Colloque « Espace et éducation »

Rosetta, vers la connaissance des petits objets du Système solaire

Denis Moura, responsable des projets d'étude et d'exploration de l'Univers au Cnes

En tant que responsable des contributions françaises à la mission Rosetta j'ai accompagné le développement de cette mission sur les sept dernières années. La mission a été tirée avec succès le 2 mars 2004. Les tests en orbite réalisés depuis montrent que le satellite est en parfait état de fonctionnement.

Cette mission, d'un coût élevé (1 milliard d'euros) va permettre à l'Europe de réaliser plusieurs premières mondiales : la science cométaire est en effet l'un des rares domaines dans lequel nous devançons nos collègues américains.

Objectifs de la mission

Le premier objectif scientifique de cette mission consiste à mieux comprendre la formation du Système solaire. Tout ce que l'on observe directement ou indirectement dans les autres systèmes planétaires montre en effet que notre Système solaire semble très atypique : tous les autres systèmes planétaires connus aujourd'hui ont des planètes géantes gazeuses qui orbitent très près de leur étoile. Ceci contredit la théorie couramment admise pour le Système solaire conduisant à penser que seules des planètes telluriques peuvent se former près de leurs étoiles, en particulier grâce à l'accrétion de comètes qui sont supposées se former très tôt dans la création d'un système planétaire. Caractériser la composition chimique et minérale d'un noyau cométaire va donc permettre de conforter ou d'infirmer cette théorie. L'Univers est constitué de gaz et de poussières. Ces éléments, par des phénomènes électrostatiques, gravitationnels, etc. s'agrégent pour former des corps de plus en plus massifs. Les comètes sont l'une des étapes, probablement la dernière, avant les formations des planètes telluriques, astéroïdes et planètes géantes. Les comètes actives, celles que nous observons depuis la Terre, viennent en général d'au-delà de Neptune. Il est prédit qu'un réservoir de plusieurs milliards de comètes existe aux confins du Système solaire et, de temps en temps, des perturbations gravitationnelles (comme le passage à proximité d'un autre système planétaire) conduisent quelques comètes à plonger dans notre Système solaire. Il existe alors trois possibilités. Ces comètes peuvent être complètement capturées et absorbées par le Soleil. Elles peuvent également ressortir du Système solaire après un passage unique. Enfin, dans certains cas intermédiaires, des perturbations gravitationnelles modérées (celles, le plus souvent, de planètes géantes) les conduisent à devenir périodiques. Elles restent alors dans le Système solaire sur des orbites très différentes de celles des planètes et sont visibles depuis la Terre selon des échelles temporelles très variables (comète de Halley tous les 75 ans).

Une autre question fondamentale à laquelle la mission Rosetta vise aussi à répondre est celle de l'émergence de la vie. Apparaît-elle spontanément ou certaines briques de base sont-elles véhiculées largement dans l'Univers pour faire émerger la vie dès que les conditions d'environnement s'y prêtent ? L'analyse spectrométrique de la lumière réémise par la queue des comètes prouve que les gaz qui y sont présents contiennent des molécules carbonées complexes. Une question fondamentale est donc de savoir si ces molécules sont aussi présentes dans le sol même du noyau ou si celles-ci ont été créées par les processus intervenant dans la formation des queues (vent solaire…). Il est donc nécessaire de réaliser une mission spatiale pour caractériser chimiquement et biologiquement l'atmosphère d'une comète mais également son sol. D'autre part, ces mesures vont permettre de mieux comprendre le rôle potentiel que joue l'eau apportée par les comètes dans l'émergence de la vie. À ce titre, nous pensons aujourd'hui qu'environ 20 % de l'eau terrestre provient de comètes.

Enfin, parmi les attraits de ce type de mission, il faut reconnaître que les comètes ont toujours intrigué et fasciné les hommes, perçues comme heureux ou funestes présages, simples phénomènes atmosphériques…

Difficultés techniques

Lancer une mission consacrée à une comète représente un défi majeur car ce type de cible est très distant et mal connu. Le nombre de comètes accessibles est, de plus, limité car la technologie actuelle ne permet pas de faire des trajectoires directes. Pour rejoindre une comète, l'idéal serait en effet de partir de la Terre sur une orbite permettant en un seul arc d'effectuer un rendez-vous. La technologie, en termes de lanceur et de système de propulsion, ne le permet cependant pas. Il convient donc d'utiliser les possibilités que nous offre la nature : les champs gravitationnels des planètes. L'idée de base consiste à se servir de la gravité des planètes pour modifier la trajectoire du satellite sans consommer de carburant.


