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L'approche de Pluton par New Horizons et la ceinture de Kuiper

Dossier - New Horizons : 11 kg de plutonium pour comprendre Pluton
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La sonde New Horizons est la première mission du programme d'exploration planétaire New Frontiers de la Nasa, avec Juno (lancée en 2011) et Osiris-Rex (en développement, pour un lancement prévu en 2016). Elle est chargée de fournir la première reconnaissance scientifique du système Pluton-Charon, avec les quatre autres satellites découverts depuis.

  
DossiersNew Horizons : 11 kg de plutonium pour comprendre Pluton
 

Au terme d'un voyage de 6,4 milliards de kilomètres, New Horizons est parvenue devant son objectif principal : Pluton et son monde. Après sa dernière sortie d'hibernation le 6 décembre 2014, la sonde a d'abord vérifié tous les systèmes du bord puis, en février 2015, a commencé les observations durant la longue approche jusqu'au survol du 14 juillet.

Les images du télescope Lorri ont été utilisées pour la navigation et effectuer des corrections de trajectoires. Rappelons que les paramètres orbitaux et les dimensions de Pluton et Charon n'étaient alors connus qu'avec une faible précision. Le capteur MVIC de l'instrument Ralph a également fonctionné, fournissant les premières images en couleurs de la planète naine, qui apparaît bien rouge et, surtout, très contrastée. En effet, si le rouge semble être la couleur dominante de la planète naine, sa surface recèle également des parties blanches et d'autres noires.

La sonde de la Nasa a ainsi pu confirmer la géologie complexe de la planète naine et de son satellite Charon. Plus d'informations dans notre article New Horizons survole Pluton : les dernières observations.

Les surfaces de Pluton et Charon ont également été photographiées en fausses couleurs, ce qui permettra d'en savoir davantage sur la composition de leur surface. Tous les détails dans notre article New Horizons : les surfaces de Pluton et Charon en fausses couleurs.

Image composite de Pluton réunissant celles du télescope Lorri (en noir et blanc) et celles du spectromètre imageur MVIC de l'instrument Ralph, prises entre le 1er et le 3 juillet 2015 à 14,9 puis 8,3 et 7,8 millions de km. © Nasa, JHUAPL, SWRI

La trajectoire et la vitesse de la sonde interdisait la mise en orbite. Depuis la Terre, New Horizons a en effet suivi une trajectoire courte (seulement allongée pour profiter de l'assistance gravitationnelle de Jupiter, qui qui la fait gagné 4 km/s). La sonde est de ce fait arrivée aux abords de Pluton avec un angle d'environ 90° par rapport à la route de la planète naine. Il était dans ces conditions impossible de la mettre en orbite puisqu'il aurait fallu effectuer un virage serré, c'est-à-dire réduire à 0 la vitesse héliocentrique de 14 km/s et atteindre près de 5 km/s dans la direction de Pluton. Une telle correction de trajectoire aurait nécessité des centaines de kilogrammes d'ergol. Actuellement, on ne sait pas faire cela... Une mise en orbite plus économe aurait été possible si New Horizons avait suivi une trajectoire dite de Hohmann qui lui aurait fait progressivement rattraper Pluton sur son orbite. C'est ainsi que l'on procède pour mettre un engin en orbite autour d'une autre planète. Mais Pluton est loin et le voyage aurait alors duré 45 ans...

New Horizons n'a donc effectué qu'un survol de Pluton et de Charon de 24 heures, 12 heures d'approche et 12 heures d'éloignement, le 14 juillet 2015. Durant ce survol, une série d'expériences et d'observations ont été programmées et effectuées en mode automatique. Les antennes n'étaient d'ailleurs pas tournées vers la Terre, sauf, tout à la fin, pour l'expérience radio Rex. Les signaux, à une telle distance, mettent 4 heures et 30 minutes pour effectuer le voyage Terre-Pluton.

