Missions spatiales

Présentation

Les missions Pioneer 11 et Voyager, bien que destinées à observer le système solaire externe, ont fourni des résultats importants concernant Saturne, Titan et leur environnement. Pour répondre aux nombreuses questions sur le « monde Saturnien » le besoin d’une mission dédiée s’est manifesté. La réponse à ce besoin fut la mission Cassini-Huygens, à laquelle le LPP a participé.

Vue d’artiste de la sonde Cassini en orbite autour de Saturne. Source : NASA

Description de la mission

Premier contact

Les premières observations in situ de l’environnement et des lunes de Saturne ont été effectuées par Pioneer 11. C’était à la fin des années 70, la sonde a effectué un survol de Saturne. Ces observations sont à l’origine de la première détection du champ magnétique intrinsèque de Saturne.

Par la suite, les sondes Voyager 1 et 2 ont également survolé Saturne. Ceci a apporté des précisions sur le champ magnétique de la planète. Comme celui de la Terre, il est supposé dipolaire. Son moment dipolaire est de plus aligné avec l’axe de rotation de la planète. Cependant son intensité est plus forte que celle du champ magnétique terrestre.

Figure 1. Représentation de la magnétosphère de Saturne. Source : NASA

Pioneer 11 et Voyager 1 et 2 ont également révélé l’existence de la magnétosphère de Saturne. La magnétosphère est la région englobant la planète dans laquelle le champ intrinsèque de la planète domine. Ces missions ont mis en évidence l’existence sur Saturne des aurores polaires observées sur Terre. Les aurores sont l’une des manifestations de l’activité magnétosphérique.

Les nombreux satellites naturels de Saturne ont été observés par les missions Pioneer 11 et Voyager, et aussi depuis la Terre. Ces analyses ont mis en évidence l’existence de couplages entre la magnétosphère de Saturne et ses lunes. Titan est le plus gros satellite de Saturne, Les nombreux satellites naturels de Saturne ont été observés par les missions Pioneer 11 et Voyager, et aussi depuis la Terre. Il se trouve alors dans sa magnétosphère. Lors de leurs passages à proximité de Titan les sondes Voyager on pu détecter l’atmosphère de Titan. Celle-ci est riche en azote et en méthane. En revanche, aucun champ magnétique intrinsèque n’a été détecté pour Titan.

A la conquête d’un monde

Les missions Pioneer 11 et Voyager ont fourni des résultats importants concernant Saturne, Titan et leur environnement. Elles ont aussi éveillé la curiosité des scientifiques. Notons que ces missions étaient destinées à observer le système solaire externe. Elles n’ont effectué chacune qu’un survol de la Saturne. Pour répondre aux nombreuses questions sur le « monde Saturnien » le besoin d’une mission dédiée s’est manifesté. La réponse à ce besoin fut la mission Cassini-Huygens.

Figure 2. Vue d’artiste de la sonde Cassini en orbite autour de Saturne. Source NASA

Cassini-Huygens est le produit d’une collaboration entre les agences spatiales américaine, européenne et italienne (NASA, ESA et ASI). La mission fut lancée en 1997 avec pour objectif l’étude de Saturne et de Titan. Elle était à l’époque la mission de planétologie la plus ambitieuse. Les thèmes abordés faisaient intervenir différentes branches de l’astronomie et de l’astrophysique. Les grandes questions étudiées concernent la source d’énergie de Saturne, la structure des anneaux de la planète et les lunes de Saturne, Titan en particulier. Elles traitent également le sujet des interactions entre le milieu interplanétaire, Saturne et ses lunes

Et les plasmas ?

Une analyse complète de la magnétosphère de Saturne faisait partie des objectifs scientifiques de la mission qui comprend des expériences dédiées à la mesure des plasmas. Cassini-Huygens doit éclairer les physiciens des plasmas spatiaux sur les points suivants :

• La configuration globale de la magnétosphère.
• La dynamique et la source du plasma magnétosphérique de Saturne.
• Les phénomènes de sous-orages magnétosphériques, phénomènes auxquels aurores polaires sont liés.
• L’interaction de la magnétosphère de Saturne avec son atmosphère ionisée, appelée ionosphère.
• L’interaction de la magnétosphère avec les satellites (Titan en particulier) et les anneaux de Saturne.

A chaque sonde sa mission

La mission comprend deux sondes distinctes : la sonde Cassini et la sonde Huygens. Les deux sondes ont été lancées par un unique lanceur. Elles se sont séparées quelques mois après leur arrivée dans l’environnement saturnien en 2004.