Rosetta en cours d'essais thermiques. © Esa-Cnes.

La recherche de cibles et de trajectoires est donc une tâche complexe. Nous avions choisi initialement la comète Wirtanen, mais des soucis liés au lanceur nous ont conduits à repousser le tir. Nous avons donc changé de cible et notre nouveau choix s'est porté sur la comète Churyumov-Gerasimento, du nom des deux astronomes ukrainiens qui l'ont découverte en 1969. Les images de ce noyau cométaire prises depuis la Terre montrent une structure dissymétrique avec de nombreux jets. En effet, quand la comète s'approche du Soleil, les matériaux volatiles du noyau dégazent et des poussières sont alors entraînées. Ces jets sont grandement influencés par la rotation propre du noyau : ils ne sont pas continus puisqu'ils sont issus de zones qui sont au Soleil et qui se réchauffent plus ou moins selon leurs caractéristiques. Certaines zones évacuent donc de la poussière et des gaz plus ou moins violemment. La chevelure, qui est l'enveloppe à grande distance de ces jets, est créée uniquement à partir du moment où le flux solaire est suffisant et cela explique pourquoi elle apparaît seulement quand la comète s'approche du Soleil. Cette chevelure, ou coma, se structure en deux queues sous l'effet de la pression du vent solaire : celle formée par les poussières, de masses élémentaires plus élevées, garde la mémoire de la trajectoire initiale du noyau alors que celle des gaz, de plus faibles masses et donc inerties, est complètement balayée par le vent solaire.

Les premières images d'un noyau cométaire ont été réalisées par la sonde européenne Giotto qui a survolé en 1986 la comète de Halley à très faible distance (quelques centaines de kilomètres). À notre grande surprise, leur analyse a montré un noyau cométaire très sombre ne réfléchissant que quelques pourcents seulement de la lumière du Soleil. C'est ainsi que notre vision des noyaux cométaires a considérablement évolué : d'un modèle de " boule de neige sale " nous sommes passés à un modèle de " boule de poussières ", en partie carbonées, glacées. De plus, le relief d'un noyau cométaire est apparu très hétérogène à petite échelle, avec toutes les structures géomorphologiques possibles : cratères d'impact, volcans, vallées, montagnes, falaises...

Lancement et déroulement de la mission

Le lancement, effectué le 2 mars 2004, a été techniquement original. En effet, contrairement aux tirs courants où les étages de la fusée s'allument les uns à la suite des autres, Ariane a été un satellite passif de la Terre pendant 2 heures 30 minutes, avant d'allumer son dernier étage pour assurer l'injection en orbite interplanétaire. Cette


Vue d'artiste du Lander et de Rosetta. © Cnes.

stratégie, jamais testée auparavant, a parfaitement fonctionné, à tel point que la réserve de carburant du satellite pourra être utilisée pour survoler deux astéroïdes primitifs pendant la trajectoire vers la comète.

L'orbite sur laquelle le satellite a été injecté va le faire revenir un an plus tard à proximité de la Terre. Nous allons alors utiliser le champ de gravité pour modifier sa trajectoire et le diriger vers Mars. Le champ de gravité de Mars modifiera à nouveau la trajectoire du satellite en février 2007 pour le faire revenir vers la Terre et bénéficier à nouveau deux fois de son assistance gravitationnelle (novembre 2007 et novembre 2009). La trajectoire sera alors suffisamment allongée pour pouvoir faire un rendezvous avec la comète cible dans de bonnes conditions (en août 2014 ; orbites tangentes et rendez-vous à grande distance du Soleil, avant dégazage du noyau). Du fait de ces nombreuses assistances gravitationnelles et orbites autour du Soleil, la durée de la mission est d'environ 10 ans et demi, soit la limite du raisonnable pour une carrière professionnelle si on intègre les 7 ans du développement.

