Stardust (sonde spatiale)


Stardust (sonde spatiale)
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Stardust

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Vue d'artiste de la sonde Stardust derrière la comète Wild 2.

Caractéristiques
Organisation NASA
Domaine Capture échantillons comète
Type de mission Survol
Statut Mission achevée
Masse 385 kg
Lancement 7 février 1999
Lanceur Delta II
Fin de mission 24 mars 2011
Autres noms Stardust Sample Return, NExT
Survol de Wild 2,Tempel 1
Propulsion Ergols liquides
Source énergie Panneaux solaires
Puissance électrique 0,8 kW (à 1 U-A)
Index NSSDC 1999-003A
Site Site officiel

Stardust (en français, « poussière d'étoile ») est une mission interplanétaire du programme Discovery de l'agence spatiale américaine de la NASA lancée en 1999 et chargée de collecter des échantillons de la chevelure de la comète Wild 2 ainsi que des poussières interstellaires et de les ramener sur Terre. La sonde est lancée le 7 février 1999 par une fusée Delta II puis a recours à l'assistance gravitationnelle de la Terre pour rejoindre son objectif. Le 24 janvier 2004, au cours du survol de la comète à moins de 236 km de distance, Stardust capture plusieurs centaines de particules à l'aide d'un collecteur rempli d'aérogel. Ces échantillons reviennent sur Terre dans une capsule qui, après s'être détachée de la sonde et avoir effectué une rentrée atmosphérique, atterrit le 15 janvier 2006 sur le sol des États-Unis.

Ces échantillons sont aujourd'hui en cours d'analyse. En contradiction avec les théories dominantes sur la formation des comètes, les particules recueillies ne sont pas, selon les analyses effectuées, de la poussière interstellaire générée au cœur d'autres étoiles mais un matériau formé à faible distance de notre Soleil. Par ailleurs un acide aminé, la glycine, a été trouvé, confortant la théorie selon laquelle les comètes auraient pu contribuer à l'apparition de la vie sur Terre. Les 72 photos de la comète Wild 2 prises par Stardust montrent un relief beaucoup plus tourmenté que ce qui était attendu.

En juillet 2007, la NASA assigne une nouvelle mission à la sonde : celle-ci effectue un survol le 15 février 2011 à moins de 191 km de la comète Tempel 1, qui avait été percuté volontairement par l'impacteur de la sonde Deep Impact. La NASA espère tirer des informations sur l'évolution des comètes en comparant les données recueillies par Stardust et celles obtenues par la sonde Deep Impact.

Sommaire

Contexte

Principales caractéristiques d'une comète

Article détaillé : comète.
On distingue clairement sur cette photo de Hale-Bopp les deux queues qui caractérisent une comète à l'approche du Soleil

Une comète est un corps céleste de petite taille (généralement moins de 10 km) composé en grande partie de glace d'eau qui parcourt une orbite elliptique au cours de laquelle il s'approche du Soleil le contourne avant de s'éloigner vers l'extérieur du système solaire. À l'approche du Soleil, la comète se transforme : la glace située à sa surface, portée à plusieurs centaines de degrés par l'énergie solaire, se sublime à un rythme qui peut être de plusieurs tonnes par seconde. Un nuage de gaz et de poussière d'un diamètre qui atteint plusieurs dizaines de milliers de kilomètres de rayon, la chevelure ou coma, se forme autour du corps de la comète appelé noyau. Les particules solides poussées par la pression de radiation forment une longue traîne blanchâtre légèrement incurvée qui s'oriente à l'opposé du Soleil et peut atteindre une longueur de plusieurs millions de kilomètres. Une deuxième queue de couleur bleutée, encore plus longue, constituée de particules ionisées poussées par le vent solaire s'oriente à l'opposé du Soleil. Pour les comètes les plus actives, ces excroissances, éclairées par le Soleil, deviennent visibles à l'œil nu depuis la Terre. Tous ces phénomènes disparaissent lorsque la comète s'éloigne à nouveau du Soleil[1]. La trajectoire des comètes est très variable. Certaines, en provenance de l'orbite de Jupiter, bouclent en quelques années leur orbite qui est située dans l'écliptique, tout comme les planètes. D'autres en provenance du nuage de Oort ont une période qui peut atteindre plusieurs millions d'années et peuvent circuler sur un autre plan que l'écliptique. Enfin une fraction importante des comètes ont une orbite parabolique ou hyperbolique : elles effectuent un passage unique près du Soleil avant de quitter définitivement le système solaire.

Les comètes témoins de la genèse du système solaire

L'hypothèse selon laquelle l'étude des comètes peut fournir des indices importants sur le processus de formation du système solaire s'impose dans les années 1950-1960 lorsque les astronomes découvrent que les comètes qui passent près du Soleil prennent leur origine dans une région située au delà des planètes extérieures qui s'étend entre 30 et 100 Unités Astronomiques du Soleil et qui est baptisée ceinture de Kuiper du nom de son découvreur. Or cette partie du système solaire éloignée du Soleil n'a sans doute pratiquement pas été touchée par le phénomène d'échauffement qui a accompagné la transformation de la nébuleuse à l'origine du système solaire. Les comètes, selon cette théorie, sont donc des témoins quasi intacts du matériau d'origine. Par ailleurs selon des théories plus récentes les comètes ont joué un rôle essentiel dans la transformation de la Terre en un lieu favorable à la vie en apportant l'essentiel de l'eau qui baigne la planète ainsi que peut-être les premières briques organiques. L'analyse de la composition d'une comète dans ce contexte devient un objectif scientifique majeur[2].

