Lucy (sonde spatiale)

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Description de cette image, également commentée ci-après
La sonde spatiale Lucy survolant un astéroïde (Vue d'artiste).
Données générales
Organisation Drapeau des États-Unis Goddard / NASA
Constructeur Drapeau des États-Unis Lockheed Martin / SWRI
Programme Discovery
Domaine Étude d'astéroïdes
Type de mission Survol
Statut En développement
Lancement 2021
Survol de Astéroïdes troyens de Jupiter
Identifiant COSPAR [1]
Site [2]

Caractéristiques techniques
Source d'énergie Panneaux solaires
Principaux instruments
L’LORRI Caméra
L'Ralph Spectromètre imageur proche infrarouge
L'TES Spectromètre infrarouge thermique

Lucy est une mission spatiale de la NASA sélectionnée dans le cadre du programme Discovery rassemblant les missions d'étude du système solaire à cout modéré. L'objectif de la mission est d'étudier in situ six astéroïdes troyens de Jupiter, qui circulent sur l'orbite de Jupiter et sont positionnés aux points de Lagrange L4 ou L5 de la planète situés en avant et en arrière de celle-ci. Lucy est le premier engin spatial à s'approcher de ces astéroïdes aux caractéristiques hétérogènes et qui, selon le modèle de Nice, seraient des « fossiles » composés des matériaux primitifs qui se sont agrégés au début de l'histoire du Système solaire pour former les planètes et autres corps célestes. La mission a été sélectionnée début janvier 2017 et la sonde spatiale doit être lancée en 2021. Après une longue phase d'approche comprenant deux assistances gravitationnelles de la Terre la sonde spatiale doit successivement étudier les deux groupes d'astéroïdes troyens entre 2027 à 2033.

Sélection de la mission Psyché[modifier | modifier le code]

Article principal : Programme Discovery.

L'appel à propositions de la treizième mission spatiale du programme Discovery, tourné vers des missions scientifiques à petit budget, est lancée par la NASA en février 2014. Il est dès le départ prévu que cette sélection puisse aboutir à la sélection de deux missions (les 13e et 14e missions du programme) si des projets répondant aux critères de qualité sont identifiés. Pour cette mission, plusieurs conditions financières ont été précisées par l'agence spatiale américaine[1],[2],[3] :

  • un tiers du cout de la mission peut être pris en charge par un partenaire international sans être inclus dans le plafond du budget fixé à 450 millions de dollars ;
  • la NASA apportera un bonus de 30 millions de dollars aux propositions qui retiendront le système de communications optique laser testé par la sonde lunaire LADEE.

La sélection se fait en trois étapes : la première sélection est suivie d'un deuxième tour à l'issue duquel seulement deux finalistes sont retenus pour une étude plus approfondie[4]. Le projet est sélectionné le parmi les 5 demi-finalistes de la treizième missiondu programme Discovery[5]. Chaque mission reçoit 3 millions de dollars pour une étude d'un an.

Finalement, la mission est retenue au terme de la compétition début janvier 2017 en même temps que Psyché. La mission doit être lancée en 2021 tandis que Psyché le sera en 2023[6]. La mission Lucy est proposée par Harold F. Levison du Southwest Research Institute à Boulder, Colorado qui en sera le responsable scientifique avec comme adjoint le Dr Catherine Olkin du même institut. Le centre de vol spatial Goddard de la NASA assurera la gestion du projet. La sonde spatiale doit être construite dans l'établissement de Denver de la société Lockheed Martin[7].

Contexte : le modèle de Nice et les astéroïdes troyens de Jupiter[modifier | modifier le code]

Le responsable scientifique de la mission, Harold F. Levison, est un des quatre chercheurs à l'origine du modèle de Nice un scénario mis au point en 2005 décrivant la formation des planètes du Système solaire. Ce scénario fournit une explication à un certain nombre de caractéristiques du système solaire notamment les propriétés des astéroïdes troyens de Jupiter qui circulent sur l'orbite de Jupiter et sont positionnés aux points de Lagrange L4 et L5 du système Jupiter-Soleil situés en avant et en arrière de la planète géante. Selon ce scénario les astéroïdes troyens de Jupiter seraient des « fossiles » composés des matériaux primitifs qui se sont assemblés au début de l'histoire du Système solaire pour former les planètes et autres corps célestes[8].

