Europa Clipper

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Europa Clipper
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Survol d'Europe par Europa Clipper (vue d'artiste)

Données générales
Organisation NASA
Domaine Étude de la lune Europe
Type de mission Orbiteur
Statut à l'étude
Survol de Europe
Caractéristiques techniques
Masse au lancement ~3 à 4 tonnes
Satellite de Jupiter

Europa Clipper est un projet de mission spatiale de la NASA dont l'objectif est l'étude d'Europe, une des lunes de Jupiter. Europe constitue un objectif scientifique de premier plan depuis que les données fournies par la sonde Galileo à la fin des années 1990, ont permis de déterminer qu'il existait probablement un océan d'eau liquide sous sa surface glacée qui pourrait abriter des formes de vie. Mais la mission d'exploration, qui doit se dérouler dans une région de l'espace fortement irradiée, est complexe et aucun des projets élaborés jusqu'à présent n'a abouti faute de disposer de moyens financiers suffisants.

Le projet Europa Clipper prévoit le lancement au début de la décennie 2020 d'une sonde spatiale de plus de 3 tonnes emportant plusieurs instruments dont un radar permettant de sonder l'océan sous la glace. Après un transit de plus de 6 ans avec un recours à l'assistance gravitationnelle de Vénus et de la Terre, la sonde spatiale doit se placer en orbite autour de Jupiter. La partie scientifique de la mission comporte 45 survols d'Europe sur une période de 3,5 ans. Le coût du projet est évalué à plus de 2 milliards US$ sans inclure le lanceur lourd Atlas V. Des études préliminaires ont été lancées mais la NASA ne dispose pas en 2015 d'un budget lui permettant de développer la sonde spatiale.

Contexte[modifier | modifier le code]

La lune de Jupiter Europe objectif prioritaire de l'exploration du système solaire[modifier | modifier le code]

Article principal : Europe (lune).
La surface d'Europe est composée de glace d'eau et sans doute de sels (taches brunes et rouges.
Deux structures possibles de la couche de glace recouvrant Europe.

Europe est un satellite de Jupiter dont le diamètre est proche de celui de la Lune (3 121 kilomètres). Mais contrairement à cette dernière, sa surface, constituée d'une couche de glace sillonnée de fissures et d'arêtes entrecoupées de zones lisses et comportant peu de cratères d'impact, reflète une activité intense et récente. Plusieurs indices semblent montrer qu'Europe comporte sous sa couche de glace un océan d'eau liquide résultant du réchauffement suscité par les forces de marée qu'exerce Jupiter sur sa lune. Celles-ci sont particulièrement importantes car Europe est à la même distance de la planète géante que la Lune de la Terre, mais Jupiter est 20 000 fois plus massive que la Terre. La pression exercée par les forces de marée sur les roches entraine leur échauffement permettant sans doute la présence d'eau liquide malgré une température extérieure qui ne dépasse jamais −150 °C. L'océan souterrain pourrait constituer une zone habitable et héberger des micro-organismes. Pour cette raison, l'étude d'Europe par une sonde spatiale a été identifiée comme une mission prioritaire par les deux derniers rapports scientifiques décennaux de 2003 et 2011 consacrés aux sciences planétaires[1].

Résultats des précédentes missions[modifier | modifier le code]

Les deux sondes spatiales du programme Voyager sont les premières dans les années 1970 à avoir révélé les formations étranges présentes à la surface d'Europe. Mais ces engins spatiaux n'ont pu fournir que des images à faible résolution qui soulevaient plus de questions qu'elles n'apportaient de réponses. La sonde spatiale Galileo qui a séjourné dans le système jovien de 1995 à 2003 a effectué 11 survols d'Europe et a permis d'obtenir des images et des spectres à haute résolution de différentes régions de la surface d'Europe. Ce sont ces observations qui ont permis d'émettre l'hypothèse d'un océan souterrain. Certaines formations à la surface permettent de penser que des échanges ont lieu entre celle-ci et l'océan souterrain. Selon les données fournies par le magnétomètre de Galileo, le déplacement d'Europe dans le champ magnétique de Jupiter induit un champ magnétique propre à la lune qui pourrait être créé par des courants électriques circulant dans les eaux salées de l'océan souterrain. L'irradiation des particules chargées en surface peuvent créer des oxydants qui, s'ils sont transportés dans l'océan, pourraient servir de carburant à des formes simples de vie[1].

