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2 novembre 2012 5 02 /11 /novembre /2012 19:07

Voyager - 1977 - Terre - LuneLa Terre et la Lune vues par la sonde Voyager 1 en septembre 1977.
Crédit image : NASA /JPL

 

Album souvenir…

35 ans ! L'occasion de créer une nouvelle catégorie d'articles sur le blog Un autre regard sur la Terre : "loin de le Terre".

Un peu comme quand on feuillette un vieil album photo et qu’on retrouve un négatif ou une photographie noir et blanc d’un ami ou d’un membre de la famille parti pour un long voyage…

La Terre et la Lune, sous forme de quartiers, sur une même photographie ? Ce cliché a été enregistré le 18 septembre 1977 par Voyager 1. La sonde spatiale de 825 kilos était alors à 11,66 millions de kilomètres de la Terre, presqu’à la verticale du mont Everest, à 25° de latitude nord. La Terre est au premier plan. Avec un peu d’attention, on peut distinguer l’est de l’Asie, la partie ouest de l’océan pacifique et une partie de l’arctique.

Depuis le 17 février 1998, c’est l’objet fabriqué par l’homme qui est le plus éloigné de nous, à plus de 18 milliards de kilomètres de notre planète. Voyager 1 vient de fêter ses 35 ans de voyage et fonctionne toujours… Avec Voyager 2, c’est également un des deux vaisseaux spatiaux ayant la plus grande longévité en opération.

Voyager 1 a été lancé de Cap Canaveral par une fusée Titan-Centaur le 5 septembre 1977 (à 12h56 UTC pour les fans de précision), une quinzaine de jours après Voyager 2 parti en premier le 20 août 1977. L’inversion des numéros des deux sondes ? La trajectoire de Voyager 2 était calculée pour atteindre Jupiter quatre mois après Voyager 1.

Les deux missions Voyager sont décidées au début des années soixante-dix : l’idée est de profiter d’une configuration géométrique assez rare (tous les 175 ans) des planètes extérieures du système solaire pour les explorer avec un système de propulsion limité : c’est l’assistance gravitationnelle, créée par la force de gravité des les planètes elles-mêmes, qui permet aux sondes de « rebondir » à chaque étape vers une nouvelle destination : bien utilisée, la force d’attraction de chaque planète réoriente la vitesse des sondes qui passent à proximité et les accélère. Pour donner une idée de l’intérêt de cette méthode, cette tehnique, utilisée pour la première fois avec le programme de la NASA Mariner 10 vers Venus et Mercure en 1973, a permis de réduire la durée du voyage vers Neptune de 30 ans à seulement 12 ans.

La trajectoire de Voyager 1 est prévue pour passer au plus près de Titan et derrière les anneaux de Saturne pour orienter sa trajectoire en dehors du plan de l’écliptique vers le nord. Pour Voyager 2, l’objectif est différent : utiliser le passage à proximité de Saturne pour partir ensuite vers Uranus…

A l’époque, pas de caméra CCD couleurs : l’image montrée ici a été obtenue en combinant 3 images de la caméra Vidicon noir et blanc acquises derrière trois filtres de couleurs et traitées au JPL (Jet Propulsion Laboratory).

Les signaux des caméras sont numérisés pour fournir des images de 800 lignes de 800 pixels.

Comme la Terre est plus lumineuse que la Lune, l’image a également été corrigée en rehaussant l’intensité de l’image de la Lune, de manière à produire une image « agréable ».

Parmi les instruments qu’emporte Voyager 1, il y a deux caméras. La première a un objectif équivalent à une focale de 200 mm sur un reflex 24x36. La seconde a un champ de vision très étroit, avec un téléobjectif de 1500 mm.

 

« Pale blue Dot » : un dernier regard vers la Terre, un grain de poussière suspendu dans un rayon de soleil

La vitesse de Voyager 1 est de 61200 kilomètres par heure, soit 17 km/s : la sonde parcourt ainsi 1,4 millions de kilomètres par jour, plus de 500 millions de kilomètres par an. A côté, mon vieil Espace semble tout neuf, même s'il consomme davantage…

La photographie suivante a été prise 13 ans plus tard, le 14 février 1990 : Voyager 1 se trouve alors à environ 6,4 milliards de kilomètres de la Terre dans une direction à 32° au dessus du plan de l’écliptique. A cette distance, le point bleu clair que représente la Terre fait un tout petit peu plus qu’un dixième de pixel. Les autres lignes lumineuses sont dues à la lumière du soleil.