La mission de Lucy a pour objectif d'explorer les deux groupes d'astéroïdes troyens de Jupiter en survolant successivement six d'entre eux. Si la théorie de leur formation s'avère exacte, cette étude fournira des informations importantes sur les débuts du système solaire et éventuellement sur les matériaux organiques à l'origine de la vie sur Terre. Le nom donné à la mission est en rapport avec ce contexte. Lucy est un fossile d'australopithèque découvert par une équipe de chercheurs américains, français et éthiopiens codirigée par Donald Johanson (paléontologue qui a donné son nom à l'astéroïde (52246) Donaldjohanson), Maurice Taieb (géologie) et Yves Coppens (paléontologie) retrouva en 1974 les restes fossilisés. Lucy a révolutionné notre connaissance des origines humaines, en démontrant que l’acquisition de la bipédie datait d'au moins 3 millions d’années. Le nom donné à l'australopithèque était lui-même tiré de la chanson Lucy in the Sky with Diamonds des Beatles[9].

Développement[modifier | modifier le code]

Fin octobre 2018 le projet passe avec succès la revue qui clôture la phase B. Celle-ci fige le budget, le planning de développement (avec lancement en 2021) et les caractéristiques des instruments scientifiques embarqués[10].

Objectifs de la mission[modifier | modifier le code]

Lucy doit contribuer à répondre à certaines des questions fondamentales énoncées dans le cadre du Planetary Science Decadal Survey de 2013 [11] :

  • quelles sont les premières phases, les conditions et les processus de la formation du système solaire ;
  • comment les planètes gazeuses géantes se sont-elles agrégées et y a-t-il des indices de leur changement d'orbite ;
  • quels sont les processus qui ont contribué à l'accrétion et quel rôle a joué le bombardement par de gros objets célestes ;
  • quelle est la source originelle de la matière organique.

Les objectifs scientifiques fixés à la mission sont d'effectuer les mesures suivantes pour tous les astéroïdes survolés[11] :

  • composition de la surface : carte en couleurs, composition, propriétés du régolite, distribution des minéraux, des glaces et matières organiques ;
  • géologie : albédo, forme, distribution et taille des cratères, nature de la croute, datation de la surface ;
  • structure : masse, densité, composition interne (via les éjectas), fractures... ;
  • nombre, position et distribution de satellites situés dans une échelle kilométrique et des anneaux épais.

Les astéroïdes étudiés[modifier | modifier le code]

La mission a pour objectif de survoler six astéroïdes troyens de Jupiter dont un astéroïde de type C, deux de type D sans doute originaires de la ceinture de Kuiper et trois de type P. Les scientifiques estiment probable que ces cinq derniers astéroïdes soient riches en matériaux organiques et que leur structure interne contiennent de l'eau.Ces astéroïdes sont[12] :

Lucy doit également survoler (52246) Donaldjohanson, astéroïde de la ceinture principale de type C, avec comme objectif d'effectuer une répétition des procédures appliquées pour les survols des astéroïdes troyens[12],[Note 1] .

Bien qu'ayant le même nom et éponyme que la mission, l'astéroïde de la ceinture principale (32605) Lucy n'est pas un des astéroïdes qui seront explorés par la sonde. L'astéroïde (172850) Coppens, de la ceinture principale et qui porte comme (52246) Donaldjohanson le nom d'un co-découvreur de l'hominidé Lucy, ne sera pas non plus une des cibles de la sonde Lucy.

Principales caractéristiques des astéroïdes étudiés[11]
Caractéristique (52246) Donaldjohanson (3548) Eurybate (15094) Polymèle (11351) Leucos (21900) Oros (617) Patrocle et sa lune Ménétios
Position Ceinture principale Point troyen L4 Point troyen L4 Point troyen L4 Point troyen L4 Point troyen L5
Type astéroïde C C P D? D P (binaire)
Diamètre 3,9 km 64 km 21 km 34 km 51 km 113104 km
Période de rotation (heures) inconnue 8,7 ? 515 13,5 103
Albedo 0,1 0,05 0,091 0,08 0,08 0,047
Excentricité 0,19 0,09 0,094 0,07 0,04 0,12
Inclinaison orbitale 4,4° 8,1° 12,99° 12° 8,5° 22°
Angle de phase initial 14° 78° ? 126° 18°

Déroulement de la mission[modifier | modifier le code]

Trajectoire de Lucy dans le système solaire avec indication des survols des astéroïdes troyens de Jupiter et des corrections de trajectoire (M1 à M5).