Durant les 24 heures de survol, la sonde New Horizons profite des occultations du Soleil et de la Terre pour mener des observations de l'atmosphère de Pluton et, possiblement, de celle de Charon. © Nasa, APL, Jean-Luc Goudet

Durant l'approche, New Horizons a étudié les émissions ultraviolettes de l'atmosphère de Pluton, et ses caméras ont enregistré les meilleures cartes de la surface de Pluton et de Charon dans les radiations bleue, verte et rouge, ainsi qu'une longueur d'onde devant révéler la présence de méthane gelé sur la surface (grâce au capteur MVIC de l'instrument Ralph).

Les instruments ont aussi fourni des cartes spectrales dans le proche infrarouge, tentant aussi de révéler l'influence de l'énergie solaire réfléchie vers la surface de la planète par Charon. Pour ce faire, une corrélation postérieure avec les données fournies durant l'approche a dû être effectuée.

La demi-heure que représente le passage de New Horizons à proximité immédiate de la planète, à 12.500 km, a été mise à profit pour photographier la surface dans les longueurs d'onde visibles et en proche infrarouge, révélant des détails de 60 mètres pour les meilleures images.

Pluton vue par New Horizons à 450.000 km de distance le 14 juillet 2015 peu avant l'approche maximale. Elle révèle une région en forme de cœur, baptisée région Tombaugh (du nom du découvreur de Pluton). Le lobe ouest (à gauche sur l'image) est majoritairement constitué de glace de monoxyde de carbone. Des déplacements de glace semblent s'être produits vers l'est. Contraste et activité s'avèrent plus importants que que pensaient les planétologues. © Nasa/JHUAPL/SwRI

L'étude de l'atmosphère de Pluton

Durant l'éloignement, New Horizons a fait face à la partie de Pluton plongée dans l'obscurité, et a mis cette position à profit pour observer l'atmosphère par transparence sur le bord du disque de la planète. La sonde est brièvement passée dans l'ombre de Pluton. Cette occultation du Soleil a permis à l'instrument Alice de spectrographier le rayonnement solaire à travers le limbe atmosphérique de la planète naine. La sonde a également profité d'une occultation de la Terre par Pluton grâce à l'expérience Rex (Radio Experiment). Des signaux radio auront été envoyés 4 h 30 auparavant par les plus grandes antennes du réseau terrestre DSN (Deep Space Network). Ils sont parvenus sur New Horizons précisément au moment de cette occultation. Cette expérience a fournit des données pfrécieuses sur la composition, la structure et le profil thermique de l'atmosphère. Les résultats n'ont pas encore été transmis à la Terre. Voir notre article : New Horizons dévoile l'atmosphère de Pluton et des coulées de glace.

Le même travail a été effectué pour Charon. Les premiers résultats font conclure qu'aucune atmosphère n'a été mise en évidence.

Les images du survol sont réunies dans notre Diaporama : Le monde de Pluton vu par New Horizons.

L'atmosphère de Pluton vue en contre-jour au moment de l'occultation du Soleil, à 2 millions de kilomètres de la planète naine, sept heures après le survol historique du 14 juillet. Elle se révèle plus étendue que prévu et les premiers résultats montrent une stratification. © Nasa, JHUAPL, SwRI

Transmission des données

À une telle distance, le débit des données est très faible (les lois de la physique imposent que le second est inversement proportionnel au carré de la première). Au niveau de Pluton, à quelque 30 UA, il est de 600 à 1.200 bits par seconde selon les méthodes employées (New Horizons peut utiliser le canal de secours et aussi se mettre en rotation pour améliorer la précision du pointage). C'est la vitesse des modems de la préhistoire de l'informatique... Au niveau de Jupiter, New Horizons travaillait à 38.000 bits/s. Rappelons que Pioneer 10, à la fin de sa mission en 2003, n'envoyait ses données qu'à 16 bits/s...