Le choix du retour d'échantillons de particules cométaires sur Terre

L'envoi d'une mission spatiale à la rencontre d'une comète chargée d'analyser sur place avec des instruments embarqués permettait de glaner de nombreuses inforamtions. Mais l'analyse d'échantillons de poussière interplanétaire et de météorites réalisé de manière régulière sur Terre ont démontré que des informations essentielles pouvaient être obtenues en effectuant des analyses poussées à une échelle inférieure au micron. A ce niveau de détail seuls des laboratoires disposant des instruments les plus récents peuvent obtenir des données précises sur la composition chimique, isotopique et minéralogique. Sur Terre les analyses effectuées peuvent être répétées et recoupées avec celles de laboratoires indépendants. Par ailleurs en disposant d'échantillons sur Terre, de nouvelles analyses peuvent être effectuées plus tard afin de bénéficier des progrès des techniques d'analyse et de l'instrumentation. C'est sur ce constat qu'une mission de retour d'échantillons de comète sur Terre est mise à l'étude[3].

Quelle méthode de capture ?

La NASA envisage pour la première fois de ramener un échantillon de poussière cométaire lors du passage de la comète de Halley en 1986. Mais cette dernière a une orbite rétrograde autour du Soleil : la vitesse de survol est de 70 km/s et seuls des échantillons atomiques auraient pu être récupérés dans ces conditions. Le travail effectué sur cette mission qui n'aboutit pas a conduit les scientifiques à se fixer l'objectif de récupérer des échantillons intacts grâce à des conditions de capture permettant un échauffement modéré malgré l'hypervitesse de ceux-ci. Des matériaux sont testés pour dissiper l'énergie des particules et aboutissent à la sélection des aérogels qui ont été mis au point dans les années 1930[3].

A la recherche de la "bonne" comète

En 1984 est entrepris une recherche systématique de comètes permettant un rendez vous à des vitesses « lentes » (inférieures à 15 km/s) qui doit permettre d'obtenir des échantillons de particules cométaires intactes. Dans la mesure du possible la comète à sélectionner doit permettre de lancer la sonde spatiale à une vitesse modérée et de lui imprimer une accélération pas trop importante pour réduire le coût de la mission. Les autres critères de sélection sont que l'histoire de la comète soit au moins en partie connue et qu'il soit établi qu'elle est encore active c'est-à-dire qu'elle génère un nuage de particules cométaires. La comète Wild 2, qui n'est active que depuis peu, et qui permet un rendez-vous à la vitesse particulièrement basse de 5,4 km/s , répond parfaitement à tous les critères de sélection[3].

Sélection de la mission

La mission Stardust est sélectionnée en novembre 1995 à la suite d'un appel à candidatures lancé en février de la même année. Elle est en concurrence avec Venus Multiprobe une mission destinée à étudier l'atmosphère de la planète Vénus et Suess-Urey une mission chargée de collecter des particules du vent solaire. Stardust est préférée aux deux autres missions car elle répond à une forte attente scientifique, son coût est modéré et la probabilité de réussite est élevée. Stardust est la quatrième mission[N 1]du programme Discovery de la NASA qui rassemble des missions scientifiques de coût modéré (moins de 199 millions $ en 1995 sans compter le lancement) et dont la durée de développement ne doit pas excéder 3 ans. Le Dr Donaldt Borownlee de l'université de Washington à Seattle est désigné en tant que responsable scientifique de la mission, Lockheed-Martin Astronautics à Denver doit construire la sonde et le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA est responsable du projet[4]. Le cout de développement de la sonde est estimé à 118 M$ et celui de la gestion des opérations en vol est estimé à 37 M$[5].

La comète Wild 2

Article détaillé : 81P/Wild.
Diagramme de la sonde

La comète 81P/Wild ou Wild 2 est découverte par l'astronome suisse Paul Wild en 1978. Cette comète avait autrefois une orbite plus circulaire et plus distante du Soleil : son orbite recoupait celle de Jupiter tandis que son point le plus éloigné se situait au niveau d'Uranus. En 1974, Wild 2 est passée à moins de 900 000 km de la planète Jupiter et l'attraction gravitationnelle de la planète géante a modifié son orbite et l'a rapproché de l'intérieur du système solaire. Sa période orbitale est passée de 40 ans à environ 6,4 ans, et le point de son orbite le plus proche du Soleil se situe désormais à 1,6 unité astronomique de celui-ci. La comète jusque là restait inactive à l'approche du Soleil. Sur sa nouvelle orbite, qui la fait passer dans une région plus chaude, elle est devenue active. A l'époque où Stardust est lancé, la comète n'a bouclé sa nouvelle orbite qu'à cinq reprises Du fait du caractère récent de sa phase active il y a de bonnes chances que Wild 2 ait préservé des échantillons de la nébuleuse à l'origine du système solaire[6],[7].


Les autres missions spatiales vers les comètes

La première vague de missions spatiales vers les comètes a lieu lors du passage de la comète de Halley en 1986. A l'époque la NASA, qui fait face à de graves problèmes financiers, doit renoncer à lancer une sonde. L'ESA par contre construit la sonde Giotto qui va survoler Halley mais également la comète Grigg-Skjellerup (1996). La sonde européenne réalise plusieurs premières techniques dont un passage à faible distance d'un noyau d'une comète et est à l'origine de découvertes scientifiques importantes dont la présence de composés organiques dans le noyau de la comète. La comète de Halley est également étudiée à plus ou moins grande distance par d'autres sondes spatiales lancées à la même époque dont ce n'est parfois pas la mission principale : les sondes japonaises Sakigake et Suisei ainsi que les sondes soviétiques Vega 1 et Vega 2.

