Magnetospheric Multiscale Mission

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Magnetospheric Multiscale Mission

Description de l'image Magnetospheric Multiscale Mission logo.png.
Caractéristiques
Organisation NASA
Domaine Géomagnétisme
Statut opérationnel
Masse 4 × 1250 kg
Lancement 13 mars 2015
Lanceur Atlas V-421
Durée 2 ans
Orbite Orbite haute
Périgée 7500 km
Apogée 75000 à 160000 km
Inclinaison 28°
Programme Solar Terrestrial Probes
Index NSSDC 2015-011

Magnetospheric Multiscale Mission ou MMS est une mission spatiale de la NASA chargée d'étudier la magnétosphère de la Terre qui a été lancée le 13 mars 2015. MMS utilise quatre satellites identiques volant en formation placés sur des orbites terrestres hautes. Les instruments scientifiques embarqués doivent recueillir des données permettant de reconstituer la structure et la dynamique des régions où se produisent les reconnexions magnétiques. Ils doivent en particulier mesurer l'accélération des particules énergisées et les turbulences. La mission comprend deux phases d'une durée totale de 2 ans pour étudier ce phénomène in situ d'abord dans la région où le vent solaire vient se heurter au champ magnétique terrestre puis, dans la région située à l'opposé par rapport à la Terre, dans la queue de la magnétosphère.

Contexte[modifier | modifier le code]

MMS a été identifiée en 2002 par le Conseil National de la Recherche dans son rapport décennal sur la physique du Soleil et de l'Espace comme la mission de cout moyen devant bénéficier de la plus haute priorité. Le développement de la mission a été confié par la NASA au Centre de vol spatial Goddard. La conception de la charge utile est placé sous la supervision du Southwest Research Institute qui fournit le responsable scientifique de la mission[1]. MMS prend la suite de la mission Cluster de l'Agence spatiale européenne lancée en 2000 pour étudier la magnétosphère de la Terre. Par rapport à cette mission très réussie, MMS doit augmenter de manière sensible la résolution spatiale et temporelle avec lesquelles ont été mesurées les champs magnétiques, électriques et les caractéristiques du plasma. Les satellites suivent une orbite optimisée pour permettre un séjour prolongé dans les régions de l'espace où se produisent les reconnexions magnétiques :

  • dans la magnétopause, c'est à dire du côté de la Terre tourné vers le Soleil, là où le vent solaire et le champ magnétique de la Terre se rencontrent
  • dans la queue de la magnétosphère qui est formée par la pression du vent solaire sur la magnétosphère de la planète et qui peut s'étendre à une grande distance de la planète.

La reconnexion magnétique est un phénomène par lequel l'énergie est transféré de manière explosive entre le vent solaire et la magnétosphère de la Terre. C'est un des mécanismes à l'origine des aurores boréales. C'est un processus à l’œuvre au niveau du Soleil, autour d'autres planètes ainsi que partout dans l'univers. Elle joue également un rôle important dans les études scientifiques sur la fusion nucléaire car c'est un phénomène qui fait obstacle au confinement magnétique du combustible utilisé dans les prototypes de réacteurs. Enfin les phénomènes de reconnexions sont important pour les prévisions de météorologie spatiale qui permettent de préserver les satellites de télécommunications et de navigation lors des tempêtes solaires[2].

Objectifs[modifier | modifier le code]

Schéma représentant le processus de reconnexion magnétique.

La mission MMS a pour objectif d'identifier la structure et la dynamique des régions où les électrons se diffusent en mettant en évidence ce phénomène dans les trois dimensions et à petite échelle. Les instruments des satellites MMS doivent mesurer le plasma ainsi que les champs électriques et magnétiques dans les régions de diffusion de la magnétosphère terrestre où se produisent les reconnexions magnétiques afin de répondre aux questions suivantes[3] :

  • Qu'est ce qui déclenche le processus de reconnexion magnétique et à quelle vitesse ce processus se déroule-t-il ?
  • Quelle est la structure de la région de diffusion ?
  • Comment les champs de plasma et les champs magnétiques se connectent et se déconnectent dans les régions de diffusion ?
  • Dans quelle mesure les électrons agissent sur le processus de reconnexion ?
  • Quel est le rôle des turbulences dans le processus de reconnexion ?
  • Comment les reconnexions accélèrent les particules qui atteignent des énergies élevées ?

Déroulement de la mission[modifier | modifier le code]

En rouge les régions de la magnétosphère où se déroulent les reconnexions magnétiques (la Terre figure en bleu).

