Pioneer 10

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Pioneer 10
Sonde spatiale
Description de cette image, également commentée ci-après
Pioneer H (sonde identique et jamais lancée) au National Air and Space Museum à Washington, DC
Données générales
Organisation Drapeau des États-Unis NASA/ Ames
Constructeur Drapeau des États-Unis TRW
Programme Pioneer
Domaine Exploration de Jupiter et du milieu interplanétaire
Statut mission achevée
Autres noms Pioneer-F
Lanceur Atlas-Centaur
Identifiant COSPAR 1972-012A
Principaux jalons
Lancement 3 mars 1972
Survol de Jupiter 4 décembre 1973
Passe l'orbite de Pluton 13 juin 1983
Fin de mission 31 mars 1997
Dernier signal radio 23 janvier 2003
Caractéristiques techniques
Masse au lancement 258 kg
Masse instruments 29,6 kg
Ergols hydrazine
Masse ergols 27 kg
Δv 187,5 m/s
Contrôle d'attitude Spinné
Source d'énergie RTG
Puissance électrique 155 Watts
Trajectoire
Orbite héliocentrique

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, au-delà de l'orbite de Mars, qui n'avaient jamais été explorées jusque-là. Pioneer 10 est ainsi le premier engin spatial à avoir traversé la ceinture d'astéroïdes (1972) et effectué un survol de Jupiter (1973). Les données et photos collectées par les 11 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 1983, la sonde spatiale a franchi l'orbite de Neptune, la dernière planète du système solaire, 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 .

Contexte[modifier | modifier le code]

Les projets américains d'exploration des planètes externes dans les années 1960[modifier | modifier le code]

Au début de l'ère spatiale, dans la première moitié de la décennie 1960, les missions d'exploration du système solaire menées par la NASA, l'agence spatiale américaine, se concentrent sur la Lune et les deux planètes les plus proches de la Terre : Mars et Vénus. Les trois centres spatiaux de la NASA impliqués dans les missions interplanétaires - le centre de recherche Ames, le centre de vol spatial Goddard et le Jet Propulsion Laboratory - à la suite de leurs premiers succès étudient des missions visant des objectifs plus éloignés. Le centre spatial Ames a lancé dans les années 1960 plusieurs petites sondes spatiales (Pioneer 6 à 9) qui ont étudié l'espace interplanétaire à proximité de la Terre. Fort du succès rencontré Ames débute la conception de deux nouvelles sondes spatiales (Pioneer F et Pioneer G) avec un programme similaire (étude du vent solaire, des rayons cosmiques et autres caractéristiques du milieu interplanétaire) mais qui doivent s'éloigner jusqu'à une distance de 4 Unités Astronomiques du Soleil soit 4 fois la distance Terre-Soleil. À la même époque le centre Goddard étudie la mission Galactic Jupiter Probe dont les objectifs comprennent l'étude de la ceinture d'astéroïdes et de l'environnement autour de la planète Jupiter. La sonde spatiale chargée de cette mission a recours pour la première fois dans une mission interplanétaire à un RTG qui utilise la chaleur dégagée par la désintégration du plutonium pour produire l'énergie qui lui est nécessaire. En effet à grande distance du Soleil les panneaux solaires, compte tenu du rendement obtenu à l'époque, ne sont plus une solution viable. Goddard propose de construire 4 sondes spatiales lancées par paires pour un budget total de 100 millions US$. Le JPL qui a rencontré un énorme succès avec ses sondes spatiales Mariner propose de son côté la mission Navigator, un projet de sonde spatiale particulièrement ambitieux, avec une masse de 1 tonne et un ensemble très complet d'instruments scientifiques. Ce projet est remplacé par le programme Grand Tour qui propose d'utiliser une trajectoire mise au point par l'ingénieur Gary Flandro, exploitant une conjonction exceptionnelle des planètes extérieures qui ne se reproduit que tous les 176 ans. Celle-ci doit permettre à des sondes spatiales de survoler plusieurs de ces planètes pratiquement sans dépenser de carburant, uniquement en utilisant l'assistance gravitationnelle[1]. Le projet du JPL ne sera finalement pas retenu mais posera les fondations du programme Voyager presque aussi ambitieux dont le développement sera lancé en juillet 1972.