 

Voyager - 1990 - TerreLa terre vue par la sonde Voyager 1 en février 1990, à une distance de 6,4 millards de kilomètres.
Crédit image : NASA /JPL

C’est une des dernières images transmises par la sonde Voyager. Elle fait partie d’une série de portraits des planètes du système solaire.

Voilà ce que cette image inspire en 1994 à Carl Sagan (1934-1996), un astrophysicien qui a joué un rôle majeur dans le programme spatial américain et beaucoup contribué à populariser la science :

« Look again at that dot. That's here. That's home. That's us. On it everyone you love, everyone you know, everyone you ever heard of, every human being who ever was, lived out their lives. The aggregate of our joy and suffering, thousands of confident religions, ideologies, and economic doctrines, every hunter and forager, every hero and coward, every creator and destroyer of civilization, every king and peasant, every young couple in love, every mother and father, hopeful child, inventor and explorer, every teacher of morals, every corrupt politician, every 'superstar,' every 'supreme leader,' every saint and sinner in the history of our species lived there -- on a mote of dust suspended in a sunbeam. »

 

Le disque d’or : quelqu’un le réveillera t’il ?

Chaque sonde voyager embarque un disque d’or, le "Voyager Golden Record" : de la taille d’un 33 tours (pas encore de CD à l’époque…), il contient bien sûr des sons (dans 60 langues différentes) et des chansons (dont le célèbre Johnny B. Goode) mais aussi 116 images représentatives de la planète Terre et de ses habitants : un graphique montrant la position de la Terre dans l'espace, une photo de foetus, la structure de l'ADN, ...

 

Voyager - Golden record - recto-versoLe disque d'or de Voyager. Recto et Verso. Crédit image : NASA

 

Carl Sagan, qui présidait le comité chargé de sélectionner les données enregistrées sur ce disque, et ses collègues n’ont pas été autorisés par la NASA à remettre l’image embarquée sur la sonde Pioneer lancée en mars 1972. Cette image montrant un couple d’humains nus devant la silhouette de la sonde Pionner a du agacer quelques esprits puritains… Le fœtus de Voyager serait-il la suite de la BD commencée avec Pioneer ?

 

Pioneer 10 - Taille antenne - Homme femmeSchéma présentant la plaque embarquée sur la Sonde Pioneer 10 avec, entre autres, un atome d’hydrogène, le système solaire, un couple d’humain qui permet de se faire une idée de la taille de l’antenne (celle de la sonde). Les lignes ressemblant à des rayons de roue de bicyclette représentent les directions de 14 pulsars à partir du soleil. La plaque en aluminium doré a a peu près la taille d’une demi-feuille A4. Crédit image : NASA

 

A quelle distance se trouve aujourd’hui Voyager ?

Les informations sont mises à jour régulièrement sur cette page du site Internet du JPL.

Le 31 octobre 2012, à 21H00 UTC, Voyager 1 était à 18,4 milliards de kilomètres de la Terre, ou 123 fois la distance entre la Terre et le soleil, une distance de référence en astronomie (unité astronomique ou UA). La lumière, même à 300000 km/s, met plus de 17 heures pour parcourir cette distance, comme les signaux radio envoyés par la sonde.

Que cherchent les scientifiques à cette distance bien au-delà de Pluton ? Ils surveillent les mesures de l’environnement des sondes, et pus particulièrement le plasma, le gaz ionisé : à plus de 100 UA astronomiques, Voyager navigue à la frontière de l'héliopause, la limite entre l'héliosphère et le milieu interstellaire, la limite de l'influence magnétique du soleil…

Les noms choisis par les astrophysiciens pour décrire cette région ne donnent pas envie d’y aller en vacances : choc terminal, région de stagnation, zone de transition, etc. Comment évolue le vent solaire, à quel moment l’influence interstellaire devient-elle prépondérante ? Les mesures de Voyager remettent parfois en cause certaines prévisions des scientifiques dans cette région visitée pour la première fois.

