Pioneer 10

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Pioneer 10

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Maquette de Pioneer 10 au National Air and Space Museum à Washington, DC

Caractéristiques
Organisation NASA
Domaine Exploration de Jupiter et du milieu interplanétaire
Statut mission achevée
Masse 258 kg (hors carburant)
Lancement 3 mars 1972 à 01:49 UTC
Lanceur Atlas-Centaur
Fin de mission 31 mars 1997
Dernier contact le 23 janvier 2003
Durée 25 ans
Autres noms Pioneer-F
Trajectoire
Orbite Survol de Jupiter le 4 décembre 1973.
Trajectoire d'échappement du Système solaire par la suite.
Programme Pioneer
Index NSSDC 1972-012A
Phase finale de l'assemblage de Pioneer 10 dans l'usine du constructeur TRW.

Pioneer 10 est une sonde spatiale développée par la NASA dans le cadre du programme Pioneer et lancée le 3 mars 1972 par une fusée Atlas-Centaur D. Pioneer 10 comme la sonde jumelle Pioneer 11 avait pour mission de faire une première reconnaissance des régions externes du Système solaire qui n'avaient jamais été explorées jusque là. Pioneer 10 est ainsi le premier engin spatial à avoir dépassé l'orbite de Mars, traversé la ceinture d'astéroïdes (1972) et effectué un survol de Jupiter (1973). Les données et photos collectées par les 15 instruments embarqués ont permis de lever certaines des inquiétudes des concepteurs des sondes Voyager beaucoup mieux équipées et lancées 5 années plus tard pour faire une étude détaillée de Jupiter, Saturne et leurs satellites. En 1973 la sonde spatiale a franchi l'orbite de la dernière planète du système solaire Neptune et s'éloigne depuis en direction de l'étoile Aldébaran qu'elle atteindra dans 2 millions d'années. Pioneer 10 est la première sonde spatiale à avoir été équipée d'un générateur thermoélectrique à radioisotope qui a permis à la sonde de s'affranchir de l'énergie solaire très réduite au niveau des planètes externes pour sa production d'énergie. Le dernier contact avec Pioneer 10 a été établi le 23 janvier 2003.

Contexte[modifier | modifier le code]

Dans les années 1960 l'ingénieur Gary Flandro du Jet Propulsion Laboratory (NASA) conçoit une mission baptisée Planetary Grand Tour qui exploite une conjonction exceptionnelle des planètes extérieures qui ne se reproduit que tous les 176 ans et qui doit permettre à des sondes spatiales de survoler plusieurs de ces planètes pratiquement sans dépenser de carburant, uniquement en utilisant l'assistance gravitationnelle. Cette mission sera finalement réalisée par les deux sondes Voyager à la fin des années 1980 mais au préalable la NASA décide de lancer une paire de sondes spatiales destinées à effectuer une première reconnaissance de cette région du système solaire. Un groupe de travail baptisé Outer Space Panel présidé James A. Van Allen fixe les objectifs scientifiques qui pourraient être assignés à une telle mission tandis que le centre spatial Goddard définit les caractéristiques techniques des sondes qui devront franchir la ceinture d'astéroïdes et effectuer un survol de Jupiter. Ce projet est formellement accepté par la NASA en février 1969 et le développement des deux sondes sont baptisées Pioneer F et Pioneer G. L'objectif initial de leur mission est d'étudier le milieu interplanétaire audela de l'orbite de Mars, d'étudier la ceinture d'astéroïdes et d'évaluer le risque de collisions d'un astéroïde avec une sonde et enfin d'étudier la planète Jupiter et son environnement. Les expériences scientifiques sont sélectionnées parmi 150 propositions au cours des années 1960 et au début des années 1970. Les sondes Pioneer 10 et 11 sont lancées respectivement en 1972 et 1973 en profitant d'une fenêtre de lancement favorable de quelques semaines qui ne se reproduit qu'une fois tous les 13 mois. Les sondes sont rebaptisées après leur lancement Pioneer 10 et 11.

Déroulement de la mission[modifier | modifier le code]

Lancement[modifier | modifier le code]

Pionner 10 installé au sommet de son lanceurAtlas-Centaur D peu avant le tir.

