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Mission Cassini : le saut final
Elle a révolutionné les connaissances sur Saturne. Suscité de nouvelles interrogations sur le système solaire. La mission Cassini-Huygens de la Nasa, de l’Agence spatiale européenne (ESA) et de l’Agence spatiale italienne (ASI) s’achèvera le 15 septembre 2017, après un voyage de 20 ans. Ce jour-là à 12 h 31 (heure de Paris), la sonde Cassini pénétrera dans les hautes couches de l’atmosphère saturnienne, à une altitude de 1 920 km au-dessus des nuages1. Elle entamera une descente durant laquelle elle s’efforcera de maintenir le plus longtemps possible, grâce à ses propulseurs, son antenne orientée vers la Terre. Durant les une à deux minutes d’une chute vertigineuse de 420 kilomètres, elle enverra des informations sur la composition des gaz et des plasmas, les températures et le champ magnétique des milieux rencontrés. Avant de cesser brusquement d’émettre et de se désintégrer sous l’effet combiné des fortes turbulences et de la formidable chaleur produite par sa traversée de l’air à 111 000 kilomètres à l’heure. L’odyssée de « Cassini » sera terminée.
Nul doute qu’à cet instantFermer Compte tenu des 83 minutes mises par le signal radio pour franchir la distance entre la Terre et Saturne, ils devront attendre 13 h 54 pour être avertis., les astronomes du monde entier auront un pincement au cœur. Tant fut extraordinaire l’aventure que leur a permis de vivre cette machine envoyée à 1,43 milliard de kilomètres de notre planète.
Une prouesse technique et humaine
Extraordinaire tout d’abord par sa durée. Imaginée en 1982, lancée en 1997, la sonde arrive dans la région de Saturne en 2004, après un long périple à travers le système solaire au cours duquel elle survole Vénus (par deux fois), la Terre et Jupiter. Prévue au départ pour quatre ans, la mission effectuée sur place en totalisera finalement treize. Elle permettra aux scientifiques d’observer la planète géante et sa lune Titan pendant deux saisons entières de l’année saturnienne – qui dure 29 années terrestres.
Ensuite, sur le plan technologique et humain. Pour économiser le carburant des sondes, Cassini-Huygens a expérimenté une méthode qui n’avait jusqu’ici été testée que pour la sonde Galileo, lancée par la Nasa autour de Jupiter. Il s’agissait de se servir de l’attraction gravitationnelle de Titan pour les changements d’orbite. En modifiant sa vitesse à chacun de ses 127 survols de la lune, la sonde a pu naviguer à travers le système de Saturne beaucoup plus longtemps que prévu.
On lui doit également l’atterrissage d’un engin spatial dans le système solaire extérieur le plus lointain jamais réalisé à ce jour : emportée à bord de l’orbiteur Cassini, la sonde Huygens, développée par les chercheurs européens de l’ESA, s’est posée le 14 janvier 2005 sur le sol de Titan. Une prouesse scientifique de haute volée qui a permis aux astronomes de recueillir, pour la première fois, des images de la surface du plus grand satellite de Saturne. Une performance technique d’autant plus réjouissante que « “Huygens” n’avait pas été conçue au départ pour se poser mais seulement pour effectuer une descente dans l’atmosphère de la lune », se souvient l’astrophysicienne Athéna Coustenis, directrice de recherche CNRS au LESIA2 et engagée dans la mission depuis le début.
19 pays participants, 4 000 publications
La collaboration internationale autour de cette mission aura d’ailleurs été exceptionnelle, puisqu’elle réunit trois agences spatiales représentant 19 pays, avec à son bord 18 instruments scientifiques – 12 sur Cassini et 6 sur Huygens. Les données recueillies ont été exploitées par des milliers de chercheurs dans 26 nations. La construction de ces instruments a impliqué des dizaines d’équipes, dont nombre du CNRS3, qui s’est distingué par des responsabilités importantes tout au long de la mission.
Enfin et surtout, la mission Cassini-Huygens occupera une place à part dans l’histoire de la conquête spatiale en raison de ses découvertes. Selon un décompte de la Nasa, celles-ci avaient, à la date du 29 août 2017, déjà donné lieu à 3 948 publications scientifiques. Elles sont si nombreuses et parfois si inattendues qu’elles ont contribué non seulement à bouleverser les connaissances sur Saturne et ses 62 satellites (dont six ont été mis au jour par Cassini), « mais aussi, estime Athéna Coustenis, à changer radicalement l’idée que se faisaient les astronomes du système solaire en général ».