Sélection de la mission[modifier | modifier le code]

L'Académie nationale des sciences américaine produit à cette époque un rapport donnant une priorité maximale à l'étude de la planète Jupiter. Aussi la NASA décide en 1967 de modifier l'objectif les missions Pioneer F et G pour y inclure l'étude de la planète géante et de rattacher celles-ci à sa division interplanétaire. L'agence spatiale annule par contre le projet Galactic Jupiter Probe du centre Goddard car celui-ci est jugé trop couteux et parce qu'il risque d'accaparer les ressources d'un établissement complètement mobilisé par le programme Apollo. Pour permettre aux sondes Pioneer de disposer de suffisamment d'énergie aux abords de Jupiter éloigné de 5,2 U.A. du Soleil, elles utilisent les RTG envisagés par le centre Goddard. Un groupe de travail baptisé Outer Space Panel et présidé par James A. Van Allen définit les objectifs scientifiques qui seront assignés à ces missions tandis que le centre spatial de la NASA définit les caractéristiques techniques des sondes spatiales. Le projet Pioneer Jupiter est lancé officiellement par la NASA en février 1969. La société TRW qui avait construit les autres sondes du programme Pioneer est sélectionné pour fabriquer Pioneer F et G[2].

Construction[modifier | modifier le code]

L'objectif de la mission des sondes spatiales Pioneer 10 et 11 est d'étudier le milieu interplanétaire au-delà de l'orbite de Mars, d'évaluer le risque de collision dans la ceinture d'astéroïdes et enfin d'étudier la planète Jupiter et son environnement. Les expériences scientifiques embarquées sont sélectionnées parmi 150 propositions à fin des années 1960 et au début des années 1970. Les deux sondes spatiales suivent des trajectoires différentes : la première sonde spatiale Pioneer 10 doit jouer un rôle d'éclaireur en effectuant la première traversée de la ceinture d'astéroïdes qui s'étend au-delà de Mars puis doit survoler Jupiter et ses lunes. Pioneer 11 lancée un an plus tard suit initialement la même trajectoire mais utilise ensuite l'assistance gravitationnelle de Jupiter pour se diriger vers Saturne et survoler cette planète. Pour placer en orbite la sonde spatiale, le lanceur Atlas/Centaur-D est retenu. Celui permet de placer un engin d'environ une tonne sur une orbite interplanétaire. La trajectoire retenue pour atteindre Jupiter est directe (pas de recours à l'assistance gravitationnelle des planètes internes). Pour atteindre Jupiter, le lanceur est surmonté par un troisième étage à propergol solide Star 37E de 1 127 kg qui délivre une poussée de 66,7 kiloNewton[Note 1]. Les sondes Pioneer 10 et 11 sont lancées respectivement en 1972 et 1973 et rebaptisées après leur lancement Pioneer 10 et 11. En 2001 le coût total du programme était évalué à 350 millions de dollars dont 200 millions pour le développement et 150 millions pour le lancement, la gestion opérationnelle et l'exploitation des résultats[3],[4].

Déroulement de la mission Pioneer 10[modifier | modifier le code]

Page d'aide sur l'homonymie Pour le déroulement de la mission de la deuxième sonde du programme, voir Pioneer 11.

Lancement[modifier | modifier le code]

Pionner 10 installé au sommet de son lanceur Atlas-Centaur D peu avant le tir.
Pionner 10 au niveau de l'orbite de Neptune avec dans le lointain le Soleil (vue d'artiste).

La fenêtre de lancement permettant le lancement de Pioneer 10 vers Jupiter a une durée un peu supérieure à un mois et revient tous les 13 mois. En 1972 elle s'ouvre le 25 février et se referme le 20 mars. La sonde spatiale Pioneer 10 est convoyée par avion depuis la Californie jusqu'à la base de lancement de Cape Canaveral en Floride en janvier 1972 et est préparée pour le lancement. Après deux tentatives avortées à cause de la vitesse du vent dans les couches supérieures de l'atmosphère, le lanceur Atlas/Centaur-D décolle le 3 mars 1972 depuis le complexe 36A. L'injection de la sonde spatiale sur sa trajectoire vers Jupiter est directe. Après avoir été largué par le lanceur, l'ensemble formé par l'étage Star37 et la sonde spatiale est mis en rotation rapide (21 tours par minute) et le troisième étage est mis à feu durant 43 secondes avant d'être largué. Trente minutes après son lancement les mâts servant de support au capteur du magnétomètre et aux RTG sont déployés faisant chuter la vitesse de rotation à 4,8 tours par minute. Pioneer 10, qui atteint une vitesse de 14,356 kilomètres par seconde (51 682 km/h) par rapport à la Terre établit un nouveau record de vitesse et dépasse l'orbite de la Lune 11 heures après son lancement. La sonde spatiale est placée sur une orbite héliocentrique dont l'apogée se situe à 5,97 Unités Astronomiques du Soleil et l'inclinaison orbitale par rapport au plan de l'écliptique est de 1,92°[5],[6].