Pioneer 10 est lancée le 3 mars 1972 depuis le complexe 36A de la base de lancement de Cape Canaveral en Floride. Le lanceur est une fusée Atlas-Centaur D comportant un troisième étage à propergol solide TE364-4 développé pour les missions du programme Pioneer. Cet étage imprime un mouvement de rotation à la sonde spatiale qui tourne sur elle-même à une vitesse de 30 tours par minute. Trente minutes après son lancement les mats servant de support au capteur du magnétomètre et aux RTG sont déployés faisant chuter la vitesse de rotation à 4,8 tours par minute. La sonde qui se déplace à la vitesse de 51 682 km/h et est l'engin spatial le plus rapide jamais lancé par l'homme dépasse l'orbite de la Lune 11 heures après son lancement.

Survol de Jupiter[modifier | modifier le code]

Après avoir passé sans encombre cette ceinture d'astéroïdes[1], la sonde se dirigea vers Jupiter, dont l'attraction l'accéléra jusqu’à 132 000 km/h. Le 3 décembre 1973, Pioneer 10 passa à 130 354 km du sommet des nuages de la planète géante, prenant des photos de celle-ci ainsi que de ses satellites. Elle transmit aussi des informations sur les radiations émises par Jupiter, sur son atmosphère et sa constitution. Ces données furent d'un intérêt capital pour la conception des missions Voyager et Galileo qui suivirent.

Sortie du système solaire[modifier | modifier le code]

La sonde a utilisé l'assistance gravitationnelle de la planète Jupiter pour accroître sa vitesse et ainsi sortir plus rapidement du Système solaire. La sonde se dirige dans la direction opposée au déplacement du Soleil dans la galaxie et entame ainsi un périple qui doit la conduire aux alentours de l'étoile Aldébaran dans 2 millions d'années. Les instruments de la sonde sont mis à contribution pour étudier le vent solaire et les rayonnements cosmiques. La mission de la sonde arriva officiellement à son terme le 31 mars 1997 principalement pour des raisons budgétaires. Des contacts occasionnels avec la sonde continuent néanmoins à se produire. C'est ainsi qu'en 2002, pour le 30e anniversaire de son lancement, Pioneer 10, malgré son âge et les conditions qu'elle avait rencontrées, fonctionnait encore (même si de nombreux systèmes avaient été arrêtés faute d'énergie, notamment). Le dernier contact avec la sonde, très faible, eut lieu le 22 janvier 2003[2]. La tentative de contact du 7 février 2003 était restée sans réponse[2], comme celle du 4 mars 2006. Lors de ces derniers contacts avec la sonde, la vitesse de Pioneer 10 est de plus de 44 000 km/h et elle est distante du Soleil de plus de 12 milliards de kilomètres. Malgré cela, elle ne détient pas le record de distance à la Terre, celui-ci appartenant à Voyager 1. Bien que partie plus tard, Voyager 1 détient ce record depuis février 1998 car sa vitesse relative par rapport au Soleil est sensiblement plus importante. Le cout total de la mission est évalué à 350 millions US$ (valeur 2001) dont 200 millions pour le développement et 150 millions pour le lancement, la gestion opérationnelle et l'exploitation des résultats.

Caractéristiques techniques[modifier | modifier le code]

Le cœur de Pioneer 10 est constituée par un boitier de 36 cm de haut comportant 6 faces latérales longues 76 cm de longueur. Il contient le réservoir d'hydrazine utilisé par les propulseurs, 8 des 11 instruments scientifiques ainsi que l'ensemble des équipements nécessaires au fonctionnement de la sonde spatiale. Une grande antenne parabolique de 2,74 mètres de diamètre est fixée sur l'une des faces du boitier tandis que différents mats supportant les générateurs thermoélectriques à radioisotope et le magnétomètre y sont attachés. L'ensemble a une masse de 276 kg dont 30 kg d'hydrazine[3].

Énergie[modifier | modifier le code]