L'agence spatiale américaine, la NASA, lance par la suite plusieurs missions, aux caractéristiques très différentes, dédiées à l'étude des comètes :

  • Deep Space 1, qui survole la comète Borrelly en 2001 ;
  • la sonde CONTOUR, lancée en 2002, devait survoler les noyaux des comètes Encke et 73P/Schwassmann-Wachmann mais est victime d'une défaillance du moteur qui devait l'injecter sur sa trajectoire interplanétaire ;
  • Deep Impact, lancée en 2005, largue la même année un impacteur de 350 kg sur le noyau de la comète Tempel 1 soulevant plusieurs milliers de tonnes de poussière et de glace : l'analyse par des instruments embarqués et des télescopes spatiaux permet d'en déterminer la composition.

L'agence spatiale européenne lance de son côté en 2004 la sonde Rosetta qui doit recueillir des données sur la composition du noyau de la comète Tchourioumov-Guerassimenko et sur son comportement à l'approche du Soleil[8] qu'elle doit rejoindre en 2014 : la sonde doit se placer en orbite autour de la comète puis, après une période d'observation de plusieurs mois, envoyer, un petit atterrisseur de 100 kg, se poser sur sa surface pour analyser la composition du sol[9]

Objectifs de la mission Stardust

Les trois objectifs scientifiques de la mission Stardust sont les suivants dans l'ordre de priorité décroissant[3] :

  1. Collecter 1 000 particules cométaires d'un diamètre supérieur à 15 μm de Wild 2 et les ramener sur Terre,
  2. Collecter 100 particules interstellaires d'un diamètre supérieur à 0,1 μm et obtenir 65 photos avec une résolution de 67 mètres par pixel du noyau ainsi que de la chevelure de Wild 2,
  3. Avec un même ordre de priorité on trouve :
  • Effectuer sur place des mesures de la composition des particules interstellaires, de la poussière interstellaire et d'autres particules cosmiques
  • Collecter des composants volatiles
  • Mesurer le flux de poussière de la chevelure et sa distribution
  • Mesurer le moment des particules les plus importantes
  • Estimation de la masse de la comète

Les caractéristiques de la sonde

La sonde Stardust avec ses panneaux solaires repliés peu avant une série de tests.

Plateforme

La sonde repose sur la plateforme SpaceProbe développée par Lockheed Martin Astronautics pour les sondes spatiales. Stardust se présente sous la forme d'une boîte rectangulaire de 1,7 m de long, 66 cm de large et de profondeur flanquée de deux panneaux solaires fixes. Stardust a une masse totale de 385 kg (254 kg pour la sonde, 46 kg pour la capsule qui doit ramener l'échantillon sur Terre et enfin 85 kg pour d'ergol[6]. La structure de la sonde est réalisée en nid d'abeilles d'aluminium avec des panneaux en composite carbone.

Boucliers

Le bouclier Whipple central.

En passant à faible distance de la comète Wild1, la sonde va se trouver dans un nuage de particules de petite taille qui, compte tenu de leur vitesse, peuvent occasionner des dégâts importants aux organes vitaux. Pour protéger Stardust des particules cométaires qui heurtent la sonde à une vitesse relative de 6,12 km/s durant son survol, un bouclier Whipple est fixé à l'avant du corps central de Stardust ainsi que devant chacun des panneaux solaires de la sonde. Ce bouclier est composé d'un premier panneau en composite, puis de deux (pour les panneaux solaires) ou trois couches de Nextel espacées et d'un dernier panneau qui pour le bouclier central constitue également une des parois de la structure du corps central de la sonde. Les boucliers situés devant les panneaux solaires sont relativement larges pour compenser les incertitudes concernant l'angle d'incidence des particules[N 2]et l'alignement de la sonde face au flux de particules[3]. Les boucliers permettent d'arrêter une particule de 1 cm de diamètre. Le module de retour SRC (Sample Return Capsule) se trouve à l'autre extrémité de la sonde.

Énergie

Deux panneaux solaires, d'une surface de 6,6 m2 sont disposés de chaque côté du corps de la sonde et lui fournissent son énergie électrique. La puissance disponible est comprise selon la position de la sonde sur sa trajectoire entre 800 Watts lorsque celle-ci se situe à 1 Unité Astronomique du Soleil et 170 W. Les panneaux solaires, repliés au lancement, sont déployés 4 minutes après le début du vol autonome de la sonde. Ils ne sont pas orientables. Au cours de la mission la sonde s'éloigne à presque 3 U-A du Soleil. Les sondes spatiales dont la trajectoire s'éloigne autant du Soleil utilisent généralement des RTG pour leur énergie ce qui les rend indépendant du flux lumineux. Stardust fait face à la perte de puissance de ses panneaux solaires par différents dispositifs d'économie d'énergie[10],[3].

Ordinateur de vol

Le calculateur de bord utilise un processeur IBM RAD6000 32-bits, version du PowerPC dont la fréquence peut être calée sur 5,10 et 20 MHz. Le calculateur fait tourner des logiciels sous le système d'exploitation embarqué VxWorks. Le calculateur dispose de 128 Mégaoctets de mémoire pour les programmes et les données scientifiques dont environ 20% sont alloués aux télémesures. Environ 75 Mo sont alloués aux photos prises par la caméra de navigation, 13 Mo à l'analyseur de poussières cométaires et interstellaires et 2 Mo au compteur de particules. Le calculateur dispose par ailleurs de 3 Mo qui lui permettent de conserver les données même lorsque le calculateur est arrêté[10].