Franchissement de la ceinture d'astéroïdes[modifier | modifier le code]

Durant les deux premières semaines du vol, le fonctionnement des instruments est vérifié. Deux corrections de la trajectoire sont effectuées le 7 mars (14 m/s) et le 26 mars (3,3 m/s). Durant le transit vers Jupiter qui va durer 20 mois la sonde spatiale doit étudier le milieu interplanétaire dont les caractéristiques n'ont jamais été mesurées au-delà de l'orbite de Mars. Celle-ci est dépassée au bout de 3 mois (contre 7 à 10 mois pour les sondes martiennes). Une des inconnues de ce vol concerne la traversée de la ceinture d'astéroïdes qui rassemble des millions d'astéroïdes entre les orbites de Mars et de Jupiter. Celle-ci est atteinte en juillet 1972. Les responsables du projet estimaient la probabilité que la sonde spatiale soit détruite par un morceau d'astéroïde à 10% ce qui avait contribué à justifier le lancement de deux sondes spatiales. En février 1973 Pioneer 10 traverse cette région de l'espace sans que les détecteurs de météorites aient signalé aucun impact significatif. La sonde spatiale passe à plusieurs millions de kilomètres de deux astéroïdes sans que ses instruments puissent recueillir d'informations[7],[6],[4].

Survol de Jupiter[modifier | modifier le code]

Une intensification des flux de particules est détectée à plus de 20 millions de kilomètres de Jupiter signalant son influence croissante sur l'environnement interplanétaire. A 6,4 millions de kilomètres les instruments de Pioneer 10 mesurent une forte diminution de la vitesse du vent solaire et une élévation de la température liée à la traversée de l'onde de choc séparant la magnétosphère de la planète du milieu interplanétaire dominé par le Soleil. La croissance du rayonnement ambiant durant les deux derniers jours de l'approche font craindre que l'électronique ne puisse survivre à l'approche finale qui doit pourtant faire passer la sonde spatiale à 200 000 km de la surface. 16 heures avant ce survol, Pioneer 10 passe à 1,42 millions km de Callisto, puis 4 heures plus tard à 440 000 km de Ganymède. Elle survole Europe 6,4 heures avant sa rencontre avec Jupiter en passant à 330 000 km. Le photopolarimètre parvient à photographier les 3 lunes mais la meilleure résolution spatiale qui est réalisée en photographiant Ganymède, est seulement de 400 kilomètres et permet uniquement de distinguer une région sombre près du pôle sud et une région plus claire près du pôle nord. Le , Pioneer 10 passa à 130 354 km du sommet des nuages de la planète géante à une vitesse de 35 km/s en prenant des photos. Dix minutes après ce survol, Pioneer passe à seulement 30 000 kilomètres de la petite lune Amalthée puis 6 minutes plus tard le satellite Io s'interpose durant près de 1 minute entre la sonde spatiale et la Terre. Cette occultation voulue permet de déterminer par l'analyse des perturbations du signal radio que Io a une atmosphère de très faible densité (1/20 000 de celle de la Terre) et une ionosphère qui culmine à 700 km. Le spectromètre ultraviolet détecte un nuage d'hydrogène présent sur l'orbite de Io. L'origine de ces émissions restent à l'époque non expliquée. Ce phénomène ne sera expliqué que après le survol de Io par Voyager 1 qui permettra de découvrir le volcanisme de la lune, un phénomène unique dans le système solaire. 78 minutes après son survol, Pioneer 10 passe dans l'ombre de Jupiter. Utilisant l'occultation résultante, les instruments découvrent des courants-jets dans l'atmosphère au niveau de pression 150 hectopascals ainsi que des mouvements de convection. Le photomètre infrarouge fournit un profil de température très détaillé contredisant les mesures effectuées avec des instruments sur Terre. Les données confirment que Jupiter émet plus de chaleur qu'elle n'en reçoit. A un niveau de pression donnée la température relevée est uniforme à 3° près de l'équateur au pôle de la planète géante. L'occultation radio permit de découvrir que l'ionosphère s'étendait jusqu'à une altitude de 3 000 km. Entre le 6 novembre et le 1er décembre la sonde spatiale prend 500 photos de l'atmosphère de Jupiter dont certaines avec une résolution spatiale de 320 km. Les données recueillies durant cette traversée du système galiléen joueront un rôle important pour la conception des missions Voyager et Galileo qui suivirent [8].