Les reconnexions magnétiques se produisent dans deux régions de la magnétosphère terrestre : dans la magnétopause côté jour et dans la queue magnétique côté nuit. Pour étudier ces deux régions la mission est divisée en deux phases[4].

  • Durant la première phase les satellites étudient les reconnexions côté jour là ou le champ magnétique interplanétaire fusionne avec le champ géomagnétique en transférant à la magnétosphère de la masse, du moment et de l'énergie. Le vent solaire transporte les lignes des champs magnétiques interplanétaires/géomagnétiques vers le côté nuit créant une accumulation de flux magnétique. Durant cette phase les quatre satellites MMS circulent sur une orbite à faible inclinaison (28°) avec un périgée située à 1,2 rayons terrestres (environ 7500 km) et un apogée de 12 rayons terrestre (environ 75 000 km).
  • Durant la deuxième phase de la mission, les sondes spatiales MMS vont étudier les reconnexions magnétiques côté nuit qui déclenchent la libération de l'énergie accumulée dans la queue magnétique au cours d’événements explosifs baptisés tempêtes magnétosphériques ce qui permet au flux magnétique de retourner côté jour.

La durée de la mission primaire est de deux ans à compter de la fin des vérifications en orbite. Une année supplémentaire sera consacrée sur Terre à l'analyse des données récupérées[5].

Caractéristiques techniques des satellites[modifier | modifier le code]

La mission utilise quatre satellites identiques qui volent en formation. Chaque satellite a la forme d'un cylindre plat octogonal haut de 1,2 mètres pour un diamètre de 3,5 mètres avec une masse unitaire de 1 250 kg. La structure en aluminium est constituée de deux ponts (plateaux) séparés par un tube central contenant les réservoirs d'ergols. Les instruments scientifiques sont installés sur le pont supérieur tandis que les différents sous-systèmes de la plateforme sont installés sur le pont inférieur. La détermination de l'orientation du satellite repose sur un ensemble de capteurs de Soleil, viseurs d'étoiles et accéléromètres. L'orientation est maintenue avec une précision de 0,5° par le système de propulsion chimique. Celui-ci est de type monoergol et comprend 12 petits moteurs-fusées fonctionnant en mode blowdown (pression décroissante). L'engin spatial emporte environ 360 kg d'ergols dans quatre réservoirs sphériques en titane situés dans le tube central. La propulsion est utilisée à la fois pour le contrôle d'attitude, le maintien de la distance avec les autres satellites MMS et les changements d'orbite en cours de mission (élévation de l'apogée)[6].

Huit panneaux solaires occupant les faces latérales du satellite doivent fournir au minimum 318 Watts en fin de mission. Les batteries permettent de faire face à des éclipses de 4 heures. Les télécommunications se font en bande S et le signal transite par la constellation des satellites de télécommunications relais géostationnaires TDRSS de la NASA. Pour les besoins scientifiques le satellite est spinné (en rotation autour de son axe) à raison de 3 tours par minute. Chaque satellite comprend 8 antennes qui sont déployées en orbite : 4 antennes filaires longues de 60 mètres pour les capteurs de champ électrique et deux perches de 5 mètres supportant les magnétomètres sont déployées perpendiculairement à l'axe de rotation tandis que deux perches de 12,5 mètres parallèles à l'axe de rotation portant les capteurs de champ électrique sont déployées au-dessus et au-dessous du satellite[6].

Instrumentation scientifique[modifier | modifier le code]

Les quatre satellites MMS assemblés avant des tests de vibration.

Les quatre engins spatiaux emportent exactement les mêmes instruments scientifiques : des instruments d'analyse du plasma, des détecteurs de particules énergétiques, des magnétomètres, des instruments de mesure du champ électrique et des équipements destinés à maintenir le potentiel électrique du satellite le plus bas possible pour ne pas perturber les mesures. Les différents instruments se caractérisent par la fréquence (toutes les millisecondes) et la précision particulièrement élevées des mesures. Ces caractéristiques sont nécessaires pour identifier et cartographier les régions de diffusion de très petite taille (1 à 10 km) et se déplaçant rapidement (10 à 100 km/s) où se déroulent les processus de reconnexions magnétiques[7].

Mesure des plasmas chauds[modifier | modifier le code]

Deux instruments analysent les caractéristiques des plasmas[8] :

  • L'instrument FPI(Fast Plasma Instrument ) mesure la distribution tri dimensionnelle des flux d'électrons et d'ions dont l'énergie est comprise entre 10 eV et 30 keV avec une précision du niveau d'énergie de 20%. Les mesures sont effectuées toutes les 30 ms avec une résolution temporelle de 150 ms. L'instrument est fournie par le centre spatial Goddard.
  • L'instrument HPCA (Hot Plasma Composition Analyzer) utilise une nouvelle technique pour mesurer les ions comme l'oxygène et l'hydrogène dont l'énergie est comprise entre ~10 eV et 30 keV avec une précision du niveau d'énergie de 20% et une résolution temporelle de 15 secondes.