Le mystère de Titan se dissipe
L’observation détaillée d’un monde comme Titan fut l’occasion d’énormes surprises. « Jusqu’en 2004, les spécialistes savaient peu de chose sur le plus gros des satellites de Saturne – 5 100 km de diamètre – qui n’avait été vraiment survolé qu’une seule fois, en 1980, par la sonde Voyager 1 », raconte François Raulin, chercheur au LISA4 et scientifique interdisciplinaire (IDS) en charge de l’exobiologie pour la mission Cassini-Huygens. La nature de sa surface, cachée sous les brumes opaques couleur orangée qui l’enveloppent, était un mystère. Au point que les ingénieurs redoutaient que Huygens finisse noyée ou engloutie dans un océan ou des marécages une fois arrivée au sol. Grâce aux informations récoltées par la sonde, et aux 127 survols de la lune effectués par la suite par « Cassini », ce corps céleste a livré une partie de ses secrets. On connaît désormais la composition de ses aérosols ainsi que la température et les constituants de son atmosphère – dominée comme celle de la Terre par de l’azote (96 %), mais aussi riche en méthane et dans laquelle les chercheurs ont eu la surprise de détecter la présence d’ions organiques dans sa partie ionosphérique, à mille kilomètres d’altitude. « Une grande partie de sa surface a été décrite, poursuit François Raulin, mettant en évidence une diversité insoupçonnée ».
Montagnes et cratères – peu nombreux, ce qui indique une surface géologiquement jeune –, avec d’éventuelles traces de « cryovolcanismeFermer Volcanisme résultant de la fusion de glace sur certains satellites des planètes géantes. », champs de dunes de nature encore inconnue dans les régions équatoriales, présence de 200 lacs et d’une mer alimentés par des réseaux fluviaux où se répandent du méthane et de l’éthane à l’état liquide, dans la partie nord…
Les données ont été récoltées durant deux saisons entières de la lune (au cours desquelles les astronomes ont vu sa couverture nuageuse évoluer, diminuant au pôle nord et augmentant au pôle sud). Elles ont fini par donner de Titan l’image d’un astre, certes différent de la Terre par ses matériaux, mais incroyablement proche de cette dernière par ses propriétés géophysiques. Un cycle du méthane y façonne des « paysages » et y gouverne un climat, ressemblant étrangement à ceux de notre planète, dominée quant à elle par un cycle de l’eau. Et, remarque Stéphane Le Mouélic, ingénieur de recherches au LPG5 de Nantes, collaborateur de l’instrument VIMS de Cassini : « Tout comme la Terre, Titan possède des étendues liquides directement exposées à une atmosphère. » Ce qui en fait un cas unique dans le système solaire !
Encelade, une lune habitable ?
La vie ailleurs est, avec Encelade, au centre d’une des autres grandes révélations de Cassini-Huygens. Avant son arrivée sur place, cette petite lune de Saturne, de 500 kilomètres de diamètre seulement, était considérée comme un astre mort. Aucun spécialiste ne se serait risqué à envisager qu’elle puisse présenter une trace quelconque d’activité. Mais, en 2005, la sonde Cassini observe que d’énormes panaches de vapeur d’eau et de grains de glace sont émis au niveau de sa surface, dans une région du pôle sud fortement fracturée. Les 23 survols qui seront effectués au total par l’engin spatial aboutiront à la conclusion que ces jets de plusieurs centaines de kilomètres de haut correspondent vraisemblablement à des remontées de liquides d’un océan sous-glaciaire. Celui-ci serait peut-être à l’origine de phénomènes semblables à ceux qui se manifestent, sur Terre, au niveau des sources hydrothermales des dorsales océaniques. Il s’agit là d’une énorme surprise, car jusqu’alors, le seul corps du système solaire connu pour posséder une « mer intérieure » était le satellite Europe de Jupiter (qui est plus près du Soleil). Les astronomes ayant démontré en 2012 que Titan cachait aussi dans son sous-sol un compartiment de ce type, c’est la notion même de « zone d’habitabilité » – c’est-à-dire de région des systèmes solaires où l’on pourrait trouver de l’eau à l’état liquide à la surface ou à l’intérieur de corps célestes –, qui a été remise en question par la mission Cassini-Huygens.
Les anneaux : un disque vinyle multicolore
Cette odyssée aura aussi permis d’en apprendre un peu plus sur un ensemble d’objets emblématiques de Saturne : les fameux anneaux. Sur les images envoyées par la sonde, ces derniers forment une sorte de disque vinyle coloré de gris, d’ivoire, de bleu, de rouge et de noir, dans lequel on distingue aisément quatre régions (les anneaux A, B, C et la division Cassini). Constituées d’une multitude de « particules » de glace d’une taille comprise entre le millimètre et le décamètre, elles seraient faites à 99 % d’eau, même si certains astronomes contestent ce chiffre et avancent l’idée qu’elles cachent des quantités importantes de silicate, de fer ou de molécules organiques.