Aux confins du système solaire[modifier | modifier le code]

En survolant la planète Jupiter Pioneer 10 bénéficie de son assistance gravitationnelle. Celle-ci accroit sa vitesse suffisamment pour lui permettre de quitter à terme le Système solaire. La nouvelle trajectoire de la sonde spatiale la mène dans la direction opposée au déplacement du Soleil dans la galaxie. Pioneer 10 entame ainsi un périple qui devraient la conduire aux alentours de l'étoile Aldébaran dans 2 millions d'années. Une fois sorti de la magnétosphère de Jupiter les instruments de Pioneer 10 commencent à étudier les particules du vent solaire et le rayonnement cosmique issu de notre galaxie. Le principal objectif est la recherche de l'héliopause cette frontière qui délimite la zone d'influence du Soleil. Au lancement de Pioneer 10 la NASA estimait que les antennes paraboliques à grande portée de Deep Space Network permettraient de capter le signal de radio faiblissant jusqu'au milieu des années 1980. Des améliorations considérables de ce réseau permirent de prolonger près de 15 ans cette durée. Malheureusement la sonde spatiale se dirigeant à l'opposé du déplacement du système solaire, n'arriva jamais jusqu'à l'héliopause car celle-ci se trouve beaucoup plus loin du Soleil dans cette direction. La mission de la sonde est arrivée officiellement à son terme le principalement pour des raisons budgétaires. Des contacts occasionnels ont été pris 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, a eu lieu le [9]. La tentative de contact du 7 février 2003 était restée sans réponse[9], 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.

Caractéristiques techniques[modifier | modifier le code]

Pioneer comparée à ...
Pioneer 11 Voyager 1 Cassini
Date lancement 1973 1977 1997
Objectifs Jupiter, Saturne
Type mission Survol Survol Orbiteur¹
Masse totale
(instruments)
276 kg
(30 kg)
826 kg
(106 kg)
5 712 kg
(362 kg)
Énergie 155 watts 470 watts 885 watts
Contrôle d'attitude Spinnée Stabilisée 3 axes
Débit télécom.² 512 bits/s. ~50 kilobits/s 166 kilobits/s
Ordinateur embarqué Non Oui Oui
¹Jupiter est survolé ² Débit au niveau de Saturne

Pioneer 10 est une sonde spatiale de petite taille (selon les standards des années 2010) d'une masse de 276 kg dont 29,6 kg d'instruments scientifiques et 27 kg de carburant (hydrazine). La sonde spatiale est stabilisée par rotation à une vitesse de 4,8 tours par minute. Pour ses corrections de trajectoire et le contrôle de son orientation elle utilise des moteurs-fusées à ergols liquides de 1,5-6,2 Newton disposant d'une capacité d'accélération de 187,5 m/s. Son énergie est fournie par deux générateurs thermoélectriques à radioisotope qui produisent 155 watts et dont l'usage constitue une première par un engin interplanétaire. La partie centrale de Pioneer 10 est constituée d'un boîtier hexagonal de 36 cm de haut et de 142 cm de diamètre avec 6 faces larges de 76 cm. 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. A la base du boitier se trouve l'adaptateur circulaire qui permet de fixer la sonde spatiale au sommet du dernier étage de la fusée. Une grande antenne parabolique de 2,74 mètres de diamètre est fixée sur l'une des faces du boîtier. Elle permet de transmettre les données avec un débit compris entre 2 048 bits par seconde au niveau de la ceinture d'astéroïdes et 512 bits par seconde au niveau de Saturne. De l'antenne moyen gain montée au sommet de l'antenne parabolique jusqu'à l'antenne faible gain omnidirectionnelle montée à la base, l'engin spatial mesure 2,7 mètres de haut. Chacun des deux générateurs thermoélectriques à radioisotope est fixé à l'extrémité d'un mât long de 3 mètres qui le maintient à distance de l'électronique et des capteurs des instruments. Les capteurs du magnétomètre sont fixés sur un mât long de 5,2 mètres pour les éloigner de la masse métallique de la sonde spatiale qui perturbent les mesures. Ces trois mâts sont en position repliée au lancement et déployés une fois la sonde spatiale en orbite. Comme les autres sondes spatiales de l'époque, la sonde spatiale ne dispose pas d'ordinateur embarqué et elle ne peut qu'exécuter en séquence des instructions transmises par le contrôle sur Terre[10].