Le rôle de l’orbiteur Cassini est d’analyser Saturne, ses lunes et son environnement. La sonde Cassini est en orbite autour de Saturne et de ses lunes. Grâce à l’assistance gravitationnelle de Titan, la trajectoire orbitale de Cassini a été régulièrement modifiée. Ceci a rendu possible l’exploration de toutes les zones clés de la magnétosphère. La mission a été prolongée, effectuant entre Avril et Septembre 2017 vingt-deux orbites autour de la planète géante pour s’en rapprocher, traverser ses anneaux et se désintégrer dans son atmosphère le 15 Septembre 2017. Cette phase de la mission a été appelée "grand finale".

La sonde Huygens était dédiée à l’étude de Titan. Un an après la séparation, elle est entrée dans l’atmosphère de Titan et a ensuite pu atteindre sa surface. De cette manière, des analyses de l’atmosphère et de la surface ont été effectuées.

NASA : http://saturn.jpl.nasa.gov/

ESA : http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Cassini-Huygens

LESIA : http://www.lesia.obspm.fr/plasma/cassini/cassini.html

Cluster (mission ESA) a été conçue afin de mener une investigation en trois dimensions sur la magnétosphère terrestre. Le LPP a participé au développement d’une partie de l’instrumentation embarquée sur cette mission et est PI (Principal Investigateur) de l’expérience STAFF.

Figure 1. Vue d’artiste de la mission CLUSTER. Source J. Huart, ESA

Description de la mission

Du Soleil à la Terre

Notre Soleil éjecte constamment du plasma, appelé vent solaire, dans le milieu interplanétaire. Le vent solaire représente un laboratoire naturel de physique des plasmas. Il est accessible aux scientifiques par les mesures in situ effectuées lors des missions d’observation.

Figure 1. Représentation de la relation Soleil-Terre et de la magnétosphère terrestre. Source ESA

La rencontre du vent solaire avec le champ magnétique terrestre se manifeste par la formation d’un bouclier magnétique autour de la planète, la magnétopause, entourant la magnétosphère. Au sein de celle-ci, de nombreux processus physiques se produisent. Certains d’entre eux ont des effets observables depuis le sol : aurores boréales et australes. Ils ont parfois des conséquences sur l’activité humaine : désordres dans les réseaux électriques et les réseaux de télécommunication.

Cluster a été conçu afin de mener une investigation en trois dimensions sur la magnétosphère terrestre et sur les régions d’interface entre deux plasmas différents, en particulier l’interface Vent Solaire-Magnétosphère. Il est donc constitué d’un réseau de quatre sondes identiques*. La mission Cluster est associée à la mission SOHO, dédiée à l’observation du Soleil. Ces deux missions forment le Solar-Terrestrial Science Program (STSP) de l’agence spatiale européenne (ESA).

Un échec puis une renaissance

Le lancement de la mission Cluster devait avoir lieu le 4 juin 1996 avec le premier tir de la fusée Ariane 5. Il s’est soldé par un échec. Ariane 5 a du être détruite quelques secondes après son lancement. L’instrumentation de Cluster embarquée à son bord fut également détruite.

L’ESA a choisi de reprendre la mission à l’identique. Les sondes de la nouvelle mission Cluster II on été lancées en Juillet et août 2000. Leur lancement s’est fait par paire avec deux fusées russes Soyuz et Moliniya. Au vu de la moisson de résultats probants fournis depuis 2000 par la mission Cluster, celle-ci a été prolongée jusqu’à décembre 2018 sous réserve d’une nouvelle revue.

Visiter les régions clés

Les quatre satellites de Cluster permettent d’explorer la magnétosphère terrestre et le vent solaire proche de la Terre. Cluster sonde les régions clés de l’interaction du vent solaire avec la magnétosphère terrestre :

• Le vent solaire au voisinage de la Terre,
• L’onde de choc formée par la rencontre du vent solaire supersonique super-Alfvénique avec la magnétosphère,
• La magnétopause, frontière externe de la magnétosphère,
• Les cornets polaires qui sont les zones de pénétration possible des particules du vent solaire dans la magnétosphère,
• La queue de la magnétosphère.

Les satellites sont en orbite polaire et elliptique autour de la Terre. Les orbites ont un périastre situé à 19000km et un apoastre à 119000km d’altitude (rayon terrestre : 6371km). Ceci autorise des passages dans chacune des régions visées. Le principal objectif de la mission est d’étudier les processus physiques qui ont lieu dans ces régions.

