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Mission Rosetta : le mystère des comètes enfin dévoilé

Dessein d’artiste de Rosetta et Philae près de la comète.
Credit : ESA - C. Carreau/ATG medialab

Depuis son réveil le 20 janvier dernier, la sonde Rosetta poursuit sa route vers la comète Tchourioumov-Gerasimenko tout en effectuant une panoplie de vérifications de ses systèmes et instruments afin de se préparer, le 30 juillet, pour son rendez-historique. Elle ne sera plus alors qu’à 2000 km de la comète, c’est-à-dire dans son voisinage immédiat, en vue d’un atterrissage le 11 novembre prochain.

Pourquoi cette mission revêt-elle un caractère aussi spécial ?

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La comète de Halley sur la tapisserie de Bayeux (en haut à droite), relatant la conquête de l’Angleterre par Guillaume le Conquérant en 1066.

Les comètes ont, tout au long de l’histoire humaine, fasciné. La première comète périodique connue de l’humanité, la comète de Halley, a été répertoriée il y a bien longtemps dans les agendas astronomiques babyloniens. Dans les chroniques de l’ère des Royaumes combattants (203-221 B.C.) en Chine, Halley était considérée comme annonciatrice de troubles à venir, et les Livres sibyllins romains disaient qu’elle serait un « signe de l’épée, la famine, la mort et la chute de puissants personnages et de grands peuples ». Son apparition au Ve siècle av. J.C. coïncida avec l’invasion d’Attila le Hun et au XIe siècle avec la conquête normande de l’Angleterre, événement vécu comme une calamité par le peuple anglais. Quoi qu’il en soit, les comètes restent un mystère pour une grande partie de la population.

Une autre raison pour laquelle la mission soulève un intérêt particulier est liée aux questions scientifiques soulevées par l’interaction entre les comètes et les autres corps de notre système solaire.

 Un intérêt scientifique fondamental

Les comètes sont la mémoire de notre système solaire, puisqu’elles n’ont pas beaucoup changé depuis sa formation, et ce en raison de leur grand éloignement du Soleil.

Comme l’explique un scientifique français participant au projet, « notre système solaire serait au départ un nuage de gaz et de poussière, qui se serait effondré sur lui-même pour conduire à la formation d’un Soleil en son centre. Ce nuage se serait mis ensuite plus ou moins dans un plan, et en son sein se seraient formés les planètes et planétoïdes qui auraient servi de base à la formation des planètes. Lorsqu’ils étaient proches du soleil, ces planétoïdes auraient été constitués de matière solide, de silicates. La partie gazeuse, plus légère, des matériaux présents aurait pour sa part été ensuite balayée par les rayons de l’étoile naissante. »

Ainsi, proche du Soleil, se formèrent des planétoïdes solides ou constitués de matière lourde, comme les astéroïdes, et plus on s’en éloigna, plus les corps devinrent légers, telles les comètes. Il existe probablement une continuité entre les deux, comme le montre la découverte récente de corps constitués à moitié de matière légère et à moitié de matière lourde. Ainsi, comme le précise ce scientifique, « plus les planétoïdes sont proches du Soleil, plus nombreux ils sont et plus facilement ils se rencontrent pour former des planètes. Pour les objets plus éloignés, comme ceux situés dans la ceinture de Kuyper par exemple, plus ils sont isolés et plus le phénomène d’accrétion se fait lentement, donnant naissance à de gros astéroïdes ou planétoïdes comme ceux que l’on retrouve dans cette ceinture ou dans ses alentours. » Il suffit ici de penser à l’exemple de Pluton ou d’Eris.

Les comètes sont donc différentes des corps situés dans la ceinture s’étendant de Mars à Jupiter. Selon la loi de Titus-Bode, une planète aurait dû être présente à cet endroit. Si l’équivalent de la masse d’une planète dans cette région existe bel et bien, nous savons aujourd’hui qu’il ne s’agit pas d’une planète qui aurait explosé, mais plutôt d’une planète qui ne s’est jamais formée. Jupiter communique aux corps présents dans cette région une énergie qui les empêche de s’agglutiner pour former une planète. On pense aujourd’hui que Jupiter, première planète à s’être formée autour Soleil (avec un noyau solide correspondant au moins à la taille de la Terre) était à l’origine beaucoup plus proche de ce dernier et aurait migré vers l’extérieur de notre système solaire, avant que les rayons du Soleil ne deviennent suffisamment puissants pour chasser les gaz qu’elle avait accumulés autour d’elle. On pense également qu’elle a contrôlé d’une manière ou d’une autre au cours de sa migration le processus de formation de toutes les autres planètes aujourd’hui présentes.

