lundi 4 juillet 2016

La mission spatiale JUNO vers Jupiter

(en cours de publication)

Lancée le 5 août 2011 par une fusée Atlas V 551 (le modèle le plus puissant de ce lanceur) depuis Cape Canaveral, la sonde JUNO doit se mettre en orbite autour de Jupiter dans la nuit du 4 au 5 juillet 2016 (heure américaine) après un périple de près de 5 ans.


JUNO, qui est une mission spatiale de la NASA (deuxième mission du programme New Frontiers) avec une coopération italienne, a pour objectif l'étude de Jupiter, la planète la plus massive de notre système solaire.
Malgré des observations intenses depuis le sol, et depuis Galilée surtout, et les différentes missions spatiales qui se sont approchées, nous connaissons encore mal, très mal même, la structure et le mode de formation de cette planète géante gazeuse. JUNO, en se plaçant sur orbite, va pouvoir collecter de nombreuses données sur Jupiter, la composition de son atmosphère, de ses couches internes, de sa magnétosphère. Et de permettre ainsi aux scientifiques de pouvoir reconstituer la manière dont Jupiter s'est formée et donc, de ce fait, d'apporter plus de précision sur la formation des planètes de notre système solaire.


JUNO n'a pas effectué un trajet direct vers Jupiter, mais a bénéficié d'une assistance gravitationnelle de la Terre lorsqu'elle a survolé celle-ci à basse altitude (800 km) le 9 octobre 2013.

Le véritable travail de JUNO commencera dès sa mise en orbite - orbite qui sera très elliptique, qui aura une période de 11 à 14 jours. Cette orbite fera passer la sonde à très basse altitude au-dessus des pôles de Jupiter ce qui évitera à la sonde de traverser en grande partie la puissante ceinture de radiations de la planète qui pourrait l'endommager. La mission prévoit 36 survols de la planète et doit durer un an.

JUNO emporte huit instruments scientifiques qui se composent de deux spectromètres, d'un radiomètre, d'un magnétomètre et de plusieurs instruments devant servir à l'étude des pôles de la planète géante.


La planète Jupiter

Revenons un tout peu d'abord sur l'objectif de la mission, à savoir la planète Jupiter.

Jupiter est la plus grosse planète de notre système solaire. Elle a une taille d'environ 11 fois celle de la Terre, soit environ 136 000 km de diamètre.

Jupiter est une planète géante gazeuse (au même titre que Saturne, Uranus et Neptune). Elle est composée essentiellement d'hydrogène et d'hélium (comme le soleil) et possède un noyau central certainement rocheux d'une masse d'environ 10 fois celle de la Terre.

Jupiter tourne sur elle-même en un peu moins de 10 heures et tourne autour du Soleil en 11,9 années (terrestres). Elle est situé à environ 777 908 927 km du Soleil (soit 5,2 unités astronomiques) et à 628 millions de kilomètres de la Terre.

L'atmosphère de Jupiter est très agitée et soumise à de violents phénomènes physiques et chimiques. On divise cette atmosphère en trois couches :

- jusqu'à 100 km de profondeur, l'atmosphère est composée de nuages de glace d'ammoniac
- jusqu'à 120 km de profondeur, l'atmosphère est composée de nuages d'hydrogénosulfures d'ammonium
- à partir de 150 km, des nuages d'eau et de glace.

En dessous de cette profondeur, l'hydrogène se transforme sous la pression en hydrogène métallique et devient conducteur d'électricité. Cela constitue un champ magnétique très intense (plus de 10 fois supérieur à celui de la Terre) et donc la formation d'une ceinture de radiation extrêmement puissante. La magnétosphère de Jupiter s'entend de jusqu'à 3 millions de km en direction du Soleil et jusqu'à 1 milliard de km à l'opposé.

Jupiter est aussi, et surtout, célèbre pour ses satellites, puisqu'elle n'en compte pas moins de 67. Les principaux sont Callisto, Europe, Ganymède (qui est aussi le plus gros satellite naturel du système solaire) et Io - tous les quatre sont appelés ''satellites galiléens'' car découvert par Galilée en 1610 grâce à sa lunette astronomique.

On connait mal la formation de Jupiter. La sonde Galileo (voir plus bas) a relevé dans l'atmosphère des éléments chimiques qui remettent en causes les théories de la formation de Jupiter et donc aussi sur la formation de notre système solaire. Jupiter est un élément central de la formation du système solaire et comprendre comment Jupiter a pu se former, c'est donc comprendre comment notre système solaire s'est formé.

Il est couramment admis qu'il a fallu de l'eau pour que des éléments lourds s'incorporent dans le processus de formation des planètes gazeuses (appelées aussi planètes externes) du système solaire. Or, si Jupiter semble riche en éléments lourds, elle semble très pauvre en eau.

Et l'autre grande question est de savoir si Jupiter s'est formée en un ou deux temps (effondrement gravitationnel) avec la composition d'un noyau solide ou non.

Ce sont donc les objectifs de la mission JUNO  que nous verrons un peu plus bas.