Mesure des particules énergétiques[modifier | modifier le code]

Deux instruments analysent les caractéristiques des particules énergétiques[9] :

  • Deux instruments FEEPS (Fly's Eye Energetic Particle Sensor) mesure la distribution spatiale et le spectre énergétique des ions et électrons pour les électrons de ~25 keV à 500 keV et les protons de ~45 keV à 500 keV. L'instrument est fourni par la société Aerospace Corporation.
  • Le spectromètre à ions énergétiques EIS (Energetic Ion Spectrometer) détermine la composition de ions (des protons aux ions de l'oxygène) et la distribution angulaire pour les particules ayant une énergie comprise entre ~45 keV et 500 keV toutes les 30 secondes. L'instrument est développé par l'Applied Physics Laboratory.

Mesure des champs électriques et magnétiques[modifier | modifier le code]

Six instruments analysent les caractéristiques des champs électriques et magnétiques[10] :

  • Les magnétomètres fluxgate analogique AFG (Analog Fluxgate) et digital DFG (Digital Fluxgate) développés respectivement par l'UCLA et l'Université technique de Braunschweig. Les deux magnétomètres fournissent des mesures redondantes du champ magnétique et de la structure des régions de diffusion.
  • L'instrument EDI (Electron Drift Instrument) mesure les champs et électriques en mesurant le déplacement d'électrons émis par un canon électrique avec une énergie d'environ 1 keV. L'instrument est développé par l'Institut für Weltraumforschung de l'Académie des Sciences autrichienne.
  • Six antennes mesurent dans les trois dimensions les champs électriques. Quatre antennes filaires SDP (Spin-plane Double Probe) longues de 48 mètres sont déployées perpendiculairement à l'axe de rotation du satellite avec des capteurs sphériques à leur extrémité. Deux antennes de 10 mètres ADP (Axial Double Probe) sont déployées parallèlement à l'axe de rotation de part et d'autre du satellite. Les mesures sont effectuées avec une fréquence de 100 kHz et une précision de 0,5 mV/m (SDP) and 1 mV/m (ADP).
  • Le magnétomètre à bobine SCM (Search Coil Magnetometer) mesure le champ magnétique dans les axes avec une fréquence atteignant 6 kHz et est utilisé avec les instruments ADP et SDP pour déterminer la contribution des ondes de plasma à la dissipation turbulente qui a lieu dans les régions de diffusion. L'instrument SCM est développé par le Centre d'étude des Environnements Terrestre et Planétaires (France).

Déroulement du projet[modifier | modifier le code]

Un des quatre satellites en cours d'assemblage en décembre 2012.

Les quatre satellites sont construits par le Centre spatial Goddard de la NASA. Il est prévu que les satellites MMS soient placés en orbite en mars 2015 par une fusée Atlas V-421 comportant deux propulseurs d'appoint et étage supérieur Centaur monomoteur. Le 13 mars le lanceur tiré depuis la base de lancement de Cape Canaveral a placé MMS sur une orbite provisoire de 585 x 70165 km. Les quatre satellites doivent rejoindre leur orbite opérationnelle par la suite en utilisant leur propre propulsion[11].

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) « MMS-SMART: Introduction », Southwest Research Institute (consulté le 10 mars 2015)
  2. (en) « The Magnetospheric Multiscale Mission », NASA (consulté le 10 mars 2015)
  3. (en) « MMS : Science », NASA (consulté le 9 mai 2013)
  4. (en) « MMS : Mission », Southwest Research Institute (consulté le 9 mai 2013)
  5. (en) « MMS: Mission Implementation (II) », Southwest Research Institute (consulté le 9 mai 2013)
  6. a et b (en) « MMS : Spacecraft », NASA (consulté le 9 mai 2013)
  7. (en) « MMS : Payload - overview », Southwest Research Institute (consulté le 9 mai 2013)
  8. (en) « MMS : Payload - II Instrument descriptions », Southwest Research Institute (consulté le 9 mai 2013)
  9. (en) « MMS : Payload - III Instrument descriptions », Southwest Research Institute (consulté le 9 mai 2013)
  10. (en) « MMS : Payload - IV Instrument descriptions », Southwest Research Institute (consulté le 9 mai 2013)
  11. (en) William Graham, « MMS successfully launched by ULA’s Atlas V », nasaspaceflight.com,‎

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]