Missions de l'ESA : Quatre favorites pour la science européenne

Crédits : Ciel et Espace Photos

Cet automne, l’Agence spatiale européenne fera une première sélection de ses futures missions scientifiques pour l’échéance 2015-2025. Leurs thèmes font rêver : rechercher de la vie sur les exoplanètes, percer le mystère de l’océan d’Europe, rapporter un échantillon d’astéroïde, observer les premiers trous noirs…

Dans quelles conditions se forment les planètes et émerge la vie ? Comment fonctionne le Système solaire ? Quelles sont les lois physiques fondamentales dans l’Univers ? D’où vient l’Univers et de quoi est-il fait ? Ces questions profondes, ce sont celles posées par Cosmic Vision, la “feuille de route” scientifique de l’Agence spatiale européenne (ESA) pour les années 2015-2025, définie “au terme de longues discussions avec la communauté des chercheurs”, précise David Southwood, directeur des programmes scientifiques de l’ESA. À partir de cet automne, on pourra associer au moins un nom à chacune de ces questions.
En effet, plusieurs comités constitués de scientifiques européens se réunissent pour choisir, parmi 53 propositions, trois missions spatiales “taille M” et trois “taille L” ⁽¹⁾ qui auront la chance d’être étudiées en détail. Au terme de l’étude, seules une M et une L subsisteront, pour un décollage prévu aux alentours de 2018. Si les résultats ne sont pas connus au moment où ces lignes sont rédigées, quelques missions se détachent cependant du lot. Trois empruntent leur nom à de grands hommes : Darwin, Laplace, Marco Polo. Darwin cherchera des exoplanètes de type terrestre et sondera leur atmosphère pour tenter d’y détecter des indices d’une activité biologique. Laplace observera en détail Jupiter et ses satellites, en particulier Europe, et sera en mesure de dire si cet astre mystérieux cache sous sa croûte gelée un océan qui pourrait abriter des formes de vie. Quant à Marco Polo, elle partira à la rencontre d’un astéroïde et en prélèvera un échantillon pour le rapporter sur Terre, afin d’en tirer de précieux enseignements sur le Système solaire primitif. Du côté de l’Univers très ancien, ce pourrait être la chance de Xeus, un observatoire en rayons X, qui propose une plongée vertigineuse vers les tout premiers trous noirs.
Mais les défis à relever sont nombreux. “Plusieurs missions font appel à des satellites volant en formation. Il faudra aussi maîtriser l’interférométrie dans plusieurs longueurs d’onde, ou la spectrométrie des planètes extrasolaires”, souligne David Southwood. Autant de techniques déjà à l’étude, mais pas encore au point. Elles seront indispensables pour que l’ESA étende ses ambitions d’exploration au-delà de Jupiter et sonde l’Univers profond avec les plus grands instruments. Un changement d’échelle qui, réalisme budgétaire et technologique oblige, ne pourra pas se faire sans coopérations. “Avec les États-Unis, le Japon et la Russie bien sûr, le Canada, mais aussi la Chine et l’Inde”, insiste le directeur scientifique de l’ESA, qui annonce avoir contacté les agences spatiales de ces pays pour lancer des études de faisabilité en commun.

(1) Il s’agit de tailles budgétaires et non pas physiques, qui définissent la participation de l’ESA. M = 300 M€ ; L = 650 M€. La plupart se feront en collaboration avec une autre agence. Darwin, Laplace et Xeus sont des tailles L, Marco Polo est une taille M.

LAPLACE, Vers les mystères de Jupiter et l’océan d’Europe :

