11.1 : Exploration des planètes extérieures
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Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Donnez un aperçu de la composition des planètes géantes
- Chronique de l'exploration robotique du système solaire externe
- Résumez les missions envoyées en orbite autour des géantes gazeuses
Les planètes géantes détiennent la majeure partie de la masse de notre système planétaire. Jupiter à lui seul dépasse la masse de toutes les autres planètes réunies (Figure\(\PageIndex{1}\)). Les matériaux disponibles pour construire ces planètes peuvent être divisés en trois catégories selon leur composition : les « gaz », les « glaces » et les « roches » (voir le tableau\(\PageIndex{1}\)). Les « gaz » sont principalement l'hydrogène et l'hélium, les éléments les plus abondants de l'univers. Tel qu'il est utilisé ici, le terme « glace » fait référence uniquement à la composition et non à la question de savoir si une substance est réellement à l'état solide. Les « glaces » désignent les composés qui se forment à partir des éléments les plus abondants suivants : oxygène, carbone et azote. Les glaces courantes sont l'eau, le méthane et l'ammoniac, mais les glaces peuvent également contenir du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone et d'autres. Les « roches » sont encore moins abondantes que les glaces et incluent tout le reste : magnésium, silicium, fer, etc.
| Type de matériau | Nom | % approximatif (en masse) |
|---|---|---|
| Gaz | Hydrogène (H 2) | 75 |
| Gaz | Hélium (He) | 24 |
| Glace | Eau (H 2 O) | 0,6 |
| Glace | Méthane (CH 4) | 0,4 |
| Glace | Ammoniac (NH 3) | 0,1 |
| Rocher | Magnésium (Mg), fer (Fe), silicium (Si) | 0,3 |
Dans le système solaire externe, les gaz dominent les deux plus grandes planètes, Jupiter et Saturne, d'où leur surnom de « géantes gazeuses ». Uranus et Neptune sont appelées « géantes de glace » parce que leur intérieur contient beaucoup plus de « glace » que leurs grands cousins. La chimie des quatre atmosphères des planètes géantes est dominée par l'hydrogène. Cet hydrogène a entraîné une réduction de la chimie du système solaire externe, ce qui signifie que d'autres éléments ont tendance à se combiner d'abord avec l'hydrogène. Au début du système solaire, la majeure partie de l'oxygène se combinait à l'hydrogène pour former du H 2 O et n'était donc pas disponible pour former des composés oxydés avec d'autres éléments que nous connaissons mieux dans le système solaire interne (comme le CO 2). Par conséquent, les composés détectés dans l'atmosphère des planètes géantes sont principalement des gaz à base d'hydrogène tels que le méthane (CH 4) et l'ammoniac (NH 3), ou des hydrocarbures plus complexes (combinaisons d'hydrogène et de carbone) tels que l'éthane (C 2 H 6) et l'acétylène (C 2 H 2).
Exploration du système solaire externe jusqu'à présent
Huit vaisseaux spatiaux, sept en provenance des États-Unis et un en provenance d'Europe, ont pénétré au-delà de la ceinture d'astéroïdes dans le royaume des géants. \(\PageIndex{2}\)Le tableau résume les missions de l'engin spatial vers le système solaire externe.
