Cluster (satellite)

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Cluster est une mission de l'Agence spatiale européenne (ESA) qui utilise quatre satellites chargés d'étudier les interactions entre le vent solaire et la magnétosphère terrestre. Après la destruction des satellites lors de l'échec du vol inaugural d'Ariane 5 en 1996, les satellites ont été reconstruits et lancés en 2000. La mission, d'une durée initiale de 2 ans, a été prolongée à plusieurs reprises et pourrait se poursuivre jusqu'en 2014.

Les quatre satellites identiques et d'une masse d'environ 1200 kg, volent en formation pyramidale sur une orbite polaire fortement elliptique ce qui permet d'étudier en trois dimensions les phénomènes physiques complexes qui se déroulent dans les régions situées à la frontière de la magnétosphère sur laquelle vient buter le vent solaire. Chaque satellite emporte 11 instruments dont un pour mesurer le champ magnétique, un instrument pour mesurer le champ électrique, 5 instruments pour les mesures d'ondes et trois instruments pour les mesures de particules.

Satellite Cluster FM2
Fragment d'un satellite

Aperçu de la mission Cluster[modifier | modifier le code]

Cluster orbite pendant une semaine du 21 mars 2004, vu du pôle nord de l'écliptique[1]. Les grilles en fil représentent les positions moyennes de l'onde de choc (externe, en vert) et la magnétopause (interne, en bleu) de la magnétosphère de la Terre. En raison du mouvement de la Terre autour du Soleil, l'orbite du satellite semble tourner dans cette figure, où la direction du Soleil est vers le haut.

Les quatre satellites Cluster identiques étudient la magnétosphère terrestre qui nous protège du vent solaire. Les satellites Cluster FM5 à FM8 (les premiers, de FM1 au FM4 ont été perdus au cours du premier lancement) mesurent en trois dimensions des données de la collision du vent solaire avec le champ magnétique la Terre, ses variations dans le temps et les effets sur Terre depuis l'espace proche et de son atmosphère, dont les aurores polaires.

Les satellites sont cylindriques (290 × 130 cm[2]) et sont stabilisés par rotation à 15 tours par minute. Leurs cellules solaires fournissent 224 watts de puissance pour les instruments et les communications. Les quatre satellites manœuvrent dans différentes formations tétraédriques pour étudier la structure de la magnétosphère et ses limites. Les distances inter-satellites peuvent varier d'environ 100 à 10000 kilomètres. Le propulseur utilisé pour les manœuvres représente environ la moitié du poids au lancement des satellites.

Les orbites très elliptiques des satellites atteignent un périgée d'environ 4 RE (rayons terrestres, où 1 RE = 6 371 km) et un apogée de 19,6 RE. Chaque orbite est parcourue en environ 57 heures. Le Centre européen d'opérations spatiales (ESOC) acquiert la télémesure et distribue les données scientifiques des sondes en ligne.

Historique[modifier | modifier le code]

La mission Cluster est proposée à l'Agence spatiale européenne en 1982 et approuvée en 1986 en même temps que l'observatoire spatial solaire SOHO. Les satellites Cluster sont achevés en 1995 mais sont détruits le 4 juin 1996 lors de l'échec du vol inaugural d'Ariane 5 qui devait les placer en orbite. L'Agence spatiale européenne décide alors de financer la reconstruction des quatre sondes. Le lanceur Soyouz est retenu pour la mise sous orbite[3],[4]. La nouvelle mission est baptisée Cluster II. Ses objectifs sont coordonnés avec la mission spatiale Double Star développée par l'agence spatiale chinoise CNSA, qui étudie les mêmes phénomènes et qui emporte 7 instruments identiques à ceux embarqués par les satellites Cluster.

Le 16 juillet 2000, une fusée Soyuz-Fregat, inaugurant l'utilisation de l'étage Fregat, tirée depuis le cosmodrome de Baïkonour, a lancé deux des satellites Cluster (Salsa et Samba) sur une orbite d'attente de laquelle ils ont manœuvré par leurs propres moyens dans une orbite de 19 000 par 119 000 kilomètre avec une période de 57 heures. Trois semaines plus tard, le 9 août 2000, une autre fusée Soyouz-Fregat a lancé les deux autres satellites Cluster (Rumba et Tango) sur des orbites similaires. La sonde 1, Rumba, est également connu comme sous le nom de « Phoenix », car elle est en grande partie construite à partir de pièces de rechange qui restaient après l'échec de la mission d'origine. Après mise en service de la charge utile, les premières mesures scientifiques ont été faites le 1er février 2001.

L'ESA a organisé un concours pour nommer les satellites Cluster, qui a attiré des participants de nombreux pays. Ray Cotton du Royaume-Uni a gagné avec les noms Rumba, Tango, Salsa et Samba. La ville de résidence de Ray, Bristol, a reçu les maquettes des satellites en reconnaissance de l'appellation et la connexion avec les satellites.