Figure 2. Vue d’artiste de la mission Cluster. Source ESA

S’affranchir des ambiguïtés

Lorsqu’un satellite mesure une grandeur physique qui fluctue deux cas se présentent. Ces fluctuations peuvent être dues au déplacement du satellite dans un milieu stationnaire. On parle alors de variations spatiales. Ces fluctuations peuvent au contraire traduire une évolution de la grandeur au cours du temps. Ce sont dans ce cas des variations temporelles.

La mission Cluster présente une structure innovante formée de quatre satellites identiques. Cette constitution autorise une différenciation dans les observations entre les variations spatiales et les variations temporelles. Ceci est important dans le cas d’un milieu non stationnaire comme la magnétosphère terrestre. Par cela, Cluster se distingue de toutes les missions spatiales qui l’ont précédée dans le cadre des recherches magnétosphériques.

Des mesures en 3D

L’analyse des propriétés tridimensionnelles du plasma et du champ magnétique est la motivation implicite de la mission. Les quatre sondes spatiales qui composent Cluster ont strictement la même instrumentation. C’est grâce à leur vol en formation tétraédrique qu’une analyse en 3D est possible*. Elles mesurent une grandeur physique en même temps aux quatre sommets du tétraèdre.

Dans cette optique, Cluster a été la première mission spatiale à pouvoir estimer localement la densité de courant électrique dans le plasma. Le courant est déterminé à l’échelle du tétraèdre à partir de la mesure du champ magnétique en quatre points. Une autre originalité de la mission est la possibilité d’évaluer les gradients de densité du plasma.

*Avec trois points on définit un plan. Seuls quatre points (bien disposés) permettent de décrire les trois dimensions. Les quatre satellites identiques de Cluster ont été mis en formation tétraédrique dans les régions clés de leur orbite, pendant les premières années de la mission. Ils peuvent effectuer la même mesure simultanément en quatre points différents. Cela permet de déterminer la structure tridimensionnelle de la grandeur mesurée.

Pour en savoir plus sur les outils développés pour ces études en 3D :

• Paschmann G. et Daly, W., Analysis methods for multispacraft data, ISSI Scientific report, 1998.
• Paschmann G. et Daly, W., Analysis methods for multispacraft data revisited, ISSI Scientific report, 2008.

Participation du LPP à Cluster

• La participation du LPP à la mission CLUSTER est très importante.
• Nous sommes laboratoire PI (Principal Investigator) de l’instrument STAFF. Nous avons fabriqué les antennes magnétiques et le module qui délivre la forme d’onde et le LESIA a fabriqué la partie analyseur de spectres STAFF/SA.
• Nous participons aux expériences PEACE et WHISPER en tant que co-I sans avoir fabriqué d’instrument. Nous avons aussi été membre de l’équipe FGM (co-I).
• Consortium WEC : STAFF et WHISPER font partie du consortium WEC (Wave Experiment Consortium), qui regroupe les 5 expériences de mesure d’ondes, dont le LPP (anciennement CETP) a été le coordinateur technique jusqu’à la fin de la période de mise en route (commissioning).
• Référence : A. Pedersen, N. Cornilleau-Wehrlin, B. De la Porte, A. Roux, A. Bouabdellah, P. M. E. Décréau, F. Lefeuvre, F. X. Sèné, D. Gurnett, R. Huff, G. Gustafsson, G. Holmgren, L. Woolliscroft, H. ST. C. Alleyne, J. A. Thompson, P. H. N. Davies, The wave experiment consortium (WEC), Space Science Reviews 79, 93, 1997.

Image  : photo prise au moment de la séparation de 2 satellites, la caméra de l’un des satellites photographiant le bras replié au bout duquel se trouve le fluxmètre de STAFF. (ESA)

• Liste des expériences (et lien vers leur description) :
  • STAFF [cliquer ici]
  • WHISPER [cliquer ici]
  • PEACE [cliquer ici]

Bases de données LPP

• Daily SC Bz only (3 hours plots) [cliquer ici]
• Daily SC 3 components [cliquer ici]
• Daily SA [cliquer ici]
• WHISPER [cliquer ici]
• Cluster Science Archive (ESA) [cliquer ici]

Expérience STAFF

L’expérience STAFF se compose de trois éléments principaux, le magnétomètre alternatif tri-axial et ses préamplificateurs mesurant les composantes magnétiques des ondes dans la gamme de fréquence 0.1 Hz - 4 kHz (voir ci-dessous) et deux modules de traitement des données à bord. Le premier filtre, numérise et transmet les formes d’onde jusqu’à 10 ou 180 Hz. Le second, un Analyseur Spectral (STAFF SA), calcule les coefficients de la matrice spectrale complexe formée par les 5 composantes des ondes électromagnétiques, 3 x B en provenance de STAFF et 2 x E en provenance le l’expérience de mesure des champs électriques EFW de Cluster, ceci dans la gamme de fréquence 8 Hz - 4 kHz. Les senseurs magnétiques et la boîte électronique filtre-forme d’onde ont été réalisés sous la responsabilité du CETP (maintenant LPP), tandis que STAFF SA a été conçu et développé au pôle plasma du LESIA (Observatoire de Paris-Meudon).