Contrôle d'attitude

La sonde est stabilisée 3 axes durant toutes les phases de la mission. Le contrôle de l'orientation est effectué principalement à l'aide d'un senseur stellaire durant le transit jusqu'à la comète et à l'aide d'une centrale inertielle durant le survol de la comète et les manœuvres de correction de trajectoire. La sonde dispose par ailleurs de senseurs solaires qui sont utilisés comme système de secours. Les corrections d'orientation sont effectuées à l'aide de 8 petits moteurs-fusées de 0,9 Newtons de poussée et de 8 moteurs-fusées de 4,4 N de poussée regroupés par grappes de 4 et fonctionnant avec de l'hydrazine. Ces derniers servent principalement aux modifications de trajectoire mais peuvent être également sollicités pour corriger l'orientation si la sonde était bousculée par une particule de grande taille au moment de la rencontre avec la comète. Pour éviter toute contamination des particules recueillies par la sonde, tous les propulseurs sont montés sur la partie inférieure de la sonde à l'écart du collecteur. Pour la même raison, ils brulent un hydrazine purifié qui brûle sans produire de composés organiques utilisé auparavant par les atterrisseurs des sondes martiennes Viking. Au moment du survol de Wild 2 le contrôle de l'orientation se fait plus précis (fourchette de 0,2°) pour que la sonde bénéficie de la protection des boucliers[6],[3].

Télécommunications

Le système de télécommunications utilise la bande X. L'amplificateur d'une puissance de 15 Watts utilise des semi-conducteurs et le transpondeur a été développé pour la sonde Cassini. La sonde dispose d'une antenne parabolique à grand gain de 0,6 mètres de diamètre, d'une antenne à moyen gain pour l'émission et de trois antennes à faible gain pour la réception seulement. Au moment du survol de Wild 2 le débit est de 7,9 kilobits en utilisant les antennes de 70 mètres du Deep Space Network[6],[10],[3].

Le système de contrôle thermique

Le système de contrôle thermique utilise des méthodes passives et des louvres pour réguler les températures des batteries des semi-conducteurs des amplificateurs. Les couches d'isolant thermique sont également utilisées pour contrôler la température. Lorsque cela est nécessaires, des radiateurs sont utilisés pour évacuer l'excédent de chaleur. Des résistances contrôlées par l'ordinateur de bord ou directement par des capteurs de température sont utilisés pour combattre le froid.

Ventilation de la masse de Stardust par composant[11]
Composant Masse (kg)
Plateforme et instruments scientifiques 254
Capsule retour échantillon 46
Hydrazine (ergol) 85
Masse totale 385

La charge utile

Quatre équipements à vocation scientifiques constituent la charge utile de Stardust.

Le collecteur de particules

Le collecteur de particules de Stardust est constitué par une structure en aluminium dont les lacunes sont remplies d'aérogel.

Le collecteur de particules (Aerogel sample collector) doit collecter les particules de la queue de la comète sur une face et les particules interstellaires sur l'autre face. Ayant la forme d'une grande raquette de tennis d'environ 1 m2 de surface, sa surface cloisonnée est remplie d'aérogel destiné à arrêter les particules cométaires ayant une vitesse relative de 6,1 km/seconde en les préservant aussi intactes que possible. L'aérogel est un gel de silice expansé contenant 99.8% d’air d’une densité pouvant descendre jusqu’à 0,005 g./cm³ qui est utilisé pour la collecte des poussières interstellaires dans l'espace depuis septembre 1992. Quand une particule à haute vélocité entre en contact avec l'aérogel, elle pénètre dedans en y creusant un trou en forme de cône de plus de 200 fois sa propre longueur, qui la ralentit considérablement jusqu'à l'arrêt. Les deux faces de la « raquette de collecte » sont utilisées, l'une pour la collecte de la poussière de la queue de la comète Wild 2, l'autre pour celle des poussières interstellaires.

L'aérogel est distribué entre 132 cellules délimitées par des cloisons en aluminium et de 4 cm2 de surface (soit en tout environ 1 m2). Sur la face exposée aux particules cométaires, chacun des 132 blocs d'aérogel a 3 cm d'épaisseur et est d'une densité croissante entre la surface et la base du bloc (de 0,005 à 0,05 g/cm³) pour améliorer les chances de préserver la particule incidente. Sur la face utilisé pour la collecte des particules interstellaires, les blocs d'aérogel ont une épaisseur d'un cm[12].

Le collecteur est placé dans un conteneur en aluminium scellé par un joint en téflon en U qui doit préserver les échantillons de toute contamination. Pour prélever les particules, la boite s'ouvre à la manière d'une huitre et le système de collecte émerge et présente l'une des deux faces de manière à ce qu'elle soit perpendiculaire à l'axe de progression. Une fois la collecte effectuée, la raquette réintègre le conteneur qui est referméé[13].