Avant la découverte des exoplanètes il y a dix ou quinze ans, on n’imaginait pas que des planètes aussi lourdes puissent se former aussi près des étoiles. Cette découverte bouleverse notre compréhension de la formation de notre propre système solaire et de l’histoire de Jupiter. Ainsi, la théorie de Victor Safronov sur le processus d’agrégation des corps solides comme processus ayant conduit à la formation du système solaire, émise à la fin des années soixante, se voit aujourd’hui validée par les observations dans d’autres systèmes solaires en formation : le phénomène d’accrétion est par conséquent le système de base de la formation des planètes.

Pour résumer : la ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter est contenue par les résonances de la planète Jupiter. La ceinture de Kuyper, formée d’astéroïdes et de planétoïdes et qui démarre à partir de l’orbite d’Uranus et qui s’étend bien au-delà de Pluton, est moins clairement circonscrite pour ce qui concerne son extrémité extérieure, sauf qu’elle reste assez nettement située dans le plan de l’écliptique, toute comme la ceinture d’astéroïdes. Ceci n’est toutefois pas le cas du Nuage de Oorts, constitué de corps légers comme les comètes, qui lui est en trois dimensions, enveloppant notre système solaire d’une couche de milliers d’unités astronomiques d’épaisseur. (Une unité astronomique est égale à la distance de la Terre au Soleil, soit 150 millions de km environ.)

 L’origine de la vie

Les comète auraient-elles pu amener sur Terre à une certaine époque l’eau et les composés organiques complexes pouvant être à l’origine de la vie ? C’est ce qu’espère éclaircir la mission Rosetta, en posant pour la toute première fois un atterrisseur sur la surface d’une comète, en l’occurrence Tchourioumov-Gerasimenko.

On considère aujourd’hui que 80 % des comètes sont formées d’eau, puis de glace de CO et ensuite de CO2. On y trouve également des molécules plus complexes qui nous intéressent particulièrement en raison du rôle qu’elles auraient pu jouer dans l’origine de la vie.

Dans le nuage moléculaire qui a servi à former le Système solaire, on sait qu’il y avait des molécules déjà complexes puisqu’on en observe de similaires dans d’autres nuages de ce type depuis la Terre. Ces molécules complexes, composées d’un grand nombre d’atomes, ont une durée de vie très faible car les rayons ultraviolet émis par les étoiles et qui ont contribué l’énergie nécessaire à leur formation les détruisent également. Lorsqu’elles sont emprisonnées dans les glaces des comètes toutefois, elles s’y retrouvent conservées comme dans un réfrigérateur, jusqu’à ce qu’elle ne soient relâchées lorsqu’elles s’écrasent sur des planètes comme la Terre. C’est ce qui s’est passé à grande échelle il y a trois milliards d’années environ. Ces molécules ont pu ensuite évoluer au sein des océans pour former des composés encore plus complexes, tel que ceux qui sont à l’origine de la vie.

L’atterrisseur Philae, qui se détachera de Rosetta pour se poser sur le noyau de la comète, possède deux instruments (Cosac et APXS) qui auront pour tâche de trouver et d’analyser ces molécules complexes. Un autre instrument, Ptolemy, devra quant à lui mesurer le rapport des isotopes de l’hydrogène (ainsi que d’autres éléments) pour déterminer s’il correspond effectivement à celui de l’hydrogène contenu dans les molécules de l’eau de nos océans. Si les rapports correspondent, cela confirmera au minimum la naissance de la comète au sein de notre propre système solaire, car il existe toujours la possibilité qu’un échange ait eu lieu avec les comètes entourant un autre soleil, qui serait passé près du nôtre il y a longtemps.