| Planète | Engin spatial 1 | Date de la rencontre | Type |
|---|---|---|---|
| Jupiter | Pioneer 10 | Décembre 1973 | Survol |
| Pionnier 11 | Décembre 1974 | Survol | |
| Voyager 1 | mars 1979 | Survol | |
| Voyager II | juillet 1979 | Survol | |
| Ulysse | février 1992 | Survol pendant l'assistance gravitationnelle | |
| Galilée | décembre 1995 | Orbiteur et sonde | |
| Cassini | décembre 2002 | Survol | |
| Nouveaux horizons | février 2007 | Survol pendant l'assistance gravitationnelle | |
| Junon | juillet 2016 | Orbiteur | |
| Saturne | Pionnier 11 | septembre 1979 | Survol |
| Voyager 1 | novembre 1980 | Survol | |
| Voyager II | août 1981 | Survol | |
| Cassini | Juillet 2004 (injection sur l'orbite de Saturne 2000) | Orbiteur | |
| Uranus | Voyager II | janvier 1986 | Survol |
| Neptune | Voyager II | août 1989 | Survol |
Les défis liés à l'exploration d'une telle distance de la Terre sont considérables. Les temps de vol vers les planètes géantes sont mesurés en années, voire en décennies, plutôt qu'en mois nécessaires pour atteindre Vénus ou Mars. Même à la vitesse de la lumière, les messages mettent des heures à passer entre la Terre et l'engin spatial. Si un problème survient près de Saturne, par exemple, attendre des heures pour que l'alarme atteigne la Terre et que les instructions soient renvoyées à l'engin spatial peut être synonyme de catastrophe. Les engins spatiaux menant au système solaire externe doivent donc être extrêmement fiables et capables d'un plus grand degré d'indépendance et d'autonomie. Les missions du système solaire extérieur doivent également transporter leurs propres sources d'énergie, car le Soleil est trop éloigné pour fournir suffisamment d'énergie. Les appareils de chauffage sont nécessaires pour maintenir les instruments à des températures de fonctionnement appropriées, et les engins spatiaux doivent être équipés d'émetteurs radio suffisamment puissants pour envoyer leurs données à des récepteurs situés sur une Terre lointaine.
Les premiers engins spatiaux à explorer les régions situées au-delà de Mars ont été les Pioneers 10 et 11 de la NASA, lancés en 1972 et 1973 pour identifier Jupiter. L'un de leurs principaux objectifs était simplement de déterminer si un vaisseau spatial pouvait réellement naviguer dans la ceinture d'astéroïdes située au-delà de Mars sans être détruit par des collisions avec de la poussière d'astéroïdes. Un autre objectif était de mesurer les risques radiologiques dans la magnétosphère (ou zone d'influence magnétique) de Jupiter. Les deux engins spatiaux ont traversé la ceinture d'astéroïdes sans incident, mais les particules énergétiques présentes dans le champ magnétique de Jupiter ont presque détruit leurs composants électroniques, fournissant ainsi les informations nécessaires à la conception sûre des missions suivantes.
Pioneer 10 a survolé Jupiter en 1973, après quoi il s'est dirigé vers les limites du système solaire. Pioneer 11 a entrepris un programme plus ambitieux, utilisant la gravité de Jupiter pour viser Saturne, qu'il a atteinte en 1979. La sonde spatiale jumelle Voyager a lancé la prochaine vague d'exploration de la planète extérieure en 1977. Les Voyagers 1 et 2 transportaient chacun 11 instruments scientifiques, y compris des caméras et des spectromètres, ainsi que des appareils permettant de mesurer les caractéristiques des magnétosphères planétaires. Comme ils ont continué à se déplacer après leurs rencontres planétaires, il s'agit désormais du vaisseau spatial le plus éloigné jamais lancé par l'humanité.
Voyager 1 a atteint Jupiter en 1979 et a utilisé une assistance gravitationnelle de cette planète pour l'emmener vers Saturne en 1980. Voyager 2 est arrivé à Jupiter quatre mois plus tard, mais a ensuite suivi un chemin différent pour visiter toutes les planètes extérieures, atteignant Saturne en 1981, Uranus en 1986 et Neptune en 1989. Cette trajectoire a été rendue possible par l'alignement approximatif des quatre planètes géantes du même côté du Soleil. Environ une fois tous les 175 ans, ces planètes se trouvent dans cette position, ce qui permet à un seul vaisseau spatial de toutes les visiter en utilisant des survols assistés par gravité pour ajuster leur trajectoire à chaque rencontre ultérieure ; une telle manœuvre a été surnommée « Grand Tour » par les astronomes.
Le Jet Propulsion Laboratory propose une jolie vidéo intitulée Voyager : The Grand Tour qui décrit la mission Voyager et ce qu'elle a découvert.