Schéma de Pioneer 10.

Énergie[modifier | modifier le code]

La sonde doit survoler Jupiter qui se situe à 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 2] 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°[11].

Télécommunications[modifier | modifier le code]

Pioneer 10 utilise pour les télécommunications deux émetteurs-récepteurs redondants de 8 watts de puissance. La sonde spatiale dispose d'une antenne parabolique grand gain fixe, d'une antenne cornet moyen gain et d'une antenne faible gain omnidirectionnelle. L'antenne parabolique grand gain, qui constitue l'élément le plus visible de la sonde spatiale, est attachée au corps de la sonde par 3 poutrelles et a un diamètre de 2,74 mètres. Sa structure en nid d'abeilles est réalisée en 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 2 048 bits par seconde durant son transit vers Jupiter mais seulement de 16 bits par seconde vers la fin de la mission[11].

Contrôle d'attitude et correction de la trajectoire[modifier | modifier le code]

La sonde spatiale est stabilisée par rotation avec un axe de rotation passant par le centre de l'antenne parabolique et le centre de la plateforme. Elle est maintenue à l'aide de trois paires de moteurs-fusées à ergols liquides de 1,5-6,2 Newton brûlant de l'hydrazine fixés sur le bord de l'antenne parabolique. La sonde spatiale emporte 27 kilogrammes disposant d'une capacité d'accélération de 187,5 m/s. L'orientation est déterminée à l'aide de capteurs déterminant la position du Soleil et de l'étoile Canopus. Les moteurs-fusées peuvent fonctionner de manière continue pour maintenir la vitesse de rotation cible de 4,8 tours par minute ou par brèves impulsions. Durant les liaisons radio avec la Terre, l'axe de rotation de la sonde spatiale doit être pointé précisément vers la Terre. Pour contrôler l'orientation, l'antenne-source est légèrement décalée de l'axe de rotation de manière à ce que le signal radio se mette à osciller en intensité si la sonde spatiale s'écarte de l'alignement avec la Terre. Un système baptisé CONSCAN (Conical Scan) exploitant cette donnée maintient le pointage de l'antenne à moins de 0,3° de la direction de la Terre. La mise en œuvre de la propulsion est toutefois contrôlé par la station sur Terre[12].

Déclenchement des opérations à bord[modifier | modifier le code]

Comme les sondes spatiales qui les ont précédées les Pioneer 10 et 11 ne disposent pas d'ordinateur embarqué. Les opérations (mise en marche des instruments scientifiques, modification de la trajectoire, ...), sont déclenchées par des commandes envoyées depuis la Terre. Pour les phases critiques cinq commandes peuvent être enregistrées à l'avance. La contrainte associée est que l'ensemble des opérations à exécuter doivent être préparées plusieurs mois à l'avance[13].

Plaque Pioneer[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 (en), Carl Sagan et son épouse Linda Salzman Sagan (en) 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.

Objectifs et instruments scientifiques[modifier | modifier le code]

Étude de l'espace interplanétaire entre Mars et Jupiter[modifier | modifier le code]

Le premier objectif de la mission de Pioneer 10 est de recueillir des données sur l'espace interplanétaire entre l'orbite de Mars et celle de Jupiter resté jusque là inexploré. Les instruments qui doivent remplir ces objectifs mesurent les particules, les champs magnétiques et le rayonnement cosmique. Un photo-polarimètre réalise des images et analyse la lumière diffuse. La sonde spatiale doit[14] :

  • mesurer le champ magnétique dans l'espace interplanétaire
  • déterminer comment le vent solaire est affecté par la distance au Soleil
  • mesurer le rayonnement cosmique issu du système solaire et celui venant de l'extérieur de celui-ci
  • rechercher la région de transition de l'héliosphère qui marque la limite de l'influence du Soleil
  • mesurer la quantité d'hydrogène neutre dans l'espace interplanétaire
  • préciser la distribution de la poussière dans l'espace interplanétaire
  • déterminer la taille, la masse, la direction et la vitesse des petites particules présentes dans la ceinture d'astéroïdes.