 

Voyager - Héliosphère - Héliopause - Choc terminal - VenVue d’artiste montrant la position des sondes Voyager aux confins du système solaire.
Crédit image : NASA

 

Les principales étapes du voyage correspondent à une moisson de découvertes pour Voyager 1 et 2, avec leurs différents instruments :

  • Le survol de Jupiter par Voyager 1 en mars 1979, avec une collecte de données sur son atmosphère et la découverte d’anneaux. Voyager 2 suit en juillet 1979.
  • Le survol de Saturne par Voyager 1 en novembre 1980, et l’observation des détails des anneaux. Voyager 2 fait de même en août 1980.
  • Pour être précis, quand il est question de survol (en anglais « flyby » ou « closest approach), Voyager 1 s’approche à 350 000 km de Jupiter (grossièrement la distance terre-lune) et à 124000 km de Saturne. Voyager 2 s’approche respectivement à 71400 km et à 101000 km.
  • Le survol d’Uranus (en janvier 1986) et de Neptune (en 1988) par Voyager 2 avec les premières images en couleurs.
  • En 1989, Voyager 2 commence son voyage en dehors du plan de l’éclipitique, vers le sud.
  • En décembre 2004, la traversée de l’héliosphère pour Voyager 1, le choc terminal à 14,1 milliards de kilomètres. Voyager 2 suivra en septembre 2007.
  • La limite symbolique de 100 unités astronomiques, soit 15 milliards de kilomètres dépassée en août 2006.

Jupiter vu par VoyagerThe great red spot, l'oeil de Jupiter vu par Voyager en février 1979. Crédit image NASA.

 

Difficile de résumer l’ensemble des découvertes et l’apport scientifique des deux missions Voyager : la découverte de 33 nouveaux satellites des planètes extérieures, l’activité volcanique sur Io et la structure d’Europe avec peu de cratères témoignant d’un remodelage récent, la découverte de l’atmosphère dense de Titan et les geysers de Triton, le plus gros satellite de Neptune.

Cela mérite de s’intéresser un peu à la charge utile de ces deux sondes…

 

Les instruments et les calculateurs de Voyager

Vous vous souvenez de votre premier ordinateur en 1977 ? Vous n’en aviez certainement pas… A l’époque, au lycée, c’est encore l’age d’or de la règle à calcul ou au mieux de la calculatrice programmable TI 59 ou HP 41C. L'Apple II, le TRS-80 et le Commodore PET sortent en 1977. L'IBM PC en août 1981...

La sonde Voyager embarque trois types d'ordinateurs (un pour le traitement des commandes envoyées depuis la Terre, un autre pour le traitement des mesures et un dernier pour le contrôle de la sonde). Chaque ordinateur est redondé pour faire face à une panne mais, au total, la capacité mémoire, n’est que de 512 KB, mois qu’un téléphone portable moderne.

L’exploit est ailleurs : je doute que vous utilisiez encore votre premier ordinateur (ou même votre premier téléphone portable) avec le même logiciel. C’est pourtant de cas de Voyager : il fonctionne encore, même si la NASA a du basculer sur les calculateurs de secours.

Comme sur le rover Curiosity, ses caméras et autres instruments, le volume de données fourni par les capteurs dépasse la capacité de transmission vers la Terre. Sur Voyager, pas de disque dur… C’est un enregistreur numérique à bande magnétique à 8 pistes qui stocke les informations à un débit de 115200 bits par seconde, soit l’équivalent de ce que permettait l’ADSL de première génération. La capacité totale d’enregistrement est d’environ 80 MO. Rien à voir avec les dizaines de mégaoctets par seconde des cartes mémoire modernes.

En lecture, la bande magnétique permet un débit de 21,6 kilobits par seconde, la moitié d’un vieux modem, encore moins quand la lecture est faite en même temps que l’enregistrement des mesures provenant des différents instruments.