La capsule de retour d'échantillon (SRC)

Le collecteur avec son conteneur sont placées dans la capsule SRC (Sample Return Capsule) qui, après s'être séparé de la sonde à proximité de la Terre, effectue une rentrée atmosphérique et doit atterrir dans le périmètre d'une base militaire située dans l'Utah aux États-Unis. La capsule qui pèse 45,7 kg, se présente sous la forme d'un double cône, très ouvert (demi-angle de 60%) du côté du bouclier thermique principal et tronqué sur l'autre face. L'ensemble fait 50 cm de haut de 81 cm de diamètre. Le module s'ouvre à la manière d'une huitre pour permettre le déploiement du collecteur. La capsule comporte un bouclier thermique avant réalisé à l'aide d'un matériau ablatif mis au point pour cette mission par le Centre de recherche Ames de la NASA qui doit lui permettre de résister aux températures élevées rencontrées durant la phase de décélération et un bouclier arrière également ablatif réalisé dans un matériau à base de liège utilisé pour le bouclier des sondes Viking et sur le réservoir extérieur de la navette spatiale américaine. La capsule dispose d'un parachute stabilisateur utilisé à 20 km d'altitude et d'un parachute principal de 8,2 km de diamètre qui se déploie lorsque la capsule se trouve à environ 3 km au-dessus du sol. Un transpondeur VHF doit permettre de localiser la capsule au sol. D'après les simulations effectuées l'atterrissage devrait se faire dans un quadrilatère de 84 km x 30 km entièrement situé à l'intérieur des limites de la base[13],[10].

La caméra de navigation (NavCam)

La caméra NavCam
L'instrument CIDA

La caméra de navigation (Navigation camera ou NavCam) est un système optique ayant notamment servi au pilotage de la sonde lors de la phase de survol du noyau de Wild 2. Il a également permis la prise de photographies à haute-résolution de la comète.

Le système optique NavCam possède une longueur focale de 200 mm, une ouverture de f/3,5 et travaille sur un spectre qui s'étend de 380 à 1 000 nanomètres. Sa résolution atteint 60 microradiant/pixel pour un champ de vision de 3,5 x 3,5 grad. Afin de protéger la caméra de son environnement extérieur (poussières, température...), elle a été placée dans le corps de la sonde. Elle reprend le système du périscope. Un premier miroir, placé derrière un bouclier le protégeant des particules, lui renvoie une image de la comète. Un second miroir, monté sur un mécanisme rotatif motorisé, balaie le ciel et donne à la caméra la possibilité de prendre des images panoramiques, indépendamment de l'orientation du vaisseau. Ce système de deux miroirs permet à la sonde de continuer sa mission dans le cas où l'un des miroirs serait endommagé. Il permet aussi à la sonde de se repérer et de prendre des photographies simultanément.

Ce sous-système a été utilisé pour contrôler visuellement la trajectoire de Stardust lors des phases d'approche et d'éloignement de Wild 2. Cela a permis au vaisseau d'atteindre une distance adaptée au survol de la comète, afin d'assurer une bonne collecte de la poussière cométaire. Parmi les données récoltées par la sonde figurent des photographies couleur haute résolution du noyau de Wild 2. Ces images ont été utilisées par les scientifiques pour modéliser une carte 3D du noyau dans le but de mieux comprendre ses origines, sa morphologie, ainsi que pour repérer les hétérogénéités minérales du noyau et fournir des informations sur la rotation du noyau. La caméra a aussi pris des photographies à travers différents filtres, permettant la collecte d'informations supplémentaires sur la dynamique des gaz et poussières de la queue de la comète.

Au début de la mission, des substances volatiles se sont déposées sur le système optique, altérant ses performances en « salissant » les photographies. Bien que ce problème n'ait pas eu d'impact sur le but principal de la mission, il aurait pu réduire le nombre et la qualité des images de Wild 2. Des radiateurs électriques, utilisés pour maintenir et réguler la température de la caméra, ont été allumés et ont éliminé la plupart des dépôts. Un problème similaire était apparu lors de la mission Cassini-Huygens, résolu de la même manière. La caméra dérive d'un instrument embarqué sur les sondes du programme Voyager, que lequel un capteur CCD a été greffé dans le cadre du programme Cassini et avec une électronique numérique développée pour la sonde Clementine[3].

L'analyseur de poussières cométaires et interstellaires (CIDA)

L'analyseur de poussières cométaires et interstellaires ou CIDA (Comet and Interstellar Dust Analyzer), est un spectromètre de masse à temps de vol menant des analyses de composition des poussières atteignant Stardust. Il est notamment capable de mesurer le temps que met un ion à parcourir une distance donnée, donc de déterminer sa vitesse.

L'instrument CIDA est réalisé par une équipe allemande dirigée par Jochen Kissel de l'Institut Max-Planck de recherche sur le système solaire. C'est une version améliorée des instruments PUMA et PIA embarqués sur les sondes Vega et Giotto[3].

Le compteur de particules (DFMI)

Les différents composants du compteur de particules

Le compteur de particules DFMI (Dust Flux Monitor Instrument) permet de compter le nombre de particules durant la collecte. Il a permis d'estimer que 2 800 particules d'au moins 15 micromètres avec une marge d'erreur de 500 ont été collectées. Les capteurs sont constitués par 2 films de matériau qui permettent de détecter les impacts des particules et de les classer dans 7 catégories s'échelonnant entre 10 − 3 et 10 − 7 grammes. Par ailleurs deux capteurs acoustiques sont montés sur le bouclier central pour détecter les particules les plus massives : le premier se trouve sur la face avant du premier panneau du bouclier, le second est monté sur l'armature de la première couche de Nextel[3].

Historique et déroulement de la mission

De la conception au lancement

Trajectoire de la sonde Stardust de 1999 à 2006

La phase de pré-étude (phase B) s'achève en octobre 1996[5]. La revue critique de définition (Critical Design Review) est passée en aout 1997[14]. L'assemblage de la sonde et les tests débutent en janvier 1998[14]. Stardust est lancée le 7 février 1999 depuis la base de lancement de Cape Canaveral en Floride, par une fusée Delta 2 7426[7]. Après s'être placée sur une orbite d'attente de 213 km, le lanceur poursuit une phase de vol non propulsé d'une demi-heure afin se trouver dans un alignement lui permettant de se placer sur la trajectoire visée puis le troisième étage est allumé : Stardust est placé sur une orbite interplanétaire échappant à l'attraction de la Terre[7].