Historique de l'exploration spatiale de Jupiter

Ce n'est pas avant 1973 et la sonde Pionner 10 que débute l'exploration et l'étude de Jupiter par des sondes spatiales. Certaines sondes seront dédiées exclusivement à Jupiter, d'autres ne feront que passer à proximité et seront mises à contribution pour effectuer des observations lors de leur passage.

Pioneer 10

Lancée le 3 mars 1972 par une fusée Atlas-Centaur D, Pioneer 10 est une sonde de 258 kg qui avait pour objectif de faire une première reconnaissance du système solaire et de ses planètes extérieures. C'est la première sonde équipée d'un générateur nucléaire.
La sonde, une fois lancée, se déplace à la vitesse de 51 312 km/h (vitesse la plus rapide pour un engin spatial fabriqué par l'homme) et dépasse la Lune moins de 12 heures après le lancement.

Elle sera la première sonde à dépasser l'orbite de Mars et à traverser la ceinture d'astéroïdes.

Elle survole Jupiter le 3 décembre 1973 à 130 354 km et envoie des photos de la planète et de ses satellites et transmet des informations sur l'atmosphère de Jupiter, sa composition et aussi sur les radiations.

Après son survol, Pioneer 10 se dirige vers l'étoile Aldébaran qu'elle pourrait atteindre dans 2 millions d'années.
Le dernier contact avec la sonde a eu lieu le 22 janvier 2003. Depuis, d'après les calcules, elle aurait quitté le système solaire.

Pioneer 10 (ainsi que Pioneer 11) est surtout célèbre pour la plaque qu'elle emportait - voir le sujet qui lui avait été consacré sur Space Relics :
Pioneer 10 et Pioneer 11 (cliquez sur ce lien en jaune)



Pioneer 11

Jumelle de Pioneer 10, la sonde Pioneer 11 est lancée 5 avril 1972 par une Atlas-Centaur. Elle atteint Jupiter et la survole le 2 décembre 1974 et transmet de nombreuses photos et des données sur l'atmosphère et la surface de la planète géante.

Profitant de l'attraction de Jupiter, la sonde accéléra jusqu'à 153 000 km/h pour se diriger vers Saturne qu'elle survola le 1er septembre 1979 à une altitude de 22 000 km.

Le dernier contact avec la sonde eût lieu en novembre 1995 et depuis ce temps, al sonde se dirige vers les confins de notre système solaire en direction de la Constellation de l'Aigle.


Voyager 1 et 2

Voyager 1 et Voyager 2 sont deux sondes jumelles de la NASA destinées à l'observation des planètes extérieures de notre système solaire.

Voyager 1 est lancée le 5 septembre 1977 par une Titan III-Centaur. Elle commence son survol de Jupiter le 14 décembre 1978 et passe au plus près de celle-ci le 5 mars 1979 à 278 000 km de sa surface.
(Approche de Voyager 1 sur Jupiter)

Elle survole également au plus près les satellites Io, Ganymède, Europe et Callisto. Le volcanisme de Io sera la principale découverte de Voyager 1 ainsi que la découverte de fins anneaux autour de Jupiter. plus de 19 000 photographies seront prises. Elle découvre aussi deux petites lunes (Thébé et Métis).


En avril 1979, elle accélère et se dirige vers Saturne qu'elle atteint le 12 novembre 1980 en la survolant à 124 000 km.

De nos jours, Voyager 1 transmet encore des données et se trouve aux confins du système solaire qu'elle n'a pas encore quittée.


Voyager 2 est lancée le 20 août 1977 par une Titan IIIE-Centaur.

Elle survole Jupiter le 9 juillet 1979 à une altitude de 721 670 km. Elle observera l'atmosphère sud de Jupiter et transmettra 13 350 photos de la planète de de ses satellites (notamment Europe et Ganymède).

Voyager 2 continue sa route vers Saturne qu'elle survole le 26 août 1981 à 161 000 km d'altitude puis elle survolera respectivement Uranus et Neptune. Elle est actuellement aux confins du système solaire et elle doit le quitter en 2017.


Ulysses

La sonde Ulysses est une sonde conjointe de la NASA et de l'ESA (Agence Spatiale Européenne) et elle a été lancée le 6 octobre 1990 par la navette spatiale Discovery lors de la mission STS-41, et dont l'objectif est l'étude du Soleil.

Voir article de Space Relics :
Mission STS-41 et sonde Ulysses (cliquez sur ce lien en jaune)

Pour rejoindre son orbite solaire en dehors de l'écliptique, Ulysses va utiliser l'assistance gravitationnelle de Jupiter et la survolera en février 1992. Durant son survol, elle étudiera la magnétosphère de la planète.



Galileo

La sonde Galileo est une sonde de la NASA qui avait pour objectif l'étude de Jupiter et de ses lunes.
Elle est lancée le 18 octobre 1989 par la navette spatiale Atlantis lors de la mission STS-34 - voir sujet sur la mission STS-34 sur Space Relics :

Galileo va mettre 6 ans avant de se placer sur orbite autour de Jupiter - elle profitera de l'assistance gravitationnelle de la Terre par deux fois (en 1990 et 1992) et de celle de Vénus (en 1990).

