultime voyage. La descente vers Titan a commencé à 11h13, heure de Paris. L’appareil a chuté à une allure démentielle, 20 000 km/h, passant de 1300 à 165 km d’altitude en l’espace de 3 minutes… Ce plongeon a duré 2h27min50s. Un bouclier thermique construit en France a absorbé le frottement avec la haute atmosphère, puis 3 parachutes se sont successivement ouverts. Après avoir transmis 350 photographies et une foule de données scientifiques sur la composition, la température et la dynamique de l’atmosphère, la sonde Huygens a heurté le sol à 17 km/h.

Dernièrement, avec le passage de Cassini dans son voisinage, c’est la lune Encelade qui était au centre de toutes les attentions. Au cours de l’année 2005, la sonde Cassini a survolé le satellite Encelade à plusieurs reprises et l’a même frôlé à moins de 175 kilomètres en juillet 2005. Sur les images recueillies, les équipes de recherches ont remarqué de larges failles, « les griffures du tigre », par lesquelles s’échappent de la vapeur d’eau et de fines particules d’eau glacée… ce panache atteint parfois 180 km d’altitude ! Encelade semble alimenter les anneaux en glace. Ces éruptions pourraient émaner de poches d’eau liquide situées à quelques mètres sous la surface. « Il y a plusieurs modèles pour expliquer ce phénomène, nous sommes en train de les tester », tempère André Brahic. « Pour le moment, la seule certitude est qu’Encelade connaît des éruptions d’un genre inhabituel. C’est déjà une énorme découverte ». Pour en savoir plus, il faudra attendre les prochains survols, en mars 2008, et l’analyse complète des données récoltées. Or de ce côté, le temps semble soudain s’arrêter. A en croire André Brahic, cela peut prendre 5,10, voire 20 années tellement la moisson a été riche!

03.L'astronome analyse, partage et recommence

Le satellite TitanLa sonde Cassini Huygens a entre autres missions l'étude de Titan, le plus gros satellite de Saturne.
© NASA/JPL/Space Science Institute
Dans ce monde astronomique, les notions de temps et d’espace deviennent vite élastiques. On y prévoit le parcours de Cassini-Huygens au quart de seconde près mais on est prêt à attendre des lustres pour espérer une analyse complète des images collectées. De fait, « la mission Voyager, initiée dans les années 70, n’a pas fini de nous livrer tous ses secrets », affirme André Brahic. Pourtant, la réception ou l’émission d’une information entre la Terre et l’orbiteur Cassini met seulement 1h30. « Lorsque nous voulons communiquer avec la sonde et lui donner un ordre, cela prend environ 4h30 selon la distance Terre – Saturne au moment de la communication: il faut 1h30 au signal pour parcourir la distance Terre – Saturne, autant pour recevoir un message de la sonde confirmant qu’elle a bien compris et encore 1h30 pour donner l’ordre final à la sonde. Il n’est évidemment pas question de piloter cet engin en direct. C’est pourquoi le programme d’observation est envoyé à l’avance et enregistré à bord de la sonde pour être exécuté le moment venu.», explique l’astrophysicien. Recueillies et traitées informatiquement par les ingénieurs au centre de contrôle de Pasadena, en Californie, les images sont ensuite analysées par plusieurs équipes de chercheurs en plusieurs endroits du globe, en Californie, dans le Colorado, à New York, à Berlin, à Londres et à Paris où travaille l’équipe d’André Brahic. D’autres équipes sont en charge d’autres instruments. « Les données brutes ne sont pas immédiatement compréhensibles. Il faut écrire de nombreux programmes de dépouillement et élaborer un "mode d’emploi" ». Il faut environ un an pour que l’équipe puisse fournir ce mode d’emploi tant les images sont complexes à décortiquer. Les programmes de dépouillement dépendent bien entendu des questions scientifiques posées. Découvrir un petit satellite très peu lumineux noyé dans la lumière d’anneaux brillants ne demande pas la même technique qu’analyser le mouvement d’un cyclone éblouissant dans l’atmosphère de Saturne.

« Il faut bien comprendre que toutes ces observations pourront révéler d’autres secrets dans 20 ans ou même 100 ans. Champollion a compris les messages inscrits sur la pierre de Rosette bien après sa découverte. Les réponses à des questions qui se poseront dans le futur sont peut être déjà inscrites dans les observations de Cassini. J’ai vraiment l’impression d’être un explorateur au même titre que Colomb, Magellan, Bougainville et bien d’autres qui sont partis à la découverte de mondes inconnus. Je ne suis pas frustré de rester dans mon laboratoire : entreprendre un voyage vers Saturne serait non seulement très pénible, mais aussi, d’un faible intérêt scientifique. Un instrument bien conçu est beaucoup plus utile

Contrairement aux explorateurs du passé, A.Brahic et ses collègues ont désormais les moyens et l’obligation de faire partager leur découverte. « Nous avons un an après chaque observation pour que nos "modes d’emploi" et nos images soient disponibles à quiconque », souligne-t-il. « L’inconvénient est que d’autres scientifiques, qui n’ont pas la lourde tâche de programmer la sonde à l’avance, ont la possibilité de faire une découverte avant ceux qui ont consacré 30 ans de leur vie pour diffuser ces informations … mais c’est ainsi que la science avance ! ».

En 2008, près de 4 millions d’images auront été collectées par la sonde Cassini. Il y a là de quoi occuper bon nombre d’astronomes sur Terre. Et pourtant, « nous n’accédons qu’à 10% des informations que nous aurions voulu récupérer », s’inquiète le chercheur. « Il nous faudrait au moins une quarantaine d’années pour observer tout ce que nous souhaitons. Pour l’instant, nous comptons obtenir une prolongation de la mission d’au moins deux ans et peut-être plus, mais cela coûte cher aux agences spatiales qui doivent financer les armées d’ingénieurs qui suivent cette sonde au jour le jour. ». Il est impossible d’aller au-delà sans qu’une menace plane sur les capacités de résistance de la sonde Cassini : « en fait, il reste assez de carburant pour effectuer les corrections de trajectoires nécessaires, mais la fiabilité de la sonde et des instruments n’est pas garantie par les constructeurs pour des durées aussi longues ». Et après ? Outre le dépouillement des données de Cassini-Huygens, il faudra, comme toujours, préparer des dossiers pour les prochaines grandes missions des agences spatiales. L’année dernière, Europe, le satellite de Jupiter, avait la faveur de beaucoup. Actuellement, au vu des premières images renvoyées par Cassini-Huygens, le vent tourne. Les caractéristiques de Titan et Encelade intriguent de plus en plus la communauté scientifique. « Nous souhaitons envoyer sur Titan un engin capable de se déplacer, ballon ou véhicule sur roues. Et puis, il faudra aller encore plus loin en envoyant un autre engin Cassini – Huygens autour d’Uranus et de Miranda et un troisième autour de Neptune et de Triton. Je rêve de revoir Neptune, mais je crains de devoir attendre jusqu’en 2050 ou 2060 !».

Restez connecté

Suivez-nous : Page Facebook Page Twitter

Lettre d'information :

Vidéo

Cette vidéo nécessite le plug-in gratuit Flash 8.
Il semble que vous ne l'avez pas.
Cliquer ici pour le télécharger

Interview de Xavier Raepsaet - La propulsion nucléaire spatiale

Portraits d'experts

  • Romina Aron Badin, les primates au coeur
  • Jacques-Marie Bardintzeff, une vie consacrée aux volcans
  • Catherine Charlot-Valdieu :  Home sweet home
  • Didier Labille, l’astronomie en amateur professionnel