Les questions en suspens[modifier | modifier le code]

À l'issue de la mission de Galileo, il subsiste de nombreuses inconnues car les instruments de Galileo n'étaient pas adaptés à l'étude de la lune Europe. Ainsi, la mesure de la gravité via l'effet Doppler a permis de déterminer qu'Europe était recouvert d'une couche d'eau ou de glace d'une épaisseur comprise entre 80 et 150 km sans qu'on sache quelle est la proportion d'eau liquide. Il n'existe pas non plus de signe évident d'activité géologique même si des panaches de vapeur d'eau ont peut-être été aperçus par le télescope spatial Hubble. Bien que la modélisation des fractures qui sillonnent la surface progresse, les scientifiques n'arrivent pas à conclure sur les processus à l’œuvre. On ne dispose pas de suffisamment d'éléments non plus pour déterminer si Europe dispose de sources d'énergie suffisantes pour entretenir la vie dans son océan intérieur[1].

Historique du projet[modifier | modifier le code]

Les difficultés d'une mission d'étude d'Europe[modifier | modifier le code]

Toute mission d'exploration d'Europe constitue un projet coûteux pour trois raisons. Europe est un univers complexe qui nécessite de recueillir beaucoup de données pour comprendre son histoire et ses caractéristiques. Europe fait partie des corps célestes externes du système solaire : son éloignement de la Terre et du Soleil nécessite des systèmes de communication et de production d'énergie performants et donc coûteux. Enfin, Europe se trouve dans la zone de rayonnement intense qui entoure Jupiter et son approche nécessite un blindage et une électronique durcie qui accroissent la masse et le coût de la sonde spatiale. Même équipée pour résister au rayonnement, la durée de vie d'une sonde spatiale étudiant Europe est courte : elle a été évaluée à un mois pour un orbiteur d'un coût de 1,6 milliard US$ et à 9 mois pour un orbiteur d'un coût de 4,5 milliards US$[2].

Les projets avortés[modifier | modifier le code]

Les premiers résultats fournis par la sonde spatiale Galileo ont donné naissance successivement à plusieurs projets de mission d'étude d'Europe sans qu'aucun n'aboutisse jusqu'à présent faute de disposer de suffisamment de moyens financiers.

Europa Orbiter[modifier | modifier le code]

En 1997, la NASA, très satisfaite des résultats des missions interplanétaires à faible coût du programme Discovery et de la première mission Mars Surveyor, décide de transposer ce concept à des objectifs prioritaires beaucoup plus complexes. L'étude de trois missions est confiée au centre spatial JPL dans le cadre d'un projet surnommé Fire and Ice (Le feu et la glace). Parmi celles-ci figurent Europa Orbiter qui doit étudier la lune Europa avec un nombre d'instruments réduit pour limiter les coûts. L'enveloppe budgétaire prévue est de 190 millions US$ mais les coûts s'envolent au fur et à mesure de l'avancement de l'étude pour atteindre 1,4 milliard US$. Le projet est alors abandonné[3].

Jupiter Icy Moons Orbiter[modifier | modifier le code]

L'administrateur suivant de la NASA a une démarche complètement opposée. Il fait étudier au début des années 2000 la mission Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO) dont l'objectif est l'exploration des lunes glacées de Jupiter avec comme cible principale la lune Europe. La sonde spatiale de 36 tonnes doit disposer d'un réacteur nucléaire qui permet l'emport de plusieurs centaines de kilogrammes d'instrumentation scientifique[4]. Ce projet au coût démesuré (16 milliards US$ alors que l'allocation budgétaire annuelle pour le développement des missions interplanétaires est inférieure à 1 milliard US$) est abandonné en 2005 lorsque l'administrateur quitte son poste[5].

Jupiter Europa Orbiter[modifier | modifier le code]

En 2008, la NASA définit un nouveau projet de mission vers Europe baptisé Jupiter Europa Orbiter (abrégé en JEO). Contrairement au projet précédent, cette mission repose sur des technologies maitrisées. JEO doit effectuer une étude approfondie du système jovien avant de se placer en orbite autour d'Europe pour une durée de 9 mois. Mais le coût du projet, évalué à 4,3 milliards US$, est considéré comme très élevé par l'agence spatiale et le projet est abandonné en 2011[6].

