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New Horizons, la sonde de la NASA à la rencontre de Pluton

Pluton a une trajectoire elliptique particulièrement excentrée ce qui fait que sa distance autour du Soleil varie entre 7 et 4 milliards de kilomètres. En 2015, Pluton était au plus proche du Soleil et, par voie de conséquence, de la Terre. Cette position ne se reproduit que tous les 248 ans. Des astrophysiciens de la NASA ont voulu utiliser cette fenêtre optimale pour envoyer une sonde à sa rencontre et ainsi approfondir nos connaissances sur cet astre lointain et encore peu connu.

Que savait-on de Pluton avant le lancement du projet ?

Pluton a été découverte en 1930 par l’astronome américain Clyde Tombaugh. En 1978, James Christy, de l’Observatoire naval des Etats-Unis, découvre qu’il possède en outre un satellite de masse relativement importante. Ils tournent l’un autour de l’autre, le centre de gravité de l’ensemble se trouvant à l’extérieur des deux astres. On parle alors d’astres binaires. À noter que, depuis, on a constaté que cette configuration n’était pas rare dans ces contrées du système solaire. En effet, au sein de la ceinture de Kuiper, là où se trouve Pluton, plus de 10% des objets seraient binaires.1

Photo de Pluton (en bas à droite) et de Charon (en haut à gauche) prise par New Horizons le 14 juillet 2015 (source).

Pluton et son satellite, baptisé Charon dans la foulée de sa découverte, valsent si bien ensemble que chacun regarde l’autre toujours avec la même face. Ceci implique qu’il existe une face cachée de l’un pour l’autre et que chacun est géostationnaire par rapport à l’autre, toujours au-dessus du même endroit. J’imagine bien un Plutonien. Chez lui, on ne voit jamais Charon. Il doit donc décider d’une longue randonnée, de l’autre côté de sa planète, pour aller voir le spectacle magique du satellite, énorme dans le ciel. A titre de comparaison avec nos références de Terriens, Charon dans le ciel de Pluton est 7 fois plus gros que notre Lune dans notre ciel. Et puis, avec un objet si gros, les éclipses solaires doivent être plus fréquentes que sur Terre, d’autant plus que le Soleil, lui, est bien petit à plus de 4 milliards de kilomètres.

En 1985, un nouveau pas fut franchi. Les astronomes assistaient à l’occultation d’une étoile par Pluton.2 Les télescopes de la Terre alors braqués vers cette portion du ciel montrèrent que l’éclat de l’étoile s’atténua progressivement avant d’être complètement occultée. Ceci indique que Pluton est entourée d’une couche gazeuse, une atmosphère. Celle-ci est essentiellement constituée d’azote comme Triton, Titan et la Terre d’ailleurs.

Pluton s’insère dans les projets de la NASA

Aller à la rencontre de Pluton, qui peut envisager un tel voyage ? La NASA en aurait les capacités techniques. Encore faut-il la volonté stratégique et le financement pour un tel programme. À la fin des années 1960, la NASA envisageait déjà un projet pour qu’une sonde rende visite à de nombreuses planètes du système solaire. Pluton en faisait partie. C’est le projet « Grand Tour ». Hélas, le projet fit long feu car annulé par Nixon en 1969. De « Grand Tour », la NASA repêcha deux avatars : des missions « mini grand tour ». Tout d’abord Voyager 1 qui frôla Jupiter en 1979, et passa près de Saturne et son satellite Titan, l’année suivante en 1980. Puis Voyager 2 qui survola Neptune en 1986 puis Uranus en 1989. Mais on ne voulut pas continuer la route vers Pluton : trop loin, trop cher.

Illustration par Klifton Kleinmann.

À la fin des années 1990, il y a pourtant ceux qui y croient encore, parmi eux Alan Stern, astrophysicien, alors directeur du Département des Études Spatiales au SwRI (Southwest Research Institute). La NASA ne se décide pourtant pas… Qui pourrait faire plier les décideurs de la NASA ? Alan Stern va faire intervenir le politique. Il va plaider la cause de Pluton auprès des membres du Congrès et réussit ainsi à faire plier la NASA. Un projet Pluton est lancé. Mais, attention, un projet « pas cher » de 700 millions de dollars. Et gare si le budget dérape, le projet serait alors impitoyablement arrêté. C’est ainsi que fonctionne la NASA, les coupeurs de programme sont en embuscade… Alan Stern, nommé « principal investigator », concède que son activité est répartie pour 80% de lobbying et de recherche de financement et seulement pour 20% d’activité scientifique.3 En 2002, la décision est prise. La NASA, en tant que maître d’œuvre, lance un appel d’offre pour le projet New Horizons. L’Université John Hopkins de Baltimore est sélectionnée pour construire la sonde.4 C’est un projet mobilisant une équipe de 50 personnes. Elle aura 4 ans pour concevoir et construire la sonde.