 

Voyager - Schéma - Instruments - antenneSchéma de la sonde Voyager montrant la position des différents capteurs. Crédit image : NASA

 

Les sondes Voyager emportent chacune près de 105 kg d'instruments scientifiques installées principalement au bout de bras partant de la plate-forme supportant l’antenne parabolique et quelques instruments :

  • Un premier mât porte à son extrémité les deux caméras, trois spectromètres (infrarouge, ultraviolet et plasma), un détecteur de rayons cosmiques, un détecteur de particules à faible énergie et le photopolarimètre, qui mesure l'intensité et la polarisation de la lumière de huit longueurs d'onde.
  • Un des deux magnétomètres est installé sur un second mât.
  • Un troisième mât sert de support aux trois générateurs thermoélectriques à ratioisotope (RTG) produisant l’énergie électrique.

A cette distance du soleil, en effet, pas de panneaux solaires (le rover Curiosity de la mission MSL fonctionne également avec un RTG pour des raisons différentes : la poussière martienne se déposant sur des panneaux solaires réduirait rapidement leur efficacité).

La durée de vie du plutonium 238 des RTG (sous forme d'oxyde de Plutonium) est malgré tout limitée : il devrait cesser de fonctionner entre 2025 et 2030. En attendant, les ingénieurs chargés du contrôle de mission au JPL en Californie jonglent avec les mises sous tension ou hors tension des équipements et des réchauffeurs permettant de les maintenir à une température adaptée à leur fonctionnement pour optimiser la consommation électrique de la sonde : moins de 500 watts au début de la mission, autour de 300W aujourd’hui (l’équivalent d’une grosse ampoule halogène).

 

Grandes oreilles et forte antenne…

Si les sondes Voyager sont beaucoup trop loin pour prendre des images de la Terre, leurs oreilles sont toujours tournées vers nous.

Vous êtes surpris de recevoir avec une toute petite parabole les images des jeux olympiques ou de la coupe du monde de football à partir d’un satellite géostationnaire à presque 36000 km d’altitude ? Moi aussi. C’est encore plus bluffant avec les données transmises par les sondes Voyager à 15 milliards de kilomètres de la Terre.

C’est pour moi l’exploit le plus spectaculaire à une aussi grande distance : nous sommes toujours capables de recevoir les informations transmises par la sonde et celle-ci répond aux commandes que nous lui envoyons.

 

Secret de la liaison ou liaison secrète ?

Dans les deux cas, le secret de la liaison est la capacité à concentrer l’énergie dans une direction donnée. On parle de directivité ou de gain (c’est la même chose) de l’antenne : Au lieu d’émettre l’energie uniformément dans toutes les directions, une antenne de satellite de télécommunication ou une sonde interplanétaire la concentre dans la direction souhaitée, par exemple sur l’Europe ou les Etats-Unis pour un satellite de radiodiffusion, ou dans la direction de la Terre pour le rover Curiosity ou les sondes Voyager.

La physique et Fourier indiquent que la directivité d’une antenne augmente avec sa taille, par rapport à la longueur d’onde considérée. C'est vrai en émission et en réception. C’est vrai pour les ondes radio, c’est vrai également pour en musique ou en acoustique : les sonars passifs des sous-marins nucléaires traînent de longues antennes (appelées flûtes) équipées de dizaines d’hydrophones. C’est parce que ces antennes sonar sont directives qu’elles permettent de localiser précisément la direction d’un autre sous-marin à partir du bruit qu’il émet. Vous avez peut-être un autre exemple dans votre salon avec le système Dolby 5.1 de votre TV : pour restituer un effet stéréo, les enceintes sont doubles, avec un canal gauche et un canal droit. Sauf pour le caisson de basses, la grosse boîte qui fait boom-boom en faisait vibrer toute la pièce : on ne met qu’un haut-parleur pour les fréquences les plus basses car il n’est directionel. Pour qu’il le devienne, il faudrait qu’il soit de très grande taille.