Étude du système jovien[modifier | modifier le code]

Caractéristiques instruments
Instrument Constructeur Masse Consommation
électrique
Magnétomètre NASA-JPL 2,6 kg 5,02 watts
Analyseur Plasma NASA-Ames 5,5 kg 4 watts
Analyseur particules Université de Chicago 3 kg 2,4 watts
Rayonnement cosmique NASA-Goddard 3,2 kg 2,2 watts
Compteur Geiger Université d'Iowa 1,6 kg 0,7 watts
Détecteur de radiations Université de Californie 1,7 kg 2,9 watts
Détecteur de météorites General Electric 3,3 kg 2,7 watts
Détecteur de météorites NASA-Langley 1,7 kg 0,7 watts
Spectromètre ultraviolet Université de Californie 0,7 kg 0,7 watts
Photopolarimètre Université d'Arizona 4,3 kg 2,2 watts
Radiomètre infrarouge Caltech 2 kg 1,3 watts
Total 29,6 kg 24,3 watts

Au sein du système constitué par Jupiter et ses lunes, les sondes spatiales Pioneer 10 et 11 doivent[14] :

  • mesurer l'intensité, la direction et la structure du champ magnétique de Jupiter
  • déterminer le nombre et l'énergie des électrons et des protons situés sur la trajectoire de la sonde spatiale
  • rechercher les aurores polaires aux pôles de la planète géante
  • collecter des données permettant de décrypter les deux types d'ondes radio émises par Jupiter
  • cartographier les interactions entre le vent solaire et le système jovien
  • mesurer la température de l'atmosphère de Jupiter et de certaines de ses lunes
  • déterminer la structure des couches supérieures de l'atmosphère de Jupiter
  • cartographier la structure thermique de Jupiter
  • réaliser des images détaillées en deux couleurs de Jupiter durant son survol
  • sonder l'atmosphère de Jupiter en utilisant la technique de l'occultation de l'atmosphère par les ondes radio émises par la sonde en bande S
  • étudier les lunes galiléennes pour déterminer plus précisément leur taille et leurs principales caractéristiques physiques
  • collecter des données sur les orbites de Jupiter et de ses lunes permettant de calculer leurs éphémérides avec une plus grande précision.

Instruments scientifiques[modifier | modifier le code]

Pour remplir ces objectifs les sondes spatiales Pioneer emportent 11 instruments scientifiques représentant une masse de 29,6 kg[14] :

  • 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) qui 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 photos 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.

Résultats de la mission[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, de l'expliquer, cette anomalie 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[15].

Chronologie[modifier | modifier le code]

  •  : lancement de la sonde[9]
  •  : la sonde entre dans la ceinture d'astéroïdes[16].
  •  : Pioneer 10 envoie les premières images de Jupiter en gros plan.
  •  : 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.
  •  : fin de la mission[9].
  •  : 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.
  •  : réception réussie de télémesure. 39 minutes de données sont reçues depuis une distance de 79,83 ua.
  •  : dernière réception réussie de télémesure. 33 minutes de données sont reçues depuis une distance de 80,22 ua (plus de 12 milliards de kilomètres).
  •  : le dernier signal, très faible, en provenance de Pioneer 10 est reçu[9].
  •  : tentative infructueuse de contact avec la sonde[9].
  •  : Pioneer 10 est à 89,7 ua du Soleil.
  •  : dernière tentative d'entrer en contact avec la sonde. Aucune réponse de Pioneer 10.

Suite du programme Pioneer[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Programme Voyager.