Europe cache-t-il un océan sous sa croûte gelée ? La question taraude les planétologues depuis que le satellite de Jupiter a révélé sa banquise craquelée aux sondes Voyager et Galileo. “Grâce à une instrumentation performante, Laplace pourra répondre sans ambiguïté. Mais notre argument fort est qu’avec ce trio de sondes, nous accéderons pour la première fois au système jovien dans sa globalité. En fait, celui-ci ressemble à un mini-système solaire avec un corps, Europe, qui abrite peut-être de la vie dans son océan”, fait valoir Michel Blanc, chercheur au Centre d’études spatiales des rayonnements à Toulouse, et porteur du projet. Mais pourquoi “Laplace” ? Parce que le mathématicien français (1749-1827) a découvert que les orbites des satellites de Jupiter sont dans une “résonance” qui les rend dépendants les uns des autres et de la planète géante. La mission est constituée de trois sondes. La première se placera sur une orbite polaire autour d’Europe, à 200 km d’altitude. Son altimètre mesurera l’amplitude des déformations provoquées par la marée jovienne à la surface d’Europe, qui sera comparée à des modèles. “Une amplitude de l’ordre de 200 m signifierait qu’un océan se cache sous la glace. On pourra estimer l’épaisseur de la couche d’eau”, explique Michel Blanc. Un autre instrument déterminera le champ de gravité.
La combinaison des données permettra de connaître l’épaisseur du manteau de silicates d’Europe, donnant ainsi accès, au moins en partie, à sa structure interne. La deuxième sonde observera les satellites joviens et servira de relais aux données en provenance d’Europe. La troisième tournera autour de Jupiter pour étudier en détail sa magnétosphère.
Laplace devra surmonter de nombreux obstacles, à commencer par les intenses radiations qui traversent l’environnement de Jupiter. Pour leur résister, il faudra des composants électroniques blindés. A priori, seuls les militaires américains possèdent aujourd’hui cette technologie. La Nasa l’a expérimentée avec la sonde Galileo, mais elle reste confidentielle, ce qui imposera sans doute une collaboration avec les États-Unis — le Japon est aussi pressenti pour réaliser l’orbiteur de Jupiter. Quant à la protection planétaire, Laplace devra être conforme aux normes les plus strictes afin d’éviter toute contamination par des micro-organismes terrestres car, au terme de sa mission, la sonde n° 1 va se crasher sur Europe. “Les radiations de l’environnement jovien sont cette fois un avantage, note Michel Blanc : elles sont particulièrement stérilisantes !”

DARWIN, Sommes-nous seuls dans l’Univers ? :

" Le défi lancé à Darwin, c’est d’observer depuis Paris la lumière d’un ver luisant placé juste à côté d’un phare situé à Marseille.” Cette comparaison, Alain Léger, de l’Institut d’astrophysique spatiale (IAS, Orsay), l’a bien rodée. Dès 1993 en effet, il propose avec deux collègues, Jean Schneider et Jean-Marie Mariotti, ce projet fou à l’ESA : un télescope spatial formé de plusieurs satellites capables de chercher des planètes semblables à la Terre et de faire la spectroscopie de leur atmosphère, afin d’y chercher une activité biologique. Et ce, deux ans avant que les Suisses Michel Mayor et Didier Queloz ne découvrent la première exoplanète ! Mais une étude conclut à la grande complexité des techniques à mettre en œuvre, et un programme de recherche et technologie est lancé. Aujourd’hui, il semble toucher au but. La nouvelle architecture de Darwin a permis de simplifier la mission et de réduire son coût. Elle se compose de quatre satellites collecteurs, munis chacun d’un miroir focalisant la lumière sur un satellite recombineur. Là, selon le principe de “l’interférométrie annulante”, la lumière de l’étoile est éliminée pour ne conserver que celle d’une éventuelle planète, qui sera analysée.
Pas d’images spectaculaires à prévoir car Darwin n’est pas Hubble, mais la détection d’eau, de gaz carbonique et d’ozone dans l’atmosphère de ces planètes serait un événement sans précédent. “Ce trio ne peut se former par simple physicochimie, affirme en effet Alain Léger. Il est une signature qui traduit une activité de photosynthèse, donc la présence de vie. L’enjeu de Darwin est considérable. C’est la première mission réellement capable de s’attaquer à la question : sommes-nous seuls dans l’Univers ?”
Si Darwin est sélectionnée en octobre, il restera un gros effort technologique à faire : le vol en formation, nécessaire pour faire voler les satellites de conserve, et surtout les interféromètres élaborés aujourd’hui notamment à l’IAS, qui doivent être améliorés. Si elle voit finalement le jour, Darwin scrutera quelque 200 étoiles situées au maximum à 75 années-lumière de nous. Et si elle ne trouve pas trace de vie, elle aura au moins recueilli des données permettant de mieux connaître les caractéristiques des planètes extrasolaires. En attendant des “super-Darwin”, capables d’observer des milliers d’étoiles à la recherche de nouvelles Terre, aussi foisonnantes de vie que les Galapagos telles que les vit Charles Darwin…

MARCO POLO, Pour quelques grammes d‘astéroïdes :