En comparant la silhouette humaine et la parabole de l’antenne sur le dessin de la plaque fixée sur la sonde Pioneer 10, on peut estimer que le diamètre de l’antenne de Pionner 10 est de 2,75 mètres. Celle de Voyager est encore plus grande : près de 3,70 mètres de diamètre. L’objectif est d’avoir une très grande directivité. Son angle d’ouverture est de 2,3 ° en bande S (longueur d’onde de 13 cm) et de 0,6° en bande X (longueur d’onde de 3,6 cm).

Sur un satellite de telecommunications, on installe également des grandes antennes etdes répéteurs de forte puissance, plusieurs kilowatts au total, de manière à pouvoir utiliser au sol des antennes de taille réduite. Les stations TV ou radio au sol émettent également des puissances importantes, jusqu’à plusieurs dizaines de kilowatts.

La puissance de l’émetteur de Voyager n’est que de 23 W, à peine cent fois la puissance d’un téléphone portable.

Malgré la grande directivité de l’antenne de Voyager, pour assurer la liaison radio à une telle distance avec une puissance réduite, il faut donc également de très grandes antennes sur terre avec des amplificateurs très sensibles.

C’est le fameux réseau d’antennes “Deep Space Network” (DSN), les grandes oreilles de la NASA. Elles avaient à l’origine un diamètre de 26 mètres et de 64 mètres. Pour les besoins des missions Voyager, elles ont été remplacées par des antennes de 34 mètres et de 70 mètres de diamètre (de 1982 à 1986).

Pour la transmission des ordres envoyés aux sondes à partir de la Terre, on émet des puissances très élevées, plusieurs dizaines de kilowatts. Le débit du signal de télécommande est très faible : 16 bits par seconde, soit 2 caractères par seconde. Lorsqu’elles envoient des salves de SMS à leurs copines, mes filles peuvent parfois dépasser cette cadence…

Pour assurer l’orientation de l’antenne à grand gain dans la bonne direction, le système de contrôle d’attitude de la sonde utilise deux capteurs : un senseur d'étoiles pointé vers l’étoile Canopus et parfois Rigel et un senseur solaire installé sur l'antenne parabolique.

Comme sur la plupart des satellites, il y a également une antenne à faible gain, beaucoup moins directive, qui émet de manière omnidirectionnelle ou presque : si le pointage précis est perdu, c’est un moyen de garantir qu’on peut encore communiquer un minimum avec le satellite. On parle de mode survie…

Les scientifiques espèrent recevoit les signaux des sondes Voyager au moins jusqu’en 2020. En attendant, le voyage de Voyager continue…

 

Joachim du Bellay : source d’inspiration pour les missions spatiales et l’océanographie

Le titre de cet article est une adaptation très libre du premier vers du sonnet 31 (« les regrets ») de Joachim Du Bellay (1522-1560) publié en 1558 : « Heureux qui, comme Ulysse, a fait un beau voyage »

Visiblement, ce texte a inspiré ceux qui devaient baptiser les missions spatiales : lancée en octobre 1990 à partir de la navette Discovery (STS-41), Ulysses est une sonde spatiale développée par l’ESA et la NASA pour étudier les hautes latitudes du soleil : elle a également utilisé l’asssitance gravitationnelle de Jupiter pour quitter le plan de l’écliptique et se placer sur une orbite polaire autour du soleil.

Il est également question de Jason, qui a servi de nom de baptème de deux missions importantes d’altimétrie spatiale, Jason 1 et Jason 2, assurant la continuité des mesures de Topex-Poséidon.

 

En savoir plus :

 

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Publié par Gédéon - dans Loin-de-la-Terre
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commentaires

mulder 02/11/2012 22:04

Lorsque vous indiquez: "En 1989, Voyager 2 commence son voyage en dehors du plan de l’éclipitique, vers le sud.". Comment definissez-vous le sud?

Gédéon 03/11/2012 23:06



Par rapport au plan de l'écliptique et à l'axe des pôles terrestres...



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A Propos De L'auteur

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  • Ingénieur dans le domaine de l'observation de la Terre.
Bénévole de l'association Planète Sciences Midi-Pyrénées
  • Ingénieur dans le domaine de l'observation de la Terre. Bénévole de l'association Planète Sciences Midi-Pyrénées

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