Trajectoire prévue et agenda prévisionnel

New Horizons est lancée le 19 janvier 2006 à bord d’une fusée Atlas V. Cette fenêtre de tir est intéressante, car on veut bénéficier de l’assistance gravitationnelle de Jupiter. Le rendez-vous avec Pluton est prévu en 2015.

Pour garantir les coûts, la NASA s’interdit tout changement de programme : entre temps, on a bien constaté des écarts de trajectoires avec les sondes Pioneer 10 et Pioneer 11 qu’il serait intéressant d’aller regarder de plus près, mais la décision est formelle, on ne déroute pas le véhicule spatial.3

La sonde New Horizons est équipée de sept instruments de mesure devant analyser la surface et l’atmosphère des astres étudiés pendant sa course (Jupiter frôlée en 2007, puis Pluton et son satellite, Charon) ainsi que la composition de l’espace aux confins du système solaire. Celui-ci peut être considéré en première approximation comme étant vide de matière, mais c’est une caractéristique que la communauté scientifique voudrait approfondir. Les caméras et spectromètres permettent de photographier, de mesurer température, composition et ionisation des atmosphères, ainsi que de compter les grains de poussière.

Les données recueillies par les instruments de New Horizons doivent permettre de mieux caractériser l’atmosphère de Pluton, son histoire passée et son évolution future. Le vent solaire, constitué de particules émises par le Soleil et percutant l’atmosphère de Pluton contribuent à l’éjection d’une partie de cette atmosphère dans l’espace intersidéral et ce d’autant plus facilement que la force gravitationnelle de Pluton est faible.13 D’autre part, la trajectoire fortement elliptique fait envisager des périodes de sublimation de matière solidifiée à la surface lorsque Pluton se rapproche du Soleil, puis un phénomène inverse de solidification avec redéposition à la surface sous forme de poussière de glace lorsque Pluton s’éloigne du soleil . Tous ces phénomènes indiquent une modification périodique de la composition de l’atmosphère ainsi qu’une évolution à long terme.

Les questions de télécommunication

La qualité de la communication entre la sonde et la Terre est clé dans le succès d’un tel projet. La vitesse de la lumière fait que l’information met 4h30 pour nous être transmise à travers le cosmos depuis Pluton. Mais ce n’est pas le seul facteur à prendre en compte. New Horizons envoie ses signaux à des antennes réceptrices qui font partie du dispositif DSN (Deep Space Network).5 Il existe trois centres de positionnement des antennes du DSN : à Canberra(Australie), dans le désert Mojave en Californie (États-Unis) et à l’ouest de Madrid (Espagne).

Le DSN doit garder le contact avec plus de 40 missions6 qui ont été initiées par la NASA et d’autres agences spatiales de par le monde.

La sonde New Horizons n’est que l’une d’entre elles, ce qui fait que la disponibilité des antennes réceptrices est limitée. La vitesse de transmission de New Horizons est, en fin de compte, limitée à 2 Kbits/secondes.

Le 14 juillet 2015, New Horizons est au plus proche de Pluton. La sonde « frôle » l’astre à 11 000 km d’altitude. Il faut profiter au maximum de ce passage pour braquer les instruments de mesure vers les cibles d’intérêt. La priorité pour la sonde est de récolter un maximum de données. Lorsque la phase d’observation la plus propice aura été dépassée, la transmission de cette moisson se fera dans un deuxième temps. D’ailleurs, pour pouvoir transmettre vers la Terre, la sonde doit avoir une orientation particulière. Il faut donc bien séparer le temps de prise de mesures et le temps de transmission des données vers la Terre. Pendant certains intervalles de temps, New Horizons coupe donc sa communication avec la Terre, toute focalisée qu’elle est à faire ses mesures, à récolter les données et à photographier. Fin octobre 2016, soit au bout de 15 mois, New Horizons envoie enfin les derniers bits d’information qu’elle avait accumulées lors de son survol de Pluton.