Image  : L’expérience STAFF avant intégration sur le satellite : à gauche les 3 antennes sous leur couverture thermique, au milieu les préamplificateurs, et à droite la boîte électronique, l’analyseur spectral STAFF SA en dessous, sur lequel est fixée le module de forme d’onde.

Equipe LPP

P. Canu (PI), N. Cornilleau-Wehrlin (ancien PI), G. Belmont, G. Chanteur, O. Le Contel, A. Retino, L. Rezeau, A. Roux, F. Sahraoui
Informaticiens  : V. Bouzid, R. Piberne, P. Robert, R. Katra
 

Quelques publications clefs

• Robert P., Cornilleau-Wehrlin N., Piberne R., De Conchy Y., Lacombe C., Bouzid V., Grison B., Alison D., Canu P., CLUSTER-STAFF search coil magnetometer calibration - comparisons with FGM, Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems 3 153-177, 2014.
• Cornilleau-Wehrlin, N., L. Mirioni, P. Robert, V. Bouzid, M. Maksimovic, Y. de Conchy, C.C. Harvey, O. Santolík, STAFF Instrument Products Distributed Through the Cluster Active Archive, 159-168, The Cluster Active Archive, Astrophysics and Space Science Proceedings, H. Laakso et al. (eds.), Springer, 2010.
• Cornilleau-Wehrlin N., G. Chanteur, S. Perraut, L. Rezeau, P. Robert, et al.. First results obtained by the Cluster STAFF experiment. Annales Geophysicae, European Geosciences Union (EGU), 21 (2), pp.437-456, 2003.
• Cornilleau-Wehrlin N., Chauveau P., Louis S., Meyer A., Nappa J.M., Perraut S., Rezeau L., Robert P., Roux A., de Villedary C., de Conchy Y., Friel., Harvey C.C., Hubert, D., Lacombe C., Manning R., Wouters F., Lefeuvre F., Parrot M., Pinçon J.L., Poirier B., Kofman W., Louarn Ph., The CLUSTER Spatio-Temporal Analysis of Field Fluctuations (STAFF) Experiment, Space Sci. Rev., 79, (1-2), 107-136, 1997.

Description du fluxmètre alternatif de l’expérience STAFF

Le magnétomètre alternatif est constitué de trois capteurs de longueur 27cm à l’intérieur d’un manteau thermique permettant de lisser les variations de température au cours d’une orbite sans perturber la mesure des champs alternatifs.
Le capteur est installé au bout d’un bras de 5m qui permet d’éloigner les capteurs du corps du satellite où les signaux rayonnés par les autres instruments le perturberaient notablement.

Image  : vue d’artiste qui montre le bras sur lequel est montée l’expérience STAFF (en bas et à droite), Source ESA.

Courbe de bruit en champ magnétique (NEMI) du fluxmètre STAFF/SC : la courbe de bruit en champ magnétique est obtenue en mesurant le bruit en sortie de l’instrument dans un environnement calme (site de l’Observatoire magnétique de Chambon la Forêt). En divisant ce bruit en sortie par la fonction de transfert de l’instrument, on obtient la courbe de bruit en champ magnétique qui donne une idée des champs magnétiques mesurables (dans une bande de fréquence normalisée de 1Hz).

Caractéristiques du magnétomètre de la mission CLUSTER 

• Sensibilité à 10Hz     0.5pT\sqrt{Hz}
• Sensibilité à 100Hz     0.05pT\sqrt{Hz}
• Sensibilité à 1kHz     0.012pT\sqrt{Hz}
• Longueur capteur     27cm
• Masse par capteur (avant enrobage)     120gr (/capteur)
• Masse du tri-axe (3 capteurs enrobés+support mécanique)     env. 1kr
• Masse du dispositif électronique (composants+connecteurs+boitier)     250gr
• Consommation de l’instrument     100mW

Bases de données STAFF

• Base de données LPP STAFF-SC [cliquer ici]
• Base de données LPP STAFF-SA [cliquer ici]

Base de Données STAFF/SA au LESIA

• LESIA STAFF/SA PSD [cliquer ici]
• LESIA STAFF/SA Autres données [cliquer ici]
• Les données complètes archivées de STAFF sont au Cluster Science Archive de l’ESA [cliquer ici].