Un grand apport de Cassini est d’avoir démontré le rôle joué par les satellites de Saturne dans la composition et la dynamique de ces structures. La sonde a prouvé que la glace larguée dans l’espace par les jets d’Encelade avait fini avec le temps par créer l’anneau E extérieur. Et que le déplacement de la lune Prométhée sur son orbite expliquait les ondulations qui parcourent la surface de l’anneau F. En scrutant le disque dans des parties plus internes, elle a aussi démontré que certaines « lacunes » étaient dues à la présence de petites lunes comme Pan, dont les déplacements creusent des sillons dans la surface glacée. L’épaisseur de cette dernière est variable. Dans les régions A et B, elle peut atteindre plusieurs milliers de mètres. L’équivalent de la taille d’une montagne !
Révélations du « grand final »
Toutefois, les meilleures découvertes sont sans doute à venir. En effet, l’un des objectifs de la toute dernière phase de la mission – le « grand final » – qui a démarré le 22 avril 2017, est de tenter d’évaluer leur masse, grâce aux données gravimétriques qui auront été recueillies lors d’une série de 22 « plongées » entre Saturne et leur partie interne. Une information qui donnera aux astronomes le moyen de trancher entre les différents scénarios relatifs à leur genèse.
« Mais, d’ores et déjà, constate Jean-Pierre Bibring, astrophysicien à l’IAS6 qui a contribué au développement de l’instrument VIMS, le système saturnien, avec sa planète géante, ses satellites qui interagissent avec les anneaux, les alimentent en matériel et les perturbent, est devenu pour les astronomes un laboratoire pour l’étude de certains phénomènes dynamiques clés se manifestant à plus grande échelle. Notamment, ceux qui conduisent à la formation et à l’évolution des systèmes stellaires, dans leur diversité. »
Enfin, grâce à une partie des 453 048 images et 635 gigaoctets de données glanées par Cassini-Huygens, Saturne est elle-même mieux connue. Placée aux premières loges durant treize ans, la sonde a décrit comment le climat de la planète géante change en fonction des saisons. Elle a assisté en direct au développement et à la fin d’une énorme tempête lors de l’équinoxe. Des clichés inédits ont été réalisés du fameux motif nuageux hexagonal qui occupe en permanence, au nord, les hautes latitudes.
Le « grand final » de Cassini sera, là aussi, l’occasion d’aller plus loin. En effet, l’ultime phase de la mission apportera pour la première fois des informations in situ sur la composition de l’atmosphère saturnienne. Elle permettra par ailleurs de cartographier avec précision son champ de gravité, afin d’en déduire la taille de son éventuel noyau ou de déterminer si les structures en « bandes » et en « ceintures », visibles à sa surface, se développent en grande profondeur. Elle pourrait enfin contribuer à expliquer pourquoi Saturne est la seule planète du système solaire à posséder un champ magnétique aligné avec son axe de rotation. Ce curieux phénomène est probablement à l’origine de la difficulté qu’ont les astronomes à préciser la durée des journées saturniennes dont les longueurs semblent fluctuer dans les enregistrements, de plus ou moins 1 h 45. En mesurant très précisément le champ magnétique de Saturne et son rayonnement radio, l’engin spatial devrait, là encore, apporter des réponses… Fin de la mission ou pas, les astronomes sont encore loin d’en avoir terminé avec Cassini-Huygens. ♦
Pour suivre en direct le « Grand finale » de la mission, rendez-vous sur le site de la Cité des sciences et de l’industrie le vendredi 15 septembre à partir de 11 heures.
Voir aussi les vidéos du CNRS publiées sur Dailymotion : Radio Saturne, Titan, Encelade et MerciCASSINI.
- 1. Saturne étant une planète gazeuse, elle n’a pas de sol. Les altitudes sont calculées à partir du haut des nuages où la pression est censée atteindre 1 bar.
- 2. Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique (CNRS/Observatoire de Paris/UPMC/Université Paris-Diderot). Athéna Coustenis est associée aux instruments HASI et DISR de la sonde Huygens et CIRS et VIMS de la sonde Cassini.
- 3. Parmi les nombreux laboratoires ayant participé à la mission, on trouve : le LISA, le LPGN, le LESIA, le LPC2E, le LATMOS, l’IRAP, le LERMA, L’IAS, le LPP et l’IMCCE. Par ailleurs, trois chercheurs du CNRS ont été nommés « scientifiques interdisciplinaires » (IDS) – Daniel Gautier, François Raulin et Michel Blanc –, deux autres « principaux chercheurs » (PI) – Guy Israël et Marcello Fulchignoni pour les instruments ACP et HASI de Huygens – et une bonne douzaine d’autres « co-chercheurs » (co-Is).
- 4. Laboratoire interuniversitaire des systèmes atmosphériques (CNRS/Université Paris-Est Créteil/Université Paris-Diderot). François Raulin est associé aux instruments ACP et GCMS de Huygens et CISR de Cassini.
- 5. Laboratoire de planétologie et géodynamique (CNRS/Université de Nantes/Université d’Angers).
- 6. Institut d’astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud).
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