Europa Clipper[modifier | modifier le code]

À la suite de l'abandon de JEO, l'agence spatiale américaine décide d'étudier en 2012 trois types de mission vers Europe - un orbiteur, un engin effectuant des survols et un atterrisseur - en imposant que le coût du projet reste inférieur à 2 milliards US$. Le projet d'atterrisseur est rapidement éliminé, faute d'informations suffisamment précises sur les sites les plus intéressants sur le plan scientifique et sur la topographie des zones d'atterrissage. Dans l'enveloppe budgétaire imposée, l'orbiteur a une durée de vie estimée à 30 jours. La version effectuant des survols doit réaliser 34 passages à proximité de la lune en accumulant l'équivalent de 6 jours d'observation. Malgré cette durée d'observation beaucoup plus brève, ce dernier engin peut retourner près de trois fois plus de données car le débit en transmission est beaucoup plus faible que le volume collecté par les instruments : la sonde spatiale dispose en effet de 7 à 10 jours entre chaque survol pour transférer les données. Compte tenu des objectifs poursuivis, la mission effectuant des survols est préférée car elle permet une bonne mise en œuvre des instruments clés comme le radar chargé d'observer sous la glace ou le spectromètre infrarouge chargé d'identifier les éléments chimiques présents. Au cours des deux années suivantes, les caractéristiques de la mission sont affinées : 11 survols sont ajoutés et des instruments complémentaires sont étudiés. Le projet, dont le coût est désormais évalué à 2,1 milliards US$, est rebaptisé Europa Clipper. Toutefois, les responsables de la NASA ne souhaitent pas lancer immédiatement les développements car ils ne disposent pas des fonds nécessaires dans les prévisions budgétaires. Le Congrès américain, très favorable au projet, débloque en 2013 et 2014 des enveloppes substantielles non demandées par l'agence spatiale pour conduire des études préliminaires sans aller jusqu'à accorder un budget pour l'ensemble du projet. Les dirigeants de la NASA de leur côté ont demandé en 2014 une étude pour parvenir à un projet d'un coût inférieur à un milliard US$[2]. En 2014, la NASA lance un appel à propositions auprès de la communauté scientifique pour permettre la sélection des instruments scientifiques. En mai 2015, la NASA annonce qu'après avoir passé en revue 33 projets, elle en a retenu neuf qui seront installés à bord de la sonde spatiale1[7].

Comparaison des différents projets américains de mission vers Europe
Caractéristique Europa Orbiter Jupiter Icy Moons Orbiter Jupiter Europa Orbiter Europa Clipper Europa Orbiter (2012)
Début de l'étude 1997 2000 2008 2012 2012
Statut abandon (2000) abandon (2005) abandon (2011) A l'étude A l'étude
Coût 190 Mns USD$ ⇒ 1,4 Md USD$ 16 Mds USD$ 4,3 Mds USD$ 2,1 Mds USD$ 1,4 Md USD$
Caractéristiques de la mission Orbiteur Orbiteur Orbiteur 45 survols Orbiteur
Durée
(consacrée à Europe)
 ? 1 mois 9 mois 3,5 ans 1 mois
Production énergie RTG Moteur à fission nucléaire RTG Panneaux solaires ? Panneaux solaires ?
Autre caractéristique Mission à très bas coût
masse totale < 200 kg
Objectifs comprennent
d'autres lunes de Jupiter

Objectifs de la mission[modifier | modifier le code]

L'objectif principal de la mission est d'étudier Europe pour déterminer si la lune peut abriter la vie. Il s'agit de[8] :

  • s'assurer de la présence d'eau sous la croûte de glace ou au sein de la glace et déterminer les caractéristiques de l'eau présente ainsi que les processus d'échanges entre la surface et l'océan intérieur ;
  • déterminer la distribution et la composition chimique des principaux constituants de la lune et les liens existant avec la composition de l'océan ;
  • déterminer les caractéristiques et le mode de genèse des formations se trouvant à la surface y compris les sites reflétant une activité récente.

Déroulement de la mission[modifier | modifier le code]

Orbite de Europa Clipper.