Les engins spatiaux

L'originalité du satellite Rosetta réside dans sa source de puissance. En général, audelà de l'orbite de Mars, une source de puissance électrique basée sur des dispositifs nucléaires est utilisée. N'ayant pas investi dans cette technologie en Europe, nous avons développé pour cette mission des cellules solaires spéciales qui peuvent fonctionner à très basse température et à très bas niveau d'illumination solaire. Près de la Terre, les panneaux solaires génèrent environ 6 kilowatts mais seulement 400 watts à la distance maximale (au-delà de l'orbite de Jupiter). L'architecture mécanique du satellite est classique avec une caisse centrale, deux ailes de générateur solaire et bien sûr une grande antenne pour communiquer avec la Terre.

L'originalité technique la plus importante porte sur l'atterrisseur que le satellite principal larguera depuis son orbite autour du noyau. L'ingénierie de ce petit véhicule a été complexe car nous ne connaissons pas, par définition, les caractéristiques du sol du noyau. De ce fait, plusieurs chaînes indépendantes, chacune adaptée à un type de terrain, ont donc été implantées pour remplir une même fonction. Au moment de l'atterrissage, le grand danger est de rebondir, car la gravité est presque nulle. Si le sol est très dur, le seul moyen de s'ancrer consiste à tirer un harpon. Si le sol est peu dense, nous utiliserons alors des dispositifs plus sophistiqués qui correspondent à des sortes de mèches qui pénétreront dans le sol. En sus, un dispositif propulsif plaquera au sol l'atterrisseur pour lui éviter de rebondir. Cette complexité explique le fait que le développement ait été si long : il a fallu effectuer des simulations, construire puis tester divers modèles.


Vue d'artiste du Lander sur la comète. © Cnes.

Quelques pistes pédagogiques

Pour finir, je me propose de lancer quelques idées d'axes pédagogiques. Il est par exemple possible d'effectuer une comparaison entre notre Système solaire et les autres systèmes planétaires découverts, qui sont très différents du nôtre. L'étude géomorphologique des comètes est également intéressante et nous disposons aujourd'hui d'une photo bien meilleure que celle de la comète de Halley grâce à la sonde américaine Stardust qui a photographié le noyau de la comète Wild 2. En SVT une question fondamentale consiste à réfléchir sur la caractérisation de la vie et sa détection. La compréhension de la trajectoire du satellite Rosetta mais aussi la stratégie d'atterrissage peuvent être étudiées assez facilement en physique. Enfin, l'étude de l'eau et des matériaux cométaires présente aussi de l'intérêt pour la chimie, tout comme la fabrication, dans le cadre de TP, des matériaux cométaires, du moins tels que nous les imaginons aujourd'hui.

Il ne faut pas croire que ces travaux sont très complexes. Ils sont, bien au contraire, très faciles au premier niveau pour des lycéens. La maîtrise de l'anglais est cependant indispensable : il n'est tout simplement pas possible aujourd'hui de faire une carrière scientifique sans maîtriser cette langue.

Échanges avec la salle

De la salle : Vous avez donné un certain nombre de pistes par rapport à quelques disciplines mais d'autres manquent à l'appel. Les sciences et techniques industrielles sont rarement citées. Cela m'aurait intéressé que vous proposiez une piste pour permettre à nos élèves d'appréhender et de comprendre ce domaine. Vous avez, ainsi, parlé de systèmes de harpons. Nous pourrions former nos élèves à imaginer, concevoir et fabriquer de tels systèmes. Comment cette idée est-elle apparue ?

Denis Moura : Je suis sensible à votre argumentation, mais il faut être conscient d'une difficulté sérieuse : les documents nécessaires sont généralement des propriétés industrielles et ne peuvent donc pas être diffusés.

Sébastien Rouquette : Je vous rappelle l'existence d'une collection "Les Cahiers de l'espace" dont le sixième numéro vient de paraître. Peu d'exemplaires sont disponibles, cependant ils sont téléchargeables gratuitement sur notre site Web. Je vous présente également un autre support, il s'agit d'un produit encyclopédique qui s'appelle Big Bang. Nous avons réalisé le volume relatif à l'espace. C'est un livre illustré abordant de très nombreux domaines, accompagné d'un cédérom, riche d'animations tout à fait spectaculaires. Je vous remercie d'avoir assisté à cet atelier.


Actes du séminaire national - Les sciences de la vie et de la Terre au XXIème siècle : enjeux et implications 15 et 16 décembre 2004

Mis à jour le 15 avril 2011
Partager cet article
fermer suivant précédent