"Personnellement, je l’aurais bien appelée Rolling Stone. Mais nous nous sommes mis d’accord sur Marco Polo car cet explorateur est le premier à avoir tissé des liens entre l’Europe et le Japon”, s’amuse Patrick Michel, de l’observatoire de la Côte d’Azur. Les deux noms peuvent convenir, puisque la mission ⁽¹⁾ a pour cible ces cailloux qui roulent dans le Système solaire que sont les astéroïdes, et qu’elle se fera en étroite collaboration avec l’agence spatiale japonaise. Celle-ci a tenté en 2005 avec la sonde Hayabusa de rapporter sur Terre un échantillon d’astéroïde, apparemment sans succès ⁽²⁾. C’est ce que fera à nouveau Marco Polo, avec une architecture inspirée de sa devancière. Un orbiteur arrivera à proximité de l’astéroïde choisi et, en frôlant sa surface, prélèvera un échantillon par deux méthodes différentes. L’une, japonaise, met en œuvre un projectile qui pulvérise la surface. L’autre, européenne, récolte des grains plus gros grâce à une sorte de bande adhésive. Enfin, si la technique le permet, un atterrisseur se posera à la surface de l’astéroïde pour faire des analyses in situ et prélever un échantillon, qui sera placé dans une capsule et renvoyé dans l’espace, où la sonde le récupérera avant son retour vers la Terre.
“On récoltera une dizaine de grammes d’astéroïde avec la mission standard et une centaine avec l’atterrisseur”, estime Patrick Michel. Plusieurs cibles ont été envisagées, avec une même caractéristique : des corps sombres, riches en carbone. L’hypothèse de travail est l’astéroïde 4015, un objet mystérieux car, lorsque les astronomes ont remonté le temps en calculant sa trajectoire, ils l’ont retrouvé… sous les traits de la comète Wilson-Harrington, découverte en 1949. Depuis, celle-ci a cessé toute activité. Il est possible que ses couches externes se soient volatilisées, ne laissant que le noyau, ce qui lui donne le caractère d’un astéroïde. “Nous voulons savoir si ces objets carbonés ont pu apporter de la matière organique sur Terre, qui a peut-être contribué à l’apparition de la vie. Pour cela, prélever un échantillon est fondamental. Car les météorites trouvées sur Terre ont été modifiées par les chocs et les rayons cosmiques, et on ne peut pas dire si elles sont représentatives”, souligne Patrick Michel. Si elle réussissait, Marco Polo offrirait aux laboratoires européens la possibilité d’analyser ces corps primitifs, et à l’ESA une place aux côtés des États-Unis et du Japon, leaders dans la course aux “pierres qui roulent”.

(1) Projet porté par Antonella Barucci, de l’observatoire de Paris-Meudon

(2) Hayabusa est actuellement en route vers la Terre, qu’elle est censée atteindre en 2010. Mais un seul de ses gyroscopes fonctionne et il est peu probable qu’il tienne jusqu’au bout.

XEUS, Les premiers trous noirs à portée de télescope :

Xeus (pour X-Ray Evolving Universe Spectroscopy) est avant tout un super-XMM. L’observatoire européen du rayonnement X, qui poursuit discrètement une brillante carrière depuis son lancement fin 1999, doit prendre sa retraite en 2010. Son successeur sera 100 fois plus précis. “Xeus observera des sources très faibles : celles du tout jeune Univers, la naissance des premières galaxies avec les premiers trous noirs, puis leur assemblage en amas. Et il permettra aussi d’étudier la matière sombre et la physique des trous noirs, des plus massifs à ceux de taille stellaire”, s’enthousiasme Didier Barret, du Centre d’études spatiales des rayonnements de Toulouse, impliqué dans le projet dirigé par le Britannique Martin Turner (université de Leicester). Objectif principal : explorer des champs du ciel très profonds, comparables aux “Deep Fields” de Hubble, pour y chercher des sources de rayons X avec des décalages vers le rouge (redshifts) pouvant aller jusqu’à 10 (un milliard d’années après le big bang), et faire la spectroscopie détaillée de ces sources afin d’en identifier les éléments chimiques. Mais Xeus ne fera pas cavalier seul. Ses concepteurs le veulent l’équivalent en rayons X des futurs très grands observatoires, les “ELT” (télescopes “extrêmement grands”) qui succéderont au VLT, ou Alma dans le domaine des ondes radio. Il participera à ce titre à des campagnes d’observation multilongueur d’onde, à l’image du projet international Cosmos pour la cartographie de la matière noire.
Pour parvenir à un tel niveau, la philosophie de Xeus est très différente de XMM. Là où son prédécesseur était monobloc, Xeus sera constitué de deux satellites volant à 50 m de distance, l’un portant l’optique et l’autre le plan focal. Par ailleurs, une nouvelle technologie est étudiée à l’ESA depuis plusieurs années : les optiques HPO (High-precision Pore Optics), en silicium poli, vont remplacer les lourds miroirs métalliques recouverts d’or de XMM. Le gain de poids est considérable. “L’optique ne fait que 1 tonne, au lieu de 50 tonnes selon le principe de XMM”, souligne Didier Barret. Le grand chantier de ces prochaines années sera d’achever la mise au point de ces miroirs magiques.

Jean-François Haït