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L’atterrisseur Philae sur la comète
Crédit : Montage ESA

Philae sera équipé pour ces tâches d’une foreuse capable d’atteindre une profondeur de plus ou moins 40 cm, selon que ses pieds se seront enfoncés dans le sol ou que le terrain ne serait pas complètement plat. Plusieurs forages sont prévus, à plusieurs profondeurs, et leur nombre total pourra aller jusqu’à 18 si la charge disponible dans la pile et les batteries secondaires le permet. La pente du terrain d’atterrissage par rapport au centre de gravité de la comète ne devra pas cependant dépasser 30 degrés.

 La difficulté technique d’accoster une comète

La sonde européenne Giotto s’était approchée à moins de 600 km de la comète de Halley en 1986, puis à 200 km de la comète Grigg-Skjellerup en 1992. Mais aucune sonde ne s’est jamais posée sur une comète, autre aspect unique de cette mission.

Se poser en douceur sur une comète est une tâche extrêmement ardue, car leurs orbites sont plus elliptiques que celles des astéroïdes. Toutes les comètes, y compris les plus simples comme Tchourioumov-Gerasimenko, ont une vitesse beaucoup plus élevée que les astéroïdes lorsqu’elles pénètrent dans la zone intérieure du système solaire. Le deuxième aspect à prendre en compte est celui des gaz qu’elles dégagent lorsqu’elles s’approchent du Soleil, qui viennent s’opposer à la gravité lors des opérations d’accostage de l’atterrisseur.

Ainsi, il est beaucoup plus difficile d’accoster une comète que d’atteindre Mars, par exemple. Le budget delta-V total de la mission Rosetta (le décompte des coups d’accélération et de décélération qu’il faut impartir à la sonde au cours de son voyage) est d’environ 2120 m/s. Cela implique que plus de la moitié de la masse totale de la sonde (soit 1670 kg sur un total de 3000) est constituée de carburant, ce qui limite fortement la charge utile.

Grâce à l’assistance gravitationnelle de la Terre (à trois reprises) et de Mars (à une reprise), Rosetta a pu toutefois gagner quelque 10 km/s, un gain considérable par rapport au budget delta-V de 2,120 km/s disponible avec le carburant qu’on y a embarqué. Ces quatre assistances ont par contre nécessité dix longues années de voyage à travers le système solaire.

Tchourioumov-Gerasimenko a changé deux fois d’orbite au cours des 170 dernières années, à cause de l’attraction exercée par Jupiter. Ce qui explique qu’elle n’a été découverte qu’en 1969, dix ans après son deuxième changement d’orbite, qui l’a rapprochée à nouveau de celle de la Terre.

Si une comète de ce type venait à croiser l’orbite terrestre et que nous n’avions pas dix ans pour nous y rendre, nous serions incapables, avec les technologies actuelles et sans assistance gravitationnelle, de s’y poser en douceur. Car pour ce faire on ne peut se contenter de croiser sa trajectoire, il faut l’accoster en l’accompagnant sur son chemin. Il faut d’abord « hisser » la sonde au niveau d’énergie de l’orbite visée. Le niveau d’énergie d’une orbite s’accroît avec la distance par rapport au Soleil : celui de l’orbite de Tchourioumov-Gerasimenko est trois fois et demi celui de l’orbite terrestre, et plus de deux fois celui de l’orbite martienne. Il faut ensuite s’assurer d’approcher l’orbite de destination de manière tangentielle, à l’endroit où la comète se trouvera lorsqu’on atteindra cette orbite. Ceci est beaucoup plus difficile et demande encore plus d’énergie dans le cas d’une orbite à forte excentricité, c’est-à-dire très elliptique comme celles des comètes.

Telles sont les subtilités de la mécanique spatiale. Ainsi, pour l’instant, s’il s’agit de se poser doucement sur une comète pour y faire un forage, ou d’utiliser un tracteur gravitationnel pour la dévier de sa trajectoire au cas où elle poserait une menace, nous ne serions pas en mesure de le faire avec les moyens de propulsion actuels.