Initialement prévue pour durer jusqu'à la fin de 2003, la mission a été prolongée à plusieurs reprises. La première extension a prolongé la mission de 2004 à 2005, et la seconde de 2005 à juin 2009. La mission a ensuite été prolongée jusqu'à fin 2012.

Objectifs scientifiques[modifier | modifier le code]

La mission est développée notamment dans le cadre du programme international ISTP dont l'objectif est de mesurer de manière simultanée à l'aide de plusieurs satellites les interactions entre le vent solaire et le champ magnétique terrestre.

De précédentes missions à un et à deux vaisseaux spatiaux n'étaient pas capables de fournir les données nécessaires pour étudier précisément les limites de la magnétosphère. Parce que le plasma comprenant la magnétosphère ne peut actuellement être accessible en utilisant des techniques de télédétection, les satellites doivent être utilisés pour le mesurer in situ. Quatre engins spatiaux permettent aux scientifiques de faire de la 3D, en temps résolu mesures nécessaires pour créer une image réaliste des interactions plasma complexes existant entre les régions de la magnétosphère et entre la magnétosphère et le vent solaire.

Chaque satellite transporte une charge utile scientifique de 11 instruments destinés à étudier l'échelle des structures de plasma petits dans l'espace et le temps dans les régions clés du plasma: le vent solaire et l'onde de choc, la magnétopause, les cornets polaires, la queue de la magnétosphère et la zone aurorale.

Une illustration de la magnétosphère terrestre
  • L'onde de choc (voir illustration à droite) est la région de l'espace située entre la Terre et le Soleil où le vent solaire ralentit de vitesses super- à sub-soniques avant d'être dévié autour de la Terre. En traversant cette région, Cluster prend des mesures permettant de caractériser les processus se produisant à l'onde de choc, tels que l'origine des anomalies de flux chaud et la transmission des ondes électromagnétiques à travers l'onde de choc et la magnétopause depuis le vent solaire.
  • Derrière l'onde de choc est située la couche de plasma mince séparant les champs magnétiques de la Terre et du vent solaire connue sous le nom magnétopause. Cette limite se déplace en permanence en raison de la variation constante de la pression du vent solaire. Comme les pressions au sein du vent solaire (pression du plasma) et de la magnétosphère (pression magnétique) devraient être équilibrées, la magnétosphère devrait être une frontière infranchissable. Cependant, on a pu observer du plasma, issu du vent solaire, traversant la magnétopause pour pénétrer dans la magnétosphère. Les mesures effectuées depuis 4 points d'observation par les satellites Cluster permettent de suivre le déplacement de la magnétopause et d'élucider le mécanisme de pénétration du plasma depuis le vent solaire.
  • Dans deux régions situées l'une dans l'hémisphère nord et l'autre dans le sud, le champ magnétique de la Terre est perpendiculaire plutôt que tangent à la magnétopause. Ces cornets polaires permettent aux particules du vent solaire, constitué d'ions et d'électrons, de pénétrer dans la magnétosphère. Cluster enregistre les distributions des particules, qui permettront de caractériser les régions turbulentes aux extrémités extérieures.
  • Les régions du champ magnétique de la Terre qui sont étirées par le vent solaire loin du Soleil sont désignées collectivement comme la queue de la magnétosphère. Deux lobes qui passent au-delà de l’orbite de la Lune forment la queue extérieure tandis que la couche centrale de plasma constitue la queue intérieure, qui est très active. Cluster surveille les particules de l’ionosphère et le vent solaire lors de leur passage à travers les lobes de la queue de la magnétosphère. Dans la couche centrale de plasma, Cluster détermine l'origine des faisceaux d'ions et les perturbations des courants alignés au champ magnétique causés par les sous-orages.
  • Les précipitations de particules chargées dans l'atmosphère créent un anneau d'émission de lumière autour du pôle magnétique connue sous le nom de la zone aurorale. Cluster mesures les variations temporelles des flux de particules de passage dans la région[5].

Instrumentation[modifier | modifier le code]

La description des 11 instruments embarqués sur chacun des quatre satellites Cluster est fournie dans le tableau ci-dessous. En résumé Ces instruments effectuent la mesure des magnitudes et directions des champs électriques (E) et magnétiques (B) ainsi que des densités et des distributions des particules (électrons et ions) dans le plasma.