Les spécialistes font aussi l’hypothèse d’un système d’échange d’atmosphère entre les deux astres. Les données récoltées par New Horizons devraient nous permettre d’en savoir davantage.7,8,9

Les astrophysiciens ont l’habitude d’analyser un autre phénomène la réfraction de la lumière qui passe du vide dans un milieu contenant de la matière. Comme dans les mesures années 80, les astronomes aimeraient à nouveau observer une occulation d’étoile par Pluton. Le but serait cette fois de mesurer l’indice de réfraction de l’atmosphère de Pluton : au lieu d’aller en ligne droite, la lumière change légèrement de direction en pénétrant l’atmosphère, comme elle le ferait à travers la surface de l’eau. De ce décalage, on pourrait déduire l’indice de réfraction de l’atmosphère.10

Eclipse de soleil par Pluton : l’atmosphère est bleue (source).

Mais pourquoi se contenter de le faire depuis la Terre avec une étoile quelconque ? New Horizons a tous les instruments nécessaires pour le faire, et, en dépassant Pluton, nous pourrions pour la première fois, faire cette mesure avec une étoile bien particulière, notre propre Soleil.

C'est une vision que nous, terriens, n’avons jamais pu avoir, car il faut être plus loin que Pluton dans le système solaire pour espérer voir une telle éclipse. Et de fait, New Horizons nous a envoyé une magnifique photo de Pluton à contre-jour, passant devant le Soleil. Comme pour notre Terre, l’atmosphère donne à Pluton un magnifique halo bleu.

Suite de la mission

La rencontre de New Horizons avec Pluton a été un succès8,11,3,12 et cela semble donner des ailes à la sonde. L’équipe décide, pour la suite de la mission, de porter son dévolu sur un objet de la ceinture de Kuiper qui n’était même pas connu au moment du lancement de la sonde New Horizons : 2014 MU 69, découvert en 2014. C’est désormais le nouvel objectif de la sonde New Horizons. La prochaine rencontre est prévue le 1er janvier 2019. Mais entre-temps, de nouveaux événements nous permettent de faire davantage connaissance avec cet objet avant son survol par New Horizons. En effet, pendant l‘été 2017, on a observé l’occultation d’une étoile par « 2014 M69 ». De ces observations, on cherche à connaître la forme de « 2014 M69 », à savoir s’il est entouré d’une ceinture d’astéroïdes et s’il comporte ou non une atmosphère. L’analyse des données est en cours.

Bibliographie et liens internet


  1. Sur les systèmes binaires de la ceinture de Kuiper: http://www2.ess.ucla.edu/~jewitt/kb/binaries.html and Fraser, Wesley C., et al. "All planetesimals born near the Kuiper belt formed as binaries." Nature Astronomy 1.4 (2017): 0088. 

  2. Pluto’s lower atmosphere structure and methane abundance from high-resolution spectroscopy and stellar occultations Lellouch, Sicardy, de Bergh, HU Käufl, S Kassi, A Campargue, Astronomy & Astrophysics, jan 2009 

  3. Conférence Cité des Sciences : http://www.cite-sciences.fr/fr/ressources/conferences-en-ligne/saison-2014-2015/new-horizons-panorama-de-pluton/ 

  4. Site de l’Université de John Hopkins : http://pluto.jhuapl.edu/News-Center/index.php 

  5. À propos du Deep Space Network : https://deepspace.jpl.nasa.gov/about/ 

  6. Les missions suivies par Deep Space Network: https://deepspace.jpl.nasa.gov/files/dsn/DSNCurrentMissionSet20170907.pdf 

  7. Échange gazeux: Hale, J. P. M., and C. S. Paty. "Pluto–Charon solar wind interaction dynamics." Icarus 287 (2017): 131-139. 

  8. Icarus Science Journal/ Volume 287, Pages 1-334 (1 May 2017) Special Issue: The Pluto System Edited by Richard P. Binzel, Catherine B. Olkin, Leslie A. Young and Philip D. Nicholson 

  9. Rarefied gas dynamic simulation of transfer and escape in the Pluto-Charon system: William A.HoeyaSeng KeatYeohaLaurence M.TraftonbDavid B.GoldsteinaPhilip L.Varghesea Icarus Volume 287, 1 May 2017, Pages 87-102 

  10. http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/sofia-dashes-into-plutos-shadow-07032015/ 

  11. Le site de la NASA : https://www.nasa.gov/mission_pages/newhorizons/main/index.html 

  12. Starn,A. "Pluto's Secrets Revealed: NASA's New Horizons changed everything we thought we knew about this distant planet" Scientific American (2017). French translation: Les faces cachées de Pluton, Alan Stern, Pour la Science, January 2018 

  13. Brain, D. A., et al. "Atmospheric escape from unmagnetized bodies." Journal of Geophysical Research: Planets 121.12 (2016): 2364-2385.