Le projet en cours d'élaboration en 2015 prévoit un lancement de Europa Clipper au début de la décennie 2020. La sonde spatiale serait lancée par une fusée lourde Atlas V 551 depuis la base de Cape Canaveral. Si le lancement était effectué en novembre 2021, l'arrivée dans le système jovien aurait lieu début avril 2028. Compte tenu de la masse élevée d'Europa Clipper (plus de 3 tonnes), il sera nécessaire d'utiliser à trois reprises l'assistance gravitationnelle des planètes intérieures (une première assistance de Vénus puis deux de la Terre) pour obtenir une vitesse permettant d'atteindre Jupiter. Le transit jusqu'à l'objectif doit durer 6,5 ans. Arrivée à proximité de Jupiter, la sonde spatiale utilise de manière continue durant deux heures sa propulsion principale pour réduire sa vitesse et se placer ainsi en orbite autour de la planète géante. En utilisant à quatre reprises l'assistance gravitationnelle de la lune Ganymède sur une période de trois mois, Europa Clipper modifie son orbite de manière à effectuer un survol rapproché d'Europe à chaque fois qu'elle boucle un tour autour de Jupiter. Les survols de Ganymède ainsi que de Callisto permettront des observations scientifiques mais celles-ci ne figurent pas dans les priorités de la mission. Le plan orbital sur lequel circule Europa Clipper fait un angle avec le plan orbital des lunes de Jupiter : cette configuration permet à la sonde spatiale de ne séjourner que brièvement dans la ceinture de radiations, au moment où elle coupe le plan orbital des lunes[9].

Au cours de sa mission scientifique qui doit durer 3,5 ans, la sonde spatiale va effectuer 45 survols de la lune Europe à des distances comprises entre 25 et 2 700 km. Il est prévu que la sonde spatiale utilise l'assistance gravitationnelle de la lune pour modifier la région survolée de manière à effectuer successivement des observations détaillées de la majeure partie de la surface dans de bonnes conditions d'éclairage. À chaque survol, les observations se décomposent en quatre phases[9] :

  • durant la phase d'approche, des vues avec une résolution réduite sont réalisées avec le spectromètre infrarouge ;
  • lorsque la lune n'est plus distante que de 1 000 km, les instruments suivants sont activés : le radar chargé d'effectuer des observations sous la glace, la caméra qui réalise des images de la topographie et le spectromètre de masse neutre qui détermine la composition chimique de la surface ;
  • lorsque la distance est inférieure à 400 km, le radar collecte des données et les deux autres instruments fonctionnent de manière continue ;
  • au-delà de cette distance, lorsque la sonde spatiale s'éloigne d'Europe, le spectromètre infrarouge prend à nouveau des vues à faible et haute résolution.

Une fois les 45 survols effectués, la mission d'Europa Clipper pourrait être prolongée pour réaliser des survols supplémentaires de Europe si son électronique a pu résister aux traversées périodiques de la ceinture de radiation (l'épaisseur du blindage est conçue pour permettre à la sonde spatiale de survivre à une dose de radiations double de celle prévue). À la fin de la mission, avant que les ergols ne soient épuisés ou que l'électronique ne soit complètement défaillante, il est prévu de précipiter la sonde spatiale sur la surface de Ganymède pour éviter une contamination de Europe par des micro-organismes terrestres[9].

L'option du lancement par le lanceur lourd SLS[modifier | modifier le code]

Le lanceur lourd SLS en cours de développement par la NASA pourrait être utilisé à la place de la fusée Atlas V pour raccourcir la durée du transit entre la Terre et Jupiter. Toutefois, ce choix entraine un surcoût très important. La puissance de SLS permet d'éviter le recours à l'assistance gravitationnelle de Vénus et de la Terre ce qui permet de faire passer la durée du transit de 6,4 à 1,9 an. Le recours au SLS présente d'autres avantages[10] :

  • la sonde spatiale n'a plus besoin de disposer d'une protection thermique permettant d'affronter les températures élevées rencontrées au niveau de l'orbite de Vénus (la sonde ne s'approche jamais à moins de 1 Unité Astronomique du Soleil au lieu de 0,6 U.A.) ;
  • la marge de sécurité concernant un éventuel dépassement de masse en cours de développement passe de 41 à 45% ;
  • si le choix du RTG est retenu pour la production d'énergie, le recours au SLS élimine le risque d'incident nucléaire lié au survol à faible distance de la Terre durant les manœuvres d'assistance gravitationnelle.