La sonde doit survoler Jupiter qui se situe 5 Unités Astronomiques du Soleil. L'énergie fournie par celui-ci diminue comme le carré de la distance et est au niveau de la planète géante 25 fois inférieure à celle existant au niveau de l'orbite terrestre. La NASA choisit donc pour la première fois sur ses sondes spatiales[Note 1] de remplacer les panneaux solaires par des générateurs thermoélectriques à radio-isotope (RTG) qui tirent leur énergie de la désintégration radioactive du plutonium 238. La chaleur dégagée par le processus est transformée en électricité par des thermocouples. Pour pouvoir faire fonctionner tous ses systèmes Pioneer 10 a besoin de 100 Watts. Il emporte 4 RTG de type SNAP-19 qui fournissent chacun au lancement un peu moins de 39 Watts soit 155 Watts en tout. Compte tenu de la demi-vie du plutonium 238 l'énergie fournie ne devait baisser que de 20% après 29 ans (2001). Mais la dégradation des liaisons des thermocouples fera chuter la puissance électrique beaucoup plus rapidement : de 140 Watts durant le survol de Jupiter elle passe à 65 Watts en 2005. Le modèle de RTG SNAP-19 a également été utilisé sur les atterrisseurs martiens du programme Viking. Pour éviter que le rayonnement interfère avec les capteurs des instruments scientifiques, les RTG sont installés deux par deux au bout de deux poutrelles longues de 3 mètres écartées de 120°[3].

Télécommunications[modifier | modifier le code]

Pioneer 10 utilise pour les télécommunications un système de deux émetteurs-récepteurs redondants de 8 Watts de puissance. Les signaux sont émis et captés par une antenne grand gain, une antenne moyen gain et une antenne omnidirectionnelle. L'antenne parabolique grand gain fixe, qui constitue l'élément le plus visible de la sonde, est attachée au cors de la sonde par 3 poutrelles et a un diamètre de 2,74 mètres. Elle est réalisée en nid d'abeilles d'aluminium. L'antenne moyen gain est fixée au-dessus de la parabole tandis que l'antenne omnidirectionnelle se situe sur l'arrière de l'antenne grand gain. Le système de télécommunications permet de transmettre les données avec un débit de 2048 bits par seconde durant son transit vers Jupiter mais seulement de 16 bits par seconde vers la fin de la mission[3].

Schéma de Pioneer 10.

Instruments scientifiques[modifier | modifier le code]

La sonde emporte 11 instruments scientifiques représentant une masse de 29,6 kg :

  • Le magnétomètre vectoriel à hélium HVM (Helium Vector Magnetometer)
  • Un analyseur PA (Plasma Analysator) utilisé pour étudier le plasma du vent solaire
  • Le détecteur de particules chargées CPI (Charged Particle Instrument) utilisé pour détecter les rayons cosmiques
  • L'instrument GTT (Geiger Tube Telescope) est un compteur Geiger chargé de déterminer l'intensité, le spectre énergétique et la distribution angulaire des électrons et des protons durant la traversée de la ceinture de radiations de Jupiter
  • Un détecteur de particules chargées TRD (Trapped Radiation Detector)
  • Un détecteur d'astéroïdes chargé de mesurer la densité des astéroïdes présents dans la ceinture d'astéroïdes
  • Un détecteur de micrométéorites comprenant 12 panneaux montés sur le dos de l'antenne parabolique
  • Le photomètre ultraviolet UV (Ultraviolet Photometry) chargé de déterminer les quantités d'hydrogène et d'hélium présents dans l'espace interplanétaire et dans l'atmosphère de Jupiter
  • Le photopolarimètre imageur IPP (Imaging Photopolarimeter) exploitant la rotation de la sonde pour prendre des photes larges de 0,03 degrés de Jupiter avec des filtres bleu et rouge permettant de reconstituer une image complète de la planète.
  • Un radiomètre infrarouge pour mesurer la température des nuages de Jupiter et la chaleur évacuée dans l'espace par cette planète.

Plaque[modifier | modifier le code]

Plaque de Pioneer 10
Article détaillé : Plaque de Pioneer.

Pioneer 10 est la première sonde spatiale à quitter le système solaire et à se diriger vers d'autres étoiles. À l'initiative de Eric Burgess, Carl Sagan et son épouse Linda Salzman Sagan ont conçu un message destiné à communiquer des informations sur l'origine de la sonde spatiale à un hypothétique représentant d'une intelligence extra-terrestre rencontré sur son chemin. Le message gravé sur une plaque d'aluminium doré fait figurer des représentations d'un homme, d'une femme, du Système solaire (avec la trajectoire approximative de la sonde) et d'un atome d'hydrogène.