Transit vers la comète

Durant les deux premières années, la sonde boucle la première des trois orbites qu'elle va effectuer autour du Soleil. Entre le 18 et le 22 janvier 2000 alors que la sonde se trouve au point de son orbite le plus éloigné du Soleil entre Mars et Jupiter, Stardust effectue successivement trois corrections de trajectoire modifiant sa vitesse de 171 m/s pour se placer sur une orbite qui doit lui permette d'effectuer un survol à faible altitude la Terre[15]. Alors que la sonde se rapproche du nouveau du Soleil, la sonde traverse une région dans laquelle les particules interstellaires affluent vers le Soleil. De février à à mai 2000 Stardust effectue une première collecte de poussière interstellaire sur la face B du collecteur. Le 15 janvier 2001 la sonde survole la Terre à une distance de 6 008 km ; l'assistance gravitationnelle de la Terre permet de placer l'engin sur une nouvelle orbite d'une durée de 2 ans et demi qui doit permettre à Stardust d'intercepter la comète Wild. En aout 2002, alors que la sonde se rapproche à nouveau du Soleil, elle débute une deuxième et dernière collecte de particules interstellaires qui s'achève en décembre. Au total Stardust aura tenté de collecter des particules interstellaires durant 195 jours[7]. Le 2 novembre 2002, la sonde passe à moins de 3 300 km de l'astéroïde (5535) Annefrank. Cet événement est mis à profit pour effectuer une répétition de l'enchainement des opérations au sol et à bord de Stardust qui auront lieu lorsque celle-ci effectuera le survol de Wild 2. La rencontre est notamment l'occasion de tester le logiciel chargé de gérer de manière autonome le pointage de la caméra durant les 25 minutes du survol de Wild 2. Ce logiciel dérive d'une version mise au point pour la sonde Deep Space 1. Le résultat est positif : Environ 70 photos sont prises mais l'astéroïde se révèle beaucoup plus sombre que prévu. Les deux autres instruments sont également utilisés avec succès. Annefrank a un diamètre de plus de 6 km soit deux fois plus que ce qui était prévu[16]. La sonde entame une troisième orbite autour du Soleil le 22 juillet 2003. La comète Wild 2 et Stardust sont désormais sur des trajectoires convergentes.

Survol de la comète Wild 2

Le 31 décembre 2003, la sonde pénètre dans la chevelure de la comète, vaste nuage de poussière et de gaz qui entoure le noyau. A compter de ce moment la sonde se déplace avec ses boucliers tournés vers le flux de particules. Le 2 janvier 2004 , après avoir parcouru 3,41 milliards de km en 4 ans, Stardust s'approche de Wild 2 à une distance de 240 km. La comète qui se déplace plus vite que la sonde la dépasse à une vitesse relative de 6,1 km/s. Alors que les scientifiques de la mission s'attendent à ce que le nombre de particules augmente progressivement puis décroisse de la même manière, Stardust traverse brutalement une marée de particules puis une zone qui en est presque dépourvue avant de traverser une deuxième région dense. Selon les données des instruments, la première couche du bouclier est perforée au moins à 10 reprises mais les télémesures indiquent que la sonde ne subit aucun dégât sur ses parties vitales. Durant la traversée de la chevelure, l'analyseur de poussière et le compteur de particules recueillent des données qui sont stockées dans la mémoire du calculateur de bord. Des photos d'excellente qualité du noyau de la comète sont également prises. Six heures après le survol de Wild, le collecteur de particules est rétracté. Le conteneur est désormais scellé jusqu'à son arrivée sur Terre[17].

Retour des échantillons

Ellipse d'atterrissage prévu de la capsule, en rose le terrain militaire de l'Utah
La capsule de retour de Stardust contenant les échantillons de poussières cométaires et interstellaires, sur son site d'atterrissage dans l'Utah, le 15 janvier 2006.

La sonde poursuit son orbite qui la rapproche de la Terre. Stardust doit survoler la Terre à une altitude de 125 km le 15 janvier 2006 à un moment très précis qui doit permettre l'atterrissage de la capsule dans une ellipse de 76 sur 44 km située dans le périmètre de la Zone de test et d'entrainement de l'Utah. Trois manœuvres de correction de la trajectoire sont effectuées durant les 90 jours qui précèdent le survol de la Terre : le 20 novembre 2005, le 5 janvier et le 13 janvier. Il est prévu qu'une dernière correction optionnelle puisse être effectuée le 14 janvier. Une solution de secours a été mise au point consistant à placer la sonde sur une orbite de 3,5 à 4 ans autour du Soleil qui doit fournir à son terme une autre opportunité de faire atterrir la capsule contenant l'échantillon. Le 14 janvier, alors que la sonde est à 110 km d'altitude au-dessus de la Terre, des dispositifs pyrotechniques séparent la capsule de la sonde et un mécanisme écarte la capsule tout en lui imprimant une rotation de 14 à 16 tours par minute pour stabiliser son orientation[17].