Nous serions par contre en mesure d’envoyer une bombe, qui s’écraserait sur la surface à la vitesse de 10 km/s par exemple. Lorsqu’on a envoyé Giotto vers la comète de Halley, nous nous y sommes pris seulement 6 mois d’avance et nous avons croisé sa trajectoire à 90 degrés environ, avec une vitesse relative par rapport à la comète de 70 km/s.

Avec l’expérience française Consert, qui est un instrument de mesure de sondage radiofréquence du noyau, la mission Rosetta permettra de mieux déterminer la composition « physique » de la comète, autrement dit son homogénéité. En effet, si les comètes étaient composées de grumeaux, rassemblés avec une force de cohésion relativement faible, il serait plus facile de les faire exploser que les astéroïdes, sauf qu’il faudra prendre en compte le problème des morceaux restants et celui des trous de serrure gravitationnels.

L’autre aspect technique spectaculaire de cette mission est lié au fait que la forme, la densité et la masse totale de la comète ne sont pas connues avec suffisamment de précision pour décider à l’avance d’un scénario d’atterrissage. Une fois que la sonde sera en orbite autour de la comète, à compter de fin juillet 2014, les techniciens ne disposeront que de deux mois pour analyser les données recueillies sur place et choisir, parmi des milliards de trajectoires différentes, celle qui conduira en toute sécurité l’atterrisseur Philae jusqu’à sa surface. L’endroit d’atterrissage choisi doit avoir par surcroît un intérêt scientifique conséquent. Etant donné la très faible gravité de la comète, Philae est équipe de deux harpons pour l’arrimer à la comète, ainsi que d’une vis à chacun de ses trois pieds qui pourront être activées en cas de besoin.

 La nécessité du nucléaire dans l’espace

L’une des principales contraintes pesant sur la mission reste le problème de son alimentation en énergie. Indépendamment du carburant embarqué pour se rendre jusqu’à la comète, Rosetta et Philae dépendront de panneaux solaires pour alimenter les nombreux instruments et le système de communication. Philae dispose toutefois d’une pile pré-chargée qui devrait contenir, selon les tests effectués, 1300 wattheures d’électricité pour effectuer les principales expériences au cours des deux premiers jours. La batterie rechargeable qui prendra le relais et sera alimentée par les panneaux solaires de l’atterrisseur ne pourra emmagasiner que 120 wattheures d’électricité, ce qui limitera considérablement les opérations des mois qui suivront. De plus, les panneaux solaires présentent des contraintes opérationnelles importantes tant par rapport aux gaz se dégageant de la comète qu’à la nécessité de les maintenir orientés vers le soleil tout au long de la mission.

Il n’existe malheureusement aucun code réglementaire européen encadrant l’envoi et l’usage de sources d’alimentation nucléaire (NPS) dans l’espace, ce qui a conduit l’ESA à exclure le lancement de sondes dotées de dispositifs nucléaires. Un projet de réglementation est en discussion depuis plusieurs années mais aucun accord définitif n’a été trouvé jusqu’à aujourd’hui.

 La contribution française à Rosetta

Il existe une règle pour toutes les missions scientifiques de l’ESA : celle-ci prend en charge les sondes ou les plateformes, et tout instrument, c’est-à-dire la charge utile, reste du domaine des Etats membres. Ces derniers, en s’alliant entre eux selon des géométries variables, financent la construction d’instruments scientifiques souvent très complexes.

Dans le cas de Rosetta, la France a été avec l’Allemagne l’un des deux gros contributeurs pour la construction des instruments de l’orbiteur et de l’atterrisseur. Il y a 12 instruments scientifiques sur le premier et 10 sur le second. Le CNES a suivi le développement des instruments et les a financés pour une grande partie. Il intervient également aux niveaux des opérations et du traitement des données.

Pour ce qui concerne l’atterrisseur, Philae, qui a été entièrement construit par les Etats réunis en consortium, le CNES est l’un des trois cogestionnaires puisque la France en est le deuxième principal contributeur après l’Allemagne et avant l’Italie. Le CNES a également fait l’analyse de mission et décidé des spécifications pour plusieurs des sous-systèmes dont le train d’atterrissage, et fourni deux sous-systèmes dont la pile et les batteries, ainsi que le dispositif permettant de communiquer avec l’orbiteur, passage obligé pour l’envoi de données vers la Terre.