Caractéristiques de la sonde spatiale[modifier | modifier le code]

Mise en œuvre des instruments durant un survol.

La sonde spatiale pourrait peser entre 3 et 4 tonnes. L'énergie pourrait être fournie des RTG ou par des panneaux solaires (moins coûteux mais plus lourds).

Instrumentation scientifique[modifier | modifier le code]

Instrument Name Abbr. Description
Interior Characterization of Europa using Magnetometry
ICEMAG
ICEMAG devra mesurer le champ magnétique à proximité d'Europe et avec les données complémentaires fournies par l'instrument PIMS, en déduire la position, l'épaisseur et la salinité de l'océan souterrain d'Europe.
  • Responsable du développement de l'instrument : Carol Raymond, JPL
Plasma Instrument for Magnetic Sounding
PIMS
Le sondeur PIMS fonctionne conjointement avec le magnétomètre et joue un rôle clé en corrigeant les données fournies par ce dernier de manière à ce que soit pris en compte le champ magnétique induit par les courants de plasma qui circulent autour d'Europe.
  • Responsable du développement de l'instrument : Joseph Westlake, APL[11]
Mapping Imaging Spectrometer for Europa
MISE
Ce spectromètre imageur doit identifier et cartographier la distribution des matériaux organiques, des sels, des acides hydratés, de l'eau dans ses différentes phases ainsi que des autres composants afin de déterminer la composition d'Europe. Cela donnera des indices sur la possibilité pour l'océan du satellite de Jupiter d'abriter la vie.
  • Responsable du développement de l'instrument: Diana Blaney, JPL
Europa Imaging System
EIS
Les caméras EIS dotées d'un grand angle et d'un téléobjectif doivent cartographier la majeure partie de la surface d'Europe avec une résolution de 50 mètres et fournir des images de certaines parties du satellite avec une résolution cent fois supérieure.
  • Responsable du développement de l'instrument: Elizabeth Turtle, APL
Radar for Europa Assessment and Sounding: Ocean to Near-surface
REASON
Le radar REASON est chargé de mesurer et déterminer les caractéristiques de la croûte de glace qui s'étend de la surface jusqu'à l'océan interne.
Europa Thermal Emission Imaging System
E-THEMIS
Le détecteur de chaleur E-THEMIS doit fournir une image thermique à haute résolution et dans plusieurs spectres afin de détecter les sites actifs tels que les jets d'eau éjectés par la lune. Cet instrument dérive de l'instrument THEMIS, qui a volé sur 2001 Mars Odyssey.
MAss SPectrometer for Planetary EXploration/Europa
MASPEX
doit déterminer la composition de la surface et de l'océan souterrain en effectuant des mesures de l'atmosphère extrêmement ténue d'Europe et des matériaux éjectés depuis la surface.
Ultraviolet Spectrograph/Europa
UVS
Le spectrographe ultraviolet UVS utilise la même technique que le télescope spatial Hubble pour détecter la présence d'eau dans les panaches des jets qui s'élèvent au-dessus de la surface d'Europe. UVS doit permettre de localiser les petits jets et fournir des informations intéressantes sur la composition et la dynamique de l'atmosphère d'Europe.
SUrface Dust Mass Analyzer
SUDA
L'analyseur de poussière SUDA mesure la composition des particules solides de petite taille éjectées d'Europe et fournit ainsi l'opportunité d'étudier des échantillons de la surface et des jets durant les survols à basse altitude.
  • Responsable du développement de l'instrument : Sascha Kempf, UCB

Sondes auxiliaires[modifier | modifier le code]

Recherche de biosignatures[modifier | modifier le code]

La NASA a envisagé l'emport d'une sonde additionnelle d'une masse d'environ 250 kg, équipée de propulseurs de plus faible puissance mais qui serait plus modulable que Clipper pour aller analyser l'eau sortant des geysers d'Europe à la recherche de biosignatures[12]. Cette sonde possèderait un spectromètre de masse, un chromatographe phase gazeuse, et des caméras dans l'UV, l'infrarouge et le visible, pour compléter le travail d'imagerie fait par Clipper.