Stardust, 15 minutes plus tard, effectue une manœuvre de correction de trajectoire pour se replacer sur une orbite autour du Soleil tandis que la capsule, qui poursuit une trajectoire balistique entame une rentrée atmosphérique. La sonde se déplace à une vitesse de 12,8 km/s et effectue la rentrée la plus rapide de tous les engins spatiaux battant le record établi par Apollo 10 (11,11 km/s). Alors que la capsule se trouve à une altitude de 61 km et 52 secondes après avoir entamé la rentrée, le bouclier thermique de la capsule est porté à sa température maximum (2700 °C). Dix secondes plus tard, la décélération atteint également un pic de 38 g. Elle tombe à 3 g 54 secondes plus tard et 16 secondes plus tard, alors que la capsule se déplace encore à la vitesse de mach 1,4 et à l'altitude de 32 km, un mortier déploie un parachute stabilisateur. A peu près 3 minutes après avoir entamé sa descente, la capsule dont la vitesse horizontale est désormais nulle, entame une descente désormais verticale. La Zone de test et d'entrainement de l'Utah a été choisi car il s'agit du plus vaste terrain militaire des États-Unis. Alors que la sonde se trouve à 3 km d'altitude, le parachute stabilisateur est largué et le parachute principal est déployé. Une balise émettant en UHF dont l'antenne est solidaire d'une des suspentes du parachute est mise en marche pour permettre le repérage. L'émetteur a une autonomie de 20 heures. La capsule se pose le 15 janvier 2006 à 10h10 UTC dans le désert de l'Utah aux coordonnées 40°21.9′N 113°31.25′W / 40.365, -113.52083 et est récupéré par les hélicoptères de la NASA[17]. Stardust est deuxième sonde spatiale, après la sonde Genesis, à ramener des échantillons provenant d'un endroit plus éloigné que la Lune, et la première à ramener des particules d'une comète. C'est également l'objet de conception humaine ayant effectué la rentrée atmosphérique la plus rapide (45 360 kilomètres à l'heure à 125 km d'altitude)[18].

Résultats scientifiques

Arrivée du collecteur.

Méthodologie

Si on estime à quelques milliers le nombre de particules issues de Wild 2 collectées, le nombre de particules interstellaires est lui nettement plus réduit, de l'ordre de la quarantaine. La recherche de ce type de particule dans la structure en aérogel nécessite la prise d'environ 1,5 million de photographies à travers un puissant microscope, chacune couvrant une section extrêmement réduite de la raquette de collecte. Le travail d'analyse des photographies étant démesuré pour une équipe de scientifique, la NASA a lancé un projet faisant appel à la communauté des internautes, nommé Stardust@home (en référence à SETI@home). Suite à des tests préliminaires, 30 000 candidats seront sélectionnés et devront analyser grâce à un microscope virtuel les images qui leur seront envoyées, à la recherche des précieux grains de poussière. L'utilisation de la puissance de calcul des ordinateurs pour réaliser cette tâche n'est pas encore possible, car pour pouvoir déceler ce type de particules, les logiciels de reconnaissance de formes ont besoin d'exemples de traces que ces particules laissent dans l'aérogel.

Remise en question de la théorie de la formation des comètes

La théorie dominante concernant les comètes est que celles-ci sont des objets célestes qui se sont formés au début de la naissance du système solaire au-dela des planètes externes à partir des matériaux qui y étaient présents c'est-à-dire de la glace et de la poussière interstellaire  : cette dernière, générée au cœur d'autres étoiles, faisait partie de la nébuleuse qui en se contractant a généré le système solaire. Les premiers résultats obtenus par la mission Stardust ont remis en question cette théorie. En effet les grains prélevés dans la coma de la comète Wild 2 contiennent de l'olivine, matériau qui ne peut être synthétisé qu'à de très hautes températures (1 300 K) ce qui semble indiquer que le noyau des comètes ont été formés à proximité du Soleil[19].

Par ailleurs un acide aminé, la glycine, a été trouvé parmi les échantillons, confortant la théorie selon laquelle les comètes auraient pu contribuer à l'apparition de la vie sur Terre. Les 72 photos de la comète Wild 2 prises par Stardust montrent un relief beaucoup plus tourmenté que ce qui était prévu. La surface de la comète est jeune : on n'y trouve pas de cratères anciens. Des jets de gaz expulsés depuis la face non éclairée de la comète ont été observés alors que selon la théorie en vigueur ceux-ci sont émis seulement depuis la face échauffée par le Soleil[19].

L'extension de mission NExT

La comète Tempel 1 photographiée par Stardust

A la suite du survol de la Terre et du largage de la capsule de 2006, la sonde effectue plusieurs manœuvres de correction de trajectoire qui la place en orbite autour du Soleil puis elle est placée en mode hibernation avec seulement ses panneaux solaires et son récepteur de communication actifs[20]. En juillet 2007 la NASA décide d'assigner à la sonde une nouvelle mission, Stardust-NExT (pour New Exploration of Tempel 1), qui devrait permettre à la sonde de survoler la comète Tempel 1 à une distance d'environ 200 kilomètres le 14 février 2011, lui permettant ainsi d'effectuer une comparaison avec les données récupérées par la sonde Deep Impact. La sonde doit croiser à angle droit la trajectoire de la comète avec une vitesse relative de 11 km/s au moment de la rencontre. La sonde sera au moment de la rencontre à 1,55 U-A du Soleil et à 2,25 U.A. de la Terre[21].