Une trajectoire complexe a été mise au point pour permettre à la sonde spatiale Lucy de survoler les sept astéroïdes en effectuant un unique passage dans les deux groupes d'astéroïdes troyens. Les orbites des astéroïdes visités ont des inclinaisons orbitales (par rapport au plan de l'écliptique) différentes les unes des autres ce qui impose de faire coïncider précisément le survol avec l'intersection entre les plans orbitaux de la sonde spatiale et et du corps survolé. Tout délai dans l'heure de survol impose une correction de la trajectoire très pénalisante en carburant. Globalement la mission nécessite un changement de vitesse cumulé important évalué à 1,678 km/s. Pour passer à la distance souhaitée des astéroïdes les mesures effectuées depuis la Terre ne sont pas suffisante. Il est prévu d'avoir recours au système de navigation optique embarqué (OpNav) s'appuyant sur les caméras scientifiques afin de déterminer avec précision les corrections à apporter à la trajectoire. Pour remplir son objectif la sonde spatiale est placée après son lancement sur une orbite héliocentrique très elliptique (0,7) d'une périodicité de 6 ans (en résonance 1:2 avec la périodicité de Jupiter) dont l'apogée se situe au niveau de l'orbite de Jupiter. Lors de son premier passage à l'apogée de son orbite elle survole le premier groupe d'astéroïdes troyens, au deuxième passage, le système jupitérien ayant parcouru une demi orbite, son apogée la fait traverser le deuxième groupe de troyens.[12].

La sonde spatiale Lucy doit décoller depuis la base de Cape Canaveral en 2021. Pour effectuer son premier survol, la sonde spatiale survole à deux reprises la la Terre pour gagner en vitesse grâce à l'assistance gravitationnelle de notre planète et effectue quatre corrections de trajectoire avec sa propulsion. Elle se dirige alors vers Jupiter. Durant le transite vers la planète géante elle traverse la ceinture d'astéroïdes en avril 2025 et doit survoler à cette occasion l'astéroïde (52246) Donaldjohanson. Elle devrait arriver dans la région du point de Lagrange L4 en 2027 et survoler quatre astéroïdes d'ici la fin 2028 : (3548) Eurybate, (15094) Polymèle, (21900) Oros et (11351) Leucos. Lucy retournerait ensuite dans le voisinage de la Terre pour en effectuer un second survol avant de partir en direction de la région du point L5 afin d'explorer les deux derniers astéroïdes, (617) Patrocle et sa lune Ménétios, qui orbitent l'un autour de l'autre en tant que système binaire[13],[12].

Principaux événements de la mission
Date Désignation[14] Description
octobre 2021 Lancement C3 = 51,5 km2/s2
2023 ? Correction de trajectoire delta-V = 372 m/s
décembre 2024 Assistance gravitationnelle de la Terre survol à une altitude 4 501 km
avril 2025 Survol de (52246) Donaldjohanson vitesse de survol = 13,4 km/s
2026 ? Correction de trajectoire delta-V = 148 m/s
août 2027 Survol de (3548) Eurybate vitesse de survol = 5,7 km/s
septembre 2027 Survol de (15094) Polymèle
2027 ? Correction de trajectoire delta-V = 71 m/s
avril 2028 Survol de (11351) Leucos
novembre 2028 Survol de (21900) Oros vitesse de survol = 7 km/s
2029 ? Correction de trajectoire delta-V = 623 m/s
janvier 2031 Assistance gravitationnelle de la Terre survol à une altitude 300 km
mars 2033 Survol de (617) Patrocle et sa lune Ménétios vitesse de survol = 18,2 km/s

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

Lucy a une envergure en orbite de 13 mètres due essentiellement à ses panneaux solaires fixés de part et d'autre du corps de la sonde spatiale qui doivent capter le faible rayonnement solaire qui subsiste au niveau de l'orbite de Jupiter. Les données sont envoyées vers la Terre par l'intermédiaire d'une antenne parabolique de 2 mètres de diamètre[15].