Acronyme Instrument (en anglais) Mesure Objectif
FGM Fluxgate Magnetometer Magnitude et direction du champ magnétique B Vectorisation B et déclenchement des évènements pour tous les instruments sauf ASPOC
EFW Electric Field and Wave experiment Magnitude et direction du champ électrique E Vectorisation de E, potentiel de vaisseau spatial, densité électronique et température
STAFF Spatio-Temporal Analysis of Field Fluctuation experiment Magnitude et direction des fluctuations électro-magnétiques, du champ magnétique B, corrélation croisée de E et B Propriétés des structures actuelles à petite échelle, source des ondes et des turbulences de plasma
WHISPER Waves of High Frequency and Sounder for Probing of Density by Relaxation En mode actif, la densité totale d'électrons ρ; en mode passif, les ondes de plasma neutres Les mesures de la densité en plasma ρ non affectées par les variations de potentiel dans le vaisseau spatial
WBD Wide Band Data receiver Les formes d'onde du champ magnétique E et les spectrogrammes des ondes plasma terrestres et des émissions radio Mouvement des variations terrestres, par exemple le rayonnement kilométrique auroral
DWP Digital Wave Processing instrument Manipulation des données Le contrôle et la communication entre les instruments 2-5 pour produire des corrélations de particules
EDI Electron Drift Instrument Magnitude et direction du champ électrique E Vectorisation de E, gradients dans le champ magnétique local B
ASPOC Active Spacecraft Potential Control experiment Régulation du potentiel électrostatique des vaisseaux spatiaux Contrôle et communication entre les instruments 2-5 et 10
CIS Cluster Ion Spectroscopy experiment Temps de vol de l'ion et énergies de 0 à 40keV Composition et répartition 3D des ions dans le plasma
PEACE Plasma Electron and Current Experiment Energies d'électron de 0.0007 à 30 keV Répartition 3D des électrons dans le plasma
RAPID Research with Adaptive Particle Imaging Detectors Energie des électrons de 30 à 1500 keV, énergie des ions de 20 à 450 keV Répartition 3D des hautes énergies ioniques et électroniques dans le plasma

Mission Double Star avec la Chine[modifier | modifier le code]

Fin 2003 et mi 2004, la China National Space Administration lance deux satellites Double Star qui emportent sept instruments fournis par l'Agence spatiale européenne identiques aux instruments embarqués à bord des satellites Cluster. Placés d'une part sur une orbite polaire, d'autre part sur une orbite équatoriale, ces sondes travaillent avec les sondes Cluster pour effectuer des mesures synchrones de la magnétosphère.

Liste partielle des découvertes[modifier | modifier le code]

  • 2002
    • 9 mars : découverte de vortex d'une taille comprise entre 100 et 40 000 km dans le champ magnétique polaire de la Terre ;
    • 20 avril : premières mesures directes de la densité du courant annulaire de la Terre ;
  • 2003
    • 20 mai : Cluster observe une « reconnexion inverse », en même temps qu’une brillante aurore de protons observée par IMAGE ;
  • 2004
    • 5 avril : premières mesures non ambigües de l’épaisseur de l’onde de choc magnétique (Bow Shock) de la Terre ;
    • 12 décembre : Cluster détermine l’échelle spatiale des flux à grande vitesse dans la queue de la magnétosphère ;
  • 2005
    • 4 février : Cluster observe une reconnexion magnétique en trois dimensions ;
    • 5 décembre : Cluster aide à prédire l’arrivée d’«électrons tueurs » ;
  • 2006
    • 11 janvier : Cluster observe une région de reconnexion magnétique de taille supérieure à 2,5 millions de km dans le vent solaire ;
    • 18 juillet : Cluster observe le « cœur magnétique » des reconnexions dans la queue de la magnétosphère ;
    • 20 juillet : Cluster et Double Star découvrent des « trous de densité » dans le vent solaire ;
  • 2009
    • 16 juillet : Cluster montre comment le vent solaire est échauffé à l’échelle de l’électron[6] ;
  • 2010
    • 23 septembre : Cluster montre comment le vent solaire est échauffé à l’échelle subprotonique[7],[8].

Références[modifier | modifier le code]

  1. Le tracé a été créé grâce à (en) Orbit Visualization Tool.
  2. (en) Cluster 3D Model, ESA
  3. (fr) Cluster II sur le site d'EADS Astrium
  4. (en)ed. Paschmann, G.; Schwartz, S.J.; Escoubet, C.P.; Haaland S. Outer Magnetospheric Boundaries: Cluster Results, Springer, Dordrecht, The Netherlands, 2005.
  5. (en)ed. Escoubet, CP; Russell, CT; Schmidt, R. The Cluster and Phoenix Missions, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Belgium, 1997.
  6. (en) Sahraoui, F.; Goldstein, M.L.; Robert, P.; Khotyaintsev, Y.V., « Evidence of a Cascade and Dissipation of Solar-Wind Turbulence at the Electron Gyroscale », Physical Review Letters, vol. 102, no 23,‎ June 2009, p. 231102-+ (lien DOI?, lire en ligne)
  7. (en) Sahraoui, F.; Goldstein, M.L.; Belmont, G.; Canu, P.; Rezeau, L., « Three Dimensional Anisotropic k Spectra of Turbulence at Subproton Scales in the Solar Wind », Physical Review Letters, vol. 105, no 13,‎ September 2010, p. 121101 (lien DOI?, lire en ligne)
  8. (en) Cluster Helps Disentangle Turbulence in the Solar Wind

Liens externes[modifier | modifier le code]