Atterrisseur[modifier | modifier le code]

En quelques années, la sonde pourrait cartographier une grande majorité de la surface d'Europe, permettant aux chercheurs de déterminer un site d'atterrissage pertinent. Emportant différents spectromètres alimentées sur batteries, un atterrisseur pourrait déterminer avec une bonne précision la composition chimique de la surface [13] . L'utilisation d'un étage de descente proche de celui des Mars Science Laboratory permettrait une bonne précision de l'atterrissage, près d'une faille active (ce type de site serait à privilégier sachant qu'on y trouve de la glace récente, plus fidèle à la chimie de l'océan souterrain).

Références[modifier | modifier le code]

  1. a, b et c (en) Cynthia B.P. Phillips, Robert T. Pappalardo et al., « Europa Clipper Mission Concept: Exploring Jupiter’s Ocean Moonn », Eos, Transactions American Geophysical Union, vol. 95, no 20,‎ , p. 165-167 (lire en ligne)
  2. a et b (en) Van Kane, « Europa: How Less Can Be More », sur Planetary Society,
  3. Robotic Exploration of the Solar System Part 3 Wows and Woes 1997-2003, p. 256
  4. (en) Michael Braukus, Carolina Martinez, « Prometheus Contract », JPL, (consulté le 28 mai 2008)
  5. (en) Brian Berger, « NASA 2006 Budget Presented: Hubble, Nuclear Initiative Suffer », Space.com, (consulté le 26 mai 2008)
  6. (en) Fabio Favata, « New approach for L-class mission candidates, April 19, 2011 », sur ESA (consulté le 28 août 2011)
  7. (en) « NASA’s Europa Mission Begins with Selection of Science Instruments », NASA,
  8. (en) Robert Pappalardo, Brian Cooke, Barry Goldstein, Louise Prockter, Dave Senske, Tom Magner, « The Europa Clipper OPAG Update », , p. 6-7
  9. a, b et c (en) « SSE Home > Missions > By Target > Jupiter > Concept > Europa Clipper », sur NASA (consulté le 14 février 2015)
  10. (en) Robert Pappalardo, Brian Cooke, Barry Goldstein, Louise Prockter, Dave Senske, Tom Magner, « The Europa Clipper OPAG Update », , p. 30-31
  11. (en) Westlake, Joseph, « The Plasma Instrument for Magnetic Sounding (PIMS): Enabling Required Plasma Measurements for the Exploration of Europa », Extrait (9e partie) d’une conférence (la P13E) du Fall meeting de 2015, Union américaine de géophysique, (consulté le 7 janvier 2017)
  12. (en) Michael J. Amato, P. Spidaliere et P. Mahaffy (2016). « Biosignature Explorer for Europa (BEE) Probe – The Concept for Directly Searching for Life Evidence on Europa at Lower Cost and Risk » (PDF) in 47th Lunar and Planetary Science Conference. . 
  13. (en) Eric Berger, « Attempt no landing there? Yeah right—we’re going to Europa », ARS Technica,‎ , p. 1–3 (lire en ligne)

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) Europa Study Team (NASA JPL), Europa study 02 report Europa multiple flyby mission, NASA, , 215 p. (lire en ligne)
    Étude détaillée de la NASA sur une mission d'étude d'Europe consistant en de multiples survols (2012)
  • (en) Paolo Ulivi et David M Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 3 Wows and Woes 1997-2003, Springer Praxis, (ISBN 978-0-387-09627-8)
    Description détaillée des missions (contexte, objectifs, description technique, déroulement, résultats) des sondes spatiales lancées entre 1997 et 2003.
  • (en) Paolo Ulivi et David M. Harland, Robotic exploration of the solar system : Part 4 : the Modern Era 2004-2013, Springer Praxis, , 567 p. (ISBN 978-1-4614-4811-2) Document utilisé pour la rédaction de l’article

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

  • Jupiter et Europe objectifs de la mission.
  • Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) mission de l'ESA qui doit également survoler et étudier Europe.
  • Galileo et Juno, les deux missions consacrées au système jovien qui précèdent JUICE et Europa Clipper.

Liens externes[modifier | modifier le code]