Chronologie[modifier | modifier le code]

  • 3 mars 1972 : lancement de la sonde[2]
  • 15 juillet 1972 : la sonde entre dans la ceinture d'astéroïdes[1].
  • 3 décembre 1973 : Pioneer 10 envoie les premières images de Jupiter en gros plan.
  • 13 juin 1983 : Pioneer 10 dépasse l'orbite de Neptune, alors la planète la plus éloignée du Soleil du fait de la forte excentricité de l'orbite de Pluton.
  • 31 mars 1997 : fin de la mission[2].
  • 17 février 1998 : célèbre pour être jusqu’à cette date l'objet fabriqué par l'homme le plus éloigné de la Terre. À cette date, la distance au soleil de la sonde Voyager 1, en direction approximative de l'apex, a égalé celle de Pioneer 10 à 69.419 ua. À partir de cette date la vitesse d'éloignement de Voyager 1 dépasse celle de Pioneer 10 d'environ 1,016 ua par an.
  • 2 mars 2002 : réception réussie de télémesure. 39 minutes de données sont reçues depuis une distance de 79,83 ua.
  • 27 avril 2002 : dernière réception réussie de télémesure. 33 minutes de données sont reçues depuis une distance de 80,22 ua (plus de 12 milliards de kilomètres).
  • 23 janvier 2003 : le dernier signal, très faible, en provenance de Pioneer 10 est reçu[2].
  • 7 février 2003 : tentative infructueuse de contact avec la sonde[2].
  • 30 décembre 2005 : Pioneer 10 est à 89,7 ua du Soleil.
  • 4 mars 2006 : dernière tentative d'entrer en contact avec la sonde. Aucune réponse de Pioneer 10.

Résultats scientifiques[modifier | modifier le code]

Les sondes Pioneer 10 et 11 ont produit des résultats scientifiques notables :

  • Jupiter comme le Soleil dégage un excédent de chaleur.
  • La proportion d'hélium présent dans l'atmosphère de Jupiter est mesurée pour la première fois
  • Estimation de la température de l'atmosphère et réalisation d'une première carte de la pression atmosphérique (à 0,03 bars la température est de -163°C)
  • Mesures du champ de gravité permettant d'évaluer la densité de Jupiter. Cela permit d'en déduire que la planète ne disposait que d'un très petit noyau rocheux ou même en était dépourvu
  • Mesure de la taille et de la masse des 4 lunes galiléennes. Première photo de ces lunes avec une résolution de 170 à 400 km par pixel.
  • Découverte d'une ionosphère autour de Io
  • Observation de la Grande Tache rouge : celle-ci se situe au-dessus de la couverture nuageuse
  • Découverte de la grande taille du champ magnétique de Jupiter

Anomalie Pioneer[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Anomalie Pioneer.

Dans les années 1980, les scientifiques de la NASA remarquent que la sonde se déplace moins vite que prévu. Cette décélération est très faible de l'ordre de 8×10-10 m/s2. Cette anomalie est initialement mise sur le compte d'une erreur dans les calculs ou bien d'un défaut de la sonde spatiale. Mais quelques années plus tard, le même écart de vitesse est constaté sur la sonde Pioneer 11. Après avoir tenté, en vain, d'expliquer cette anomalie du comportement celle-ci, baptisée anomalie Pioneer, fait l'objet de nombreuses études et spéculations. Les explications les plus spectaculaires remettent en cause les lois de la mécanique céleste telles qu'elles ont été établies ou avancent un effet de la matière noire. Finalement une explication beaucoup plus prosaïque est découverte en 2011. La chaleur produite par les générateurs thermoélectriques à radioisotope est émise de façon isotrope, mais une fraction significative de celle qui est rayonnée en direction du dos de l'antenne est réfléchie par celle-ci dans la direction opposée, c'est-à-dire vers l'opposé du Soleil, provoquant par réaction une faible accélération résiduelle vers le Soleil[4]

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Les premiers RTG utilisés dans l'espace par les États-Unis étaient embarqués à bord des satellites de navigation du programme Transit en 1961.

Références[modifier | modifier le code]

  1. a et b « The Pioneers Are Way Out There After 30 Years  », lire en ligne sur spacetoday.org
  2. a, b, c, d, e et f « Pioneer 10 : dernier signal radio ? », lire en ligne sur le site futura-sciences.com
  3. a, b et c (en) « Pioneer 10 », sur NASA NSSDC Master Catalog (consulté le 4 octobre 2013)
  4. L'énigme des sondes Pioneer élucidée, article du quotidien Le Monde, daté du 11 mai 2012.

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) Paolo Ulivi et David M Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 1 The Golden Age 1957-1982, Springer Praxis,‎ 2007 (ISBN 978-0-387-49326-8)

Annexes[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]