Objectifs de la mission NExT

Grâce aux données recueillies par Deep Impact avant le passage de Tempel 1 près du Soleil, Stardust va permettre pour la première fois d'étudier les changements apportés au noyau d'une comète par son passage près du Soleil durant lequel la sonde perd une partie de sa matière. La sonde doit notamment effectuer des photos à haute résolution du noyau qui lorsque la comète sera au plus près devrait atteindre 12 mètres par pixel. Les objectifs principaux de la mission NExT sont[22] :

  • Recueillir des informations sur les modifications de la comète intervenues à la suite de son passage à proximité du Soleil
  • Mesurer les caractéristiques de la poussière cométaire de Tempel 1 pour les comparer à celle de la comète Wild 2
  • Fournir des informations complémentaires sur les formations de surface énigmatiques découvertes par la sonde Deep Impact
  • Prendre des photos de la surface du noyau et des jets; mesurer la taille des particules de poussière et leur distribution durant la phase d'approche ainsi que la composition de la poussière.

Un objectif secondaire est de mesurer les modifications apportées à la surface de Tempel 1 par l'impacteur de Deep Impact.

Le survol de Tempel 1 et la fin de la mission

La sonde a atteint son objectif en effectuant un survol de la comète le 15 février vers 5h UTC à une altitude un peu inférieure au 191 km visé. La sonde s'est remise en mode croisière et a transféré les 72 photos prises lors de la rencontre[23]. La sonde, est désactivée le 24 mars 2011 après avoir parcouru 5,69 milliards de kilomètres. Le moteur est mis à feu une dernière fois pour brûler le carburant résiduel  : l'objectif est de comparer la quantité de carburant restant effectivement dans les réservoirs à celle prévue par les modèles de calcul avec l'objectif d'améliorer ceux-ci car il n'existe pas de système de jauge fonctionnant dans le vide[24].

Notes et références

Notes

  1. Les trois premières missions du programme Discovery sont NEAR Shoemaker,Mars Pathfinder, Lunar Prospector
  2. L'angle d'éjection des particules depuis le noyau est influencé par leur masse

Références

  1. Sébastien Rouquette, Cahier de l'espace n°2 : Comètes : un rêve plus loin ! De Rosetta à nos origines, CNES, janvier 2004, 24 p. [lire en ligne (page consultée le 15 mai 2010)] 
  2. (en) NASA, Stardust-NExTPress Kit, NASA, février 2011 [lire en ligne], p. 22-23 [PDF]
  3. a, b, c, d, e, f, g, h, i, j et k (en)D. E. Brownlee, P. Tsou,J. D. Anderson,M. S. Hanner,R. L. Newburn,Z. Sekanina,B. C. Clark, F. Ho¨rz, M. E. Zolensky, J. Kissel, J. A. M. McDonnell, S. A. Sandford,and A. J. Tuzzolino, « Stardust: Comet and interstellar dust sample return mission », JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, 31 octobre 2003
  4. (en)COMET SAMPLE RETURN MISSION PICKED AS NEXT DISCOVERY FLIGHT sur NASA/JPL, 22 novembre 1995
  5. a et b (en)STARDUST COMET MISSION PASSES KEY MILESTONE sur NASA/JPL, 28 octobre 1996
  6. a, b, c et d (en)Stardust NASA's comet sample return : Science - why comet Wild 2 sur NASA/JPL, 26 novembre 2003
  7. a, b, c et d [PDF](en)Stardust Comet flyby : Press kit sur NASA/JPL, janvier 2004
  8. (en) Launch Information. Consulté le 2 mai 2010
  9. (en) Rosetta fact sheet. Consulté le 15/1/2011
  10. a, b, c et d [PDF](en)Stardust launch : Press kit sur NASA/JPL, février 1999
  11. M.D. Rayman et all op. cit. p. 7
  12. [PDF] Faustine GROSSEMY, Des grains cométaires en laboratoire : premiers résultats de la mission Stardust (thèse Paris XI), 19 juin 2008 [lire en ligne], p. 37 
  13. a et b (en)Sample Return Capsule & Collector Grid sur NASA/JPL, 26 novembre 2003
  14. a et b (en)Stardust spacecraft passes critical design review sur NASA/JPL, 22 aout 1997
  15. (en)Stardust Mission Status : 26 janvier 2000 sur NASA/JPL, 26 janvier 2000
  16. (en)STARDUST Successfully Images Asteroid Annefrank During Dress Rehearsal sur NASA/JPL, 4 novembre 2002
  17. a, b et c [PDF](en)Stardust Sample return : Press kit sur NASA/JPL, janvier 2006
  18. C. Davis, M. Arcadi, « Planetary Missons Entry Guide ». Consulté le 18 aout 2009
  19. a et b (en)Dr Don Brownlee, « Newsroom Stardust: A Mission With Many Scientific Surprises » sur NASA/JPL Site Stardust, 29 octobre 2009
  20. (en) Alicia Chang, « Stardust Put In Hibernation Mode », Associated Press, 31 janvier 2006. Consulté le 11 décembre 2007
  21. (fr) Aron Wolf, Joseph Veverka, Kenneth P. Klaasen, Thomas C. Duxbury et Allan R. Cheuvront, « Exploration spatiale : recyclage de "vieux" vaisseaux », Futura-Sciences, 5 juillet 2007. Mis en ligne le 5 juillet 2007, consulté le 11 décembre 2007
  22. (en)Stardust NExT : Mission and Science Objectives sur NASA/JPL Site Stardust NExT. Consulté le 17 janvier 2011
  23. (en)Emily Lakdawalla (blog Planetary Society), « Stardust update: Things seem to have gone well with Tempel 1 flyby », 15 février 2011
  24. (en)Emily Lakdawalla (blog Planetary Society), « NASA's Venerable Comet Hunter Wraps Up Mission », 24 mars 2011

Voir aussi

Articles connexes

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