INGÉNIERIE ET SCIENCES SPATIALES : ENSEIGNER DE NOUVELLES ASTUCES À UN VIEUX VAISSEAU SPATIAL
Lorsque Voyager 2 est arrivé à Neptune en 1989, 12 ans après son lancement, le vaisseau commençait à montrer des signes de vieillesse. Le bras sur lequel se trouvaient la caméra et les autres instruments était « arthritique » : il ne pouvait plus bouger facilement dans toutes les directions. Le système de communication était « malentendant » : une partie de son récepteur radio avait cessé de fonctionner. Les « cerveaux » présentaient une « perte de mémoire » importante : une partie de la mémoire de l'ordinateur de bord était tombée en panne. Et l'ensemble du vaisseau commençait à manquer d'énergie : ses générateurs commençaient à montrer de sérieux signes d'usure.
Pour rendre les choses encore plus difficiles, la mission du Voyager à Neptune a été à bien des égards la plus difficile des quatre survols. Par exemple, comme la lumière solaire de Neptune est 900 fois plus faible que celle de la Terre, la caméra embarquée a dû prendre des expositions beaucoup plus longues dans cet environnement pauvre en lumière. Il s'agissait d'une exigence non négligeable, étant donné que le vaisseau spatial se précipitait par Neptune à une vitesse dix fois supérieure à celle d'une balle de fusil.
La solution consistait à faire pivoter la caméra vers l'arrière exactement à la vitesse qui compenserait le mouvement vers l'avant de l'engin spatial. Les ingénieurs ont dû préprogrammer l'ordinateur du navire pour exécuter une série de manœuvres incroyablement complexes pour chaque image. Les magnifiques images de Neptune dans Voyager témoignent de l'ingéniosité des ingénieurs des engins spatiaux.
La distance entre l'engin et ses contrôleurs sur Terre constituait un autre défi. Voyager 2 a reçu des instructions et a renvoyé ses données via un émetteur radio intégré. La distance entre la Terre et Neptune est d'environ 4,8 milliards de kilomètres. Sur cette longue distance, la puissance qui nous est parvenue du Voyager 2 à Neptune était d'environ 10 à 16 watts, soit 20 milliards de fois moins que ce qu'il faut pour faire fonctionner une montre numérique. Trente-huit antennes différentes sur quatre continents ont été utilisées par la NASA pour collecter les faibles signaux de l'engin spatial et décoder les précieuses informations sur Neptune qu'elles contenaient.
Entrez dans les orbiteurs : Galilée, Cassini et Juno
Les missions Pioneer et Voyager étaient des survols de planètes géantes : chacune d'elles ne produisait qu'un bref aperçu avant que l'engin spatial n'avance à toute vitesse. Pour des études plus détaillées de ces mondes, nous avons besoin d'engins spatiaux capables de se mettre en orbite autour d'une planète. Pour Jupiter et Saturne, ces orbiteurs étaient respectivement les vaisseaux Galileo et Cassini. À ce jour, aucune mission orbitale n'a été lancée pour Uranus et Neptune, bien que les planétologues aient manifesté un vif intérêt.
La sonde Galileo a été lancée vers Jupiter en 1989 et est arrivée en 1995. Galilée a commencé ses recherches en déployant une sonde d'entrée dans Jupiter, pour les premières études directes des couches atmosphériques extérieures de la planète.
La sonde a plongé à faible angle dans l'atmosphère de Jupiter, se déplaçant à une vitesse de 50 kilomètres par seconde, soit suffisamment rapide pour voler de New York à San Francisco en 100 secondes ! Il s'agit de la vitesse la plus élevée à laquelle une sonde a pénétré jusqu'à présent dans l'atmosphère d'une planète, et cela a imposé de grandes exigences au bouclier thermique qui la protège. La vitesse d'entrée élevée était le résultat de l'accélération due à la forte attraction gravitationnelle de Jupiter.