De plus, sur Terre, le réseau DSN sert à d'autres missions spatiales et ne peut accorder que 8 heures par jour à New Horizons. La transmission des images et des données sera donc très longue. Elle a débuté 12 heures après la rencontre. Les images compressées sont reçues en premier, jusqu'au 20 juillet. La priorité sera ensuite aux données et la transmission d'images (compressées) reprendra le 14 septembre. Le téléchargement complet des données de toutes les expériences et des images non compressées commencera alors et ne s'achèvera... qu'en novembre 2016.

Mission à suivre dans la ceinture de Kuiper

Après avoir expédié toutes ses données, donc à la fin de 2016, New Horizons visera une nouvelle cible : un objet de la ceinture de Kuiper, cet immense anneau de corps glacés qui s'étend de 30 à 50 UA du Soleil. Territoire mal connu, il est censé contenir des objets très anciens, peu modifiés depuis la formation du Système solaire et qui renferment donc des informations sur son histoire. Depuis la fin des années 1990, on y découvre des corps de plus en plus grands, comme Eris d'une taille supérieure à celle de Pluton, et de très variés. Certains sont plutôt blancs, d'autres tirent vers le rouge ou le brun et beaucoup sont accompagnés de satellites, à l'image de Pluton.

Malgré une campagne d'observation qui a débuté avant le départ de New Horizons, il n'a pas été possible de trouver une cible potentielle et le suspens a perduré jusqu'à l'été 2014. Grâce au télescope spatial Hubble, trois corps ont été repérés. Le choix repose sur des critères scientifiques : l'objet doit être de taille importante et présenter un intérêt particulier. Il est aussi technique : la correction de trajectoire nécessaire doit être compatible avec les réserves de carburant. Contrairement à l'impression que donnent les représentations artistiques de la ceinture de Kuiper, la densité des objets y est en effet très faible et la sonde, en allant tout droit, a toutes les chances de ne jamais en approcher un seul.

New Horizons dans l'environnement de la ceinture de Kuiper (vue d'artiste). © Nasa

Après son survol, New Horizons aura suffisamment d'ergol pour une correction de 1°, ce qui est considéré comme une valeur élevée. Parmi les cibles potentielles, PT1 (**Potential Target 1) est la plus facile à atteindre, avec une probabilité de 100 % d'y parvenir et une consommation de carburant qui ne représente que 35 % de ses réserves mais l'objet est petit (30 à 45 km) et faiblement lumineux. PT2 et PT3 sont mieux visibles et plus faciles à pointer mais plus difficiles à atteindre.

La décision sera prise fin 2016. S'il s'agit de PT1, située à 48,4 UA du Soleil et à un milliard de kilomètres de Pluton, la rencontre devrait avoir lieu en janvier 2019. L'espoir initial de s'approcher de deux objets de Kuiper semble s'être éloigné.

Lors de la rencontre, New Horizons suivra un timeline identique à l'exploration de Pluton. Ces études comprennent une projection topographique de la surface, de sa composition, de sa température, une recherche d'atmosphère, et de lunes secondaires.

Saut dans l'infini

Médaille commémorative fixée sur la partie extérieure de la sonde New Horizons, symbolisant la Floride, son lieu de départ. La sonde embarque aussi une pièce de monnaie du Maryland, où se trouvent l'université John Hopkins et le laboratoire APL, qui gère la mission. On y a installé aussi 2 CD, avec les noms d'internautes et des photographies ainsi qu'un morceau du vaisseau suborbital Space Ship 1, de Virgin Galactic. Enfin, New Horizons emporte aussi un peu des cendres de Clyde Tombaugh, découvreur de Pluton en 1930, décédé en 1997, et qui avait parlé de son désir d'aller dans l'espace. © Nasa

Après ces dernières observations, New Horizons poursuivra sa route au-delà de la ceinture de Kuiper en direction de l'espace interstellaire. Sa vitesse en effet supérieure à la vitesse de libération du Soleil à cette distance (environ 6 km/s).

Comme les vaisseaux Pioneer et Voyager, New Horizons échappera donc à la gravitation du Soleil et quittera à tout jamais notre Système solaire, sans espoir de retour.