Instrumentation scientifique[modifier | modifier le code]

La charge utile comprend les trois instruments suivants [15] :

  • L'LORRI ('Lucy's LOng Range Reconnaissance Imager) est une caméra permettant la prise d'images panchromatiques à haute résolution. Elle fonctionne en lumière visible (0,35-0,85 microns). Elle est chargée de prendre des images détaillées de la surface des astéroïdes. Elle dérive de l'instrument LORRI de la sonde spatiale New Horizons ;
  • L'Ralph comprend une caméra haute définition MVIC (Multi-spectral Visible Imaging Camera) fonctionnant en lumière visible (0,4-0,85 microns) et un spectromètre imageur LEISA (Linear Etalon Imaging Spectral Array) fonctionnant dans l'infrarouge (1-3,6 microns). Les deux instruments partagent la même optique. LEISA doit permettre d'identifier les différents silicates, glaces et organiques présents à la surface des astéroïdes. MVIC prendra des photos en couleur des astéroïdes et contribuera à déterminer s'ils sont actifs. L'instrument dérive de celui embarqué sur la mission New Horizons. Plusieurs modifications ont été apportées : la bande spectrale observée est plus large, un miroir mobile permet d'éviter de faire pivoter la sonde spatiale pour effectuer les prises d'images en continu et le détecteur infrarouge comprend 2 000 x 2 000 pixels contre 256 x 256 pour l'instrument de New Horizons[16].
  • L'TES (Lucy's Thermal Emission Spectrometer) est un spectromètre infrarouge thermique (6-75 microns). Il doit aider à déterminer certaines propriétés des astéroïdes comme leur inertie thermique, la quantité de chaleur contenue ce qui fournira des indices sur la composition et la structure des matériaux présents à la surface. Il dérive de l'instrument embarqué à bord des missions OSIRIS-REx et Mars Global Surveyor.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Le Centre des planètes mineures l'a nommé ainsi en décembre 2015 en l'honneur d'un des co-découvreurs de l'australopithèque Lucy.

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) « NASA Discovery Program Draft Announcement of Opportunity », SpaceRef,
  2. (en) Stephen Clark, « NASA receives proposals for new planetary science mission », Spaceflightnow,
  3. (en) Van Kane, « PDiscovery Finalists », The Planetary Society,
  4. (en) Van Kane, « Proposals to Explore the Solar System’s Smallest Worlds », The Planetary Society,
  5. (en) Dwayne C. Brown et Laurie Cantillo, « NASA Selects Investigations for Future Key Planetary Mission », NASA News, Washington, D.C.,‎ (lire en ligne)
  6. (en) « NASA Selects Two Missions to Explore the Early Solar System », NASA - JPL,
  7. (en) « Lockheed Martin to Build NASA's Lucy Spacecraft, a Mission to Trojan Asteroids », Lockheed Martin,
  8. (en) Alexandra Witze, « Five Solar System sights NASA should visit », Nature News,‎ (lire en ligne)
  9. « Overview », sur Site du SWRI dédié à la mission Lucy, Southwest Research Institute (SwRI) (consulté le 12 novembre 2018)
  10. (en) « NASA’s Mission to Jupiter’s Trojans Given the Green Light for Development », NASA,
  11. a b et c (en) Harold F. Levison, « Lucy Syrveying the diversit of troja, asteroids : the fossils of planet formation », Southwest Research Institute,
  12. a b c et d (en) Dale Stanbridge, Kenneth Williams et Bobby G. Williams (aout 2017) « Lucy: Navigating a Jupiter Trojan Tour » (pdf) dans AAS/AIAA Astrodynamics Specialist : 21 p., Stevenson Washington: AAS/AIAA. 
  13. (en) Casey Dreier et Emily Lakdawalla, « NASA announces five Discovery proposals selected for further study », The Planetary Society,‎ (lire en ligne)
  14. (en) H. F. Levison1 et l'équipe scientifique de Lucy, « LUCY: SURVEYING THE DIVERSITY OF THE TROJAN ASTEROIDS: THE FOSSILS OF PLANET FORMATION. »
  15. a et b « The Lucy Spacecraft and Payload », sur Site SwRI consacré à la mission Lucy, Southwest Research Institute (SwRI) (consulté le 11 novembre 2018)
  16. Tamsyn Brann, « Aboard the first spacecraft to the Trojan asteroids », spacedaily.com,

Bibliographie / sources[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Demi-finalistes du programme Discovery

Lien externe[modifier | modifier le code]