Le CNES est responsable du développement du Centre d’opération scientifiques et de navigation spatiale (SONC), qui a pour mission de planifier les opérations scientifiques, de suivre le bon fonctionnement à bord de Philae puis de distribuer les données aux scientifiques, de les traiter et les archiver.

Ainsi, en raison du calendrier de la mission, Rosetta et Philae devraient occuper une bonne partie de l’actualité scientifique en 2014 et 2015, suscitant de nombreuses vocations scientifiques et réveillant l’imaginaire de millions de nos citoyens.


 Le calendrier de la mission Rosetta :

1993 : début de la conception de la mission
2 mars 2004 : lancement de la sonde
8 juin 2011 : entrée de la sonde en hibernation, pour séjour loin du soleil
20 jan. 2014 : réveil de sa période « d’hibernation »
21 mai 2014 : à un million de km de la comète
début de la première grande manœuvre de R/V
2 juil. 2014 : approche à 50 000 km de la comète
30 juil. 2014 : arrivée à 2000 km de la comète
début de l’étude de la comète, pour déterminer un lieu d’atterrissage
10 sept. 2014 : fin de la phase d’approche finale et mise en orbite à 30 km autour de la comète
30 sept. 2014 : choix du site d’atterrissage et préparation de la séquence d’activités scientifiques
11 nov. 2014 : atterrissage de Philae sur la comète
15 août 2015 : passage de la comète à son périhélie, le point le plus proche du Soleil
31 déc. 2015 : fin approximative de la mission, selon le comportement des panneaux solaires


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Crédit : groupe espace (solidariteetprogres.org/espace)

 Approfondissement : les niveaux d’énergie des orbites

Il est possible, à l’aide d’une équation relativement simple, de calculer les énergies orbitales moyennes pour un kilogramme de masse tournant autour du soleil. Cette énergie orbitale est la somme de l’énergie potentielle associée à l’attraction solaire et de l’énergie cinétique :

  r (km) v (km/s) EPot Ecin Etot (kg . km²/s²)
Mercure 58x106 47,36 -2288 1121,5 -1166,5
Terre (pér.) 147x106 30,30 -902,8 459,0 -443,8
Terre (aph.) 152x106 29,27 -872,2 428,4 -443,8
Mars (pér.) 206745048 26,49 -641,9 350,9 -291,0
Mars (aph.) 249142600 21,98 -532,7 241,6 -291,1
67P CG (pér.) 186x106 34,19 -711,8 584,5 -127,3
67P CG (aph.) 852x106 7,52 -155,7 28,28 -127,4
Jupiter (moy.) 778 x106 13,05 -170,6 85,2 -85,4
Neptune 4498x106 5,43 -29,5 14,7 -14,8

Conclusion : lorsqu’on s’éloigne du Soleil, l’énergie cinétique diminue mais l’énergie potentielle augmente encore plus rapidement (elle devient de moins en moins négative). Résultat, un kilogramme en orbite loin du soleil a une énergie totale plus élevée que s’il est près de celui-ci. Ceci signifie également qu’il faut moins d’énergie pour l’extraire de l’attraction du Soleil s’il est situé plus loin de ce dernier. Le signe négatif de l’énergie totale indique en effet qu’un corps en orbite autour du soleil reste encore soumis, par définition, à son attraction. Pour le libérer de cette attraction, il faudrait lui communiquer une énergie cinétique correspondant au moins à son énergie potentiel, de sorte que son niveau d’énergie totale puisse être supérieur à zéro.

Ainsi, selon notre tableau, l’orbite de 67P GC est à un niveau énergétique 3,48 fois plus élevé que celui de l’orbite de la Terre (443,8/127,3) et plus de deux fois celui de l’orbite de Mars.

On voit également que l’énergie cinétique est compensée par l’énergie potentielle lorsqu’on se déplace sur une même orbite, entre le périhélie et l’aphélie. Voir exemples de la Terre, de Mars et de la comète 67P CG (Tchourioumov-Gerasimenko).

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