La friction atmosphérique a ralenti la sonde en 2 minutes, produisant des températures à l'avant de son bouclier thermique pouvant atteindre 15 000 °C. Lorsque la vitesse de la sonde a chuté à 2 500 km/h, les restes du bouclier thermique incandescent ont été largués et un parachute a été déployé pour abaisser la sonde instrumentée vaisseau spatial plus doucement dans l'atmosphère (Figure\(\PageIndex{3}\)). Les données des instruments de la sonde ont été transmises à la Terre via le principal vaisseau spatial Galileo.
La sonde a continué à fonctionner pendant une heure, descendant 200 kilomètres dans l'atmosphère. Quelques minutes plus tard, le parachute en polyester a fondu et, en quelques heures, la structure principale en aluminium et en titane de la sonde s'est vaporisée pour devenir une partie de Jupiter elle-même. Environ deux heures après avoir reçu les données finales de la sonde, le vaisseau spatial principal a tiré ses rétrofusées afin de la capturer en orbite autour de la planète, où ses principaux objectifs étaient d'étudier les grandes lunes souvent déroutantes de Jupiter.
La mission Cassini vers Saturne (Figure\(\PageIndex{2}\)), une initiative de coopération entre la NASA et l'Agence spatiale européenne, était similaire à Galileo dans sa double approche. Lancé en 1997, Cassini est arrivé en 2004 et s'est mis en orbite autour de Saturne, entamant des études approfondies sur ses anneaux et ses lunes, ainsi que sur la planète elle-même. En janvier 2005, Cassini a déployé une sonde d'entrée dans l'atmosphère de la grande lune de Saturne, Titan, où elle a atterri avec succès à la surface. (Nous parlerons de la sonde et de ce qu'elle a découvert dans le chapitre sur les anneaux, les lunes et Pluton.)
Les missions Voyager et Galileo à destination de Jupiter étaient principalement conçues pour étudier les lunes et l'atmosphère de la planète. La mission suivante de la NASA, un orbiteur appelé Juno, est arrivée à Jupiter en juillet 2016. Afin d'atteindre ses objectifs d'étude de la magnétosphère jovienne, elle dispose d'une orbite très allongée (excentrique) de 55 jours, qui la fait passer de 4 000 kilomètres au-dessus du sommet des nuages à 76 000 kilomètres. L'orbite fait passer l'engin au-dessus des pôles de Jupiter, ce qui nous donne des plans rapprochés remarquables des régions polaires (l'engin précédent avait observé la planète depuis des latitudes plus basses).
Juno a été conçu à l'origine sans caméra, mais heureusement, les scientifiques ont rectifié cette omission en ajoutant une simple caméra couleur orientée vers le bas à utiliser lors de passages rapprochés par Jupiter. Reconnaissant la valeur de telles images, à la fois scientifiques et artistiques, il a été décidé de publier les images brutes et d'encourager les « scientifiques citoyens » à les traiter. Le produit a été de nombreuses vues spectaculaires et aux couleurs vives de Jupiter, telles que Figure\(\PageIndex{2}\).
Concepts clés et résumé
Le système solaire externe contient les quatre planètes géantes : Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Les géantes gazeuses Jupiter et Saturne ont une composition générale similaire à celle du Soleil. Ces planètes ont été explorées par les vaisseaux spatiaux Pioneer, Voyager, Galileo et Cassini. Voyager 2, peut-être la plus réussie de toutes les missions scientifiques spatiales, a exploré Jupiter (1979), Saturne (1981), Uranus (1986) et Neptune (1989), un grand tour des planètes géantes, et ces survols sont les seules explorations à ce jour des géants de glace Uranus et Neptune. Les missions Galileo et Cassini étaient des orbiteurs à longue durée de vie, et chacune a également déployé une sonde d'entrée, une dans Jupiter et une dans la lune de Saturne Titan.
Notes
1 Les vaisseaux Ulysse et New Horizons (conçus pour étudier le Soleil et Pluton, respectivement) ont survolé Jupiter pour augmenter leur gravité (gagner de l'énergie en « volant » un peu de la rotation de la planète géante).