En juillet 1995, elle largue une petite sonde atmosphérique qui ne rentrera dans l'atmosphère jovienne que le 7 décembre de la même année. Celle-ci sera détruite lors de son entrée atmosphérique mais fournira de précieux renseignements sur la composition de l'atmosphère.

Galileo se mettre en orbite le 7 décembre également. C'est le premier vaisseau spatial à se mettre en orbite autour de Jupiter. Durant les 8 années de sa missions (originellement prévue pour 23 mois), Galileo fournira des milliers de photos, données sur Jupiter et ses lunes, sur son atmosphère et magnétosphère, remettant ainsi en cause les théories avancées jusque là pour la formation de la géante gazeuse.
La fin de mission de Galileo est annoncée le 21 septembre 2003.



Cassini-Huygens

La sonde Cassini est lancée le 15 octobre 1997 par une fusée titan IV-Centaur. L'objectif principal est l'étude de la planète Saturne par la sonde Cassini de la NASA et l'atterrissage d'un lander, Huygens, de l'ESA sur ltitan, une des lunes de Saturne.

Le 30 décembre 2000, la sonde Cassini passe à 9,72 millions de km de la surface de Jupiter et va, en coordination avec la sonde Galileo, fournir des photos en continue de l'atmosphère de Jupiter (la période d'observation avait commencée dès octobre 2000 et s'est achevé en mars 2001).


Cassini-Huygens continue sa route vers Saturne qu'elle atteint en se mettant sur orbite le 1er juillet 2004. Le 25 décembre, l'atterrisseur Huygens se détache et se pose sur Titan le 14 janvier 2005.

Voir article dédié sur Space Relics :
Cassini-Huygens (cliquez sur ce lien en jaune)

New Horizons

Lancée le 19 janvier 2006 par une Atlas V-551, la sonde New Horizons a pour objectif principal l'observation de la planète Pluton (qui était encore la 9ème planète de notre système solaire à ce moment-là).

Le 14 janvier 2007, New Horizons s'approche de Jupiter et on profitera de ses instruments ultra-performants pour faire une campagne d'observation qui va durer près de quatre mois.

New Horizons survolera Pluton et Charon au plus près le 14 juillet 2015 et continue sa route vers des objets de la Ceinture de Kuiper.

Article dédié sur Space Relics :
La mission New Horizons (cliquez sur ce lien en jaune)



La mission JUNO

Comme dit plus haut, JUNO doit répondre aux nouvelles interrogations posées par la formation de Jupiter et de la formation du système solaire.

L'orbite très elliptique de la sonde devrait permettre d'en savoir plus et éventuellement de répondre à ces questions sur Jupiter :

- quel est son mode de formation
- la structure interne
- présence d'un noyau solide et sa taille
- comment est généré le champ magnétique
- quelles sont les proportions d'eau et d'oxygène présentes
- origines des aurores polaires
- études des zones polaires
- quelles relations entre les mouvements internes de la planète et les déplacements des couches atmosphérique
- quelle est la composition de l'atmosphère et quelle est sa structure
- étude de la magnétosphère
- étude sur le champ de gravité

L'orbite donnée à JUNO est très importante car ses instruments seront plus performants au plus près de la planète mais ils doivent être aussi le plus possible à l'abri de la ceinture de radiations qu'elle va traverser émise par le champ magnétique. Pour ce faire, une forte orbite elliptique est nécessaire pour passer à travers cette ceinture de radiations : le périgée (au plus près) sera de 4 500 à 5 200 km d'altitude et l'apogée sera d'environ 2,8 millions de km).
Chaque orbite durera 11 jours et une phase de 6 heures est dédiée à chaque orbite pour la collecte des données.

Caractéristiques de la sonde JUNO

JUNO pèse 3 625 kg dont 2 025 kg rien que pour les ergols et mesure environ 3,5 m de haut pour 3,5 m de large.
La charge utile composée de 8 instruments pèse 170 kg.
Elle est équipée de trois panneaux solaires repliables qui donneront une envergure de 20 m à la sonde.


JUNO possède 5 antennes pour pouvoir communiquer et transmettre aux stations de réception terrestres en bande Ka et X  :

- Antenne parabolique grand gain (HGA) de 2,5 m de diamètre tournée vers l'avant
- Antenne moyen gain (MGA) tournée vers l'avant
- Antenne faible gain (ALGA) au nombre de deux, une vers l'avant et l'autre vers l'arrière, utiles en mode de survie
- Antenne moyen gain toroïdale (TLGA) tournée vers l'arrière (rôle crucial dans les manoeuvres de correction de trajectoire et d'insertion en orbite)



Crédit : Stéphane Sebile / Spacemen1969
             Space Quotes - Souvenirs d'espace
             NASA / JPL