L'année même du lancement de Pioneer 10 la NASA lance le développement de deux nouvelles sondes spatiales chargées d'étudier avec des capacités accrues les planètes externes du système solaire. Les sondes spatiales du Programme Voyager sont beaucoup plus lourdes - 800 kg dont 100 kg d'instrumentation scientifique contre les 270 kg des Pioneer (dont 30 kg d'instruments scientifiques). Elles bénéficient des dernières avancées dans le domaine de la technologie spatiale : elles disposent d'un ordinateur embarqué qui permet l’exécution d'opérations complexes sans intervention des contrôleurs sur Terre et sont stabilisées 3 axes ce qui permet des prises d'images détaillées de grande qualité. Voyager 2 exploite une conjonction des planètes extérieures exceptionnelle qui lui permet d'enchainer le survol de Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune en utilisant l'assistance gravitationnelle de chaque planète pour se diriger vers la suivante. Lancées en 1977 les deux sondes spatiale développées par le Jet Propulsion Laboratory fournissent des informations détaillées sur l'atmosphère de Jupiter, Saturne et Uranus. Elles révèlent de nombreux détails sur la structure des anneaux de Saturne, permettent de découvrir les anneaux de Jupiter et fournissent les premières images détaillées des anneaux d'Uranus et de Neptune. Elles identifient en tout 33 nouvelles lunes et mettent en évidence l'activité volcanique de Io et la structure étrange de la surface de la lune galiléenne Europe. Les sondes Voyager qui devraient continuer à fonctionner jusqu'en 2025 explorent désormais les limites de l'héliosphère, région de l'espace placée sous l'influence du Soleil, et étudient l'espace interstellaire.

La troisième sonde spatiale Pioneer H[modifier | modifier le code]

Une troisième sonde spatiale identique aux Pioneer 10 et 11 et baptisée Pioneer H avait été construite. Le centre spatial Ames étudia en 1971 son utilisation dans le cadre d'une mission destinée à explorer l'espace interplanétaire en quittant le plan de l'écliptique (Out-of-the-ecliptic mission). La sonde spatiale lancée par une fusée lourde Titan IIIE-centaur devait quitter le plan de l'écliptique en utilisant l'assistance gravitationnelle de Jupiter et se placer sur orbite héliocentrique avec une inclinaison orbitale de 92,5° par rapport au plan de l'écliptique). Sur sa nouvelle orbite la sonde spatiale devait étudier les pôles du Soleil en passant à 1 Unité Astronomique du pôle nord du Soleil et 2 U.A. du pôle sud. Le projet proposé par le centre spatial Ames à la NASA en 1973 ne fut pas retenu mais les études réalisées furent utilisées pour définir les caractéristiques et les objectifs de la mission Galileo[17].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Il s'agit d'un étage supérieur des lanceurs Delta 1914 dérivé du système propulsif charge de freiner les sondes lunaires du programme Surveyor avant leur atterrissage.
  2. 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. Ulivi et Harland 2007, p. 125-126
  2. Ulivi et Harland 2007, p. 126
  3. (en) Richard O. Fimmel, William Swindell et Eric Burgess, Pioneer Odyssey (SP-349/396), NASA, , 171 p. (lire en ligne), chap. 2 (« The Pioneer Jupiter Mission »)
  4. a et b (de) Bernd Leitenberger, « Raumsonden : Pioneer 10+11 » (consulté le 3 septembre 2017)
  5. Ulivi et Harland 2007, p. 132
  6. a et b (en) Richard O. Fimmel, William Swindell et Eric Burgess, Pioneer Odyssey (SP-349/396), NASA, , 171 p. (lire en ligne), chap. 5 (« First into the Outer Solar System »)
  7. Ulivi et Harland 2007, p. 133-134
  8. Ulivi et Harland 2007, p. 135-138
  9. a, b, c, d, e et f « Pioneer 10 : dernier signal radio ? », lire en ligne sur le site futura-sciences.com
  10. (en) Richard O. Fimmel, William Swindell et Eric Burgess, Pioneer Odyssey (SP-349/396), NASA, , 171 p. (lire en ligne), chap. 3 (« The Pioneer Jupiter Spacecraft »)
  11. a et b (en) « Pioneer 10 », sur NASA NSSDC Master Catalog (consulté le 4 octobre 2013)
  12. Ulivi et Harland 2007, p. 126-128
  13. Ulivi et Harland 2007, p. 128
  14. a, b et c (en) Richard O. Fimmel, William Swindell et Eric Burgess, Pioneer Odyssey (SP-349/396), NASA, , 171 p. (lire en ligne), chap. 4 (« Pioneer Science at New Frontiers »)
  15. « L'énigme des sondes Pioneer élucidée », Le Monde, 11 mai 2012.
  16. (en) « The Pioneers Are Way Out There After 30 Years », sur spacetoday.org (consulté le 5 septembre 2017)
  17. Ulivi et Harland 2007, p. 155-156

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) Richard O. Fimmel, William Swindell et Eric Burgess, Pioneer Odyssey (SP-349/396), NASA, , 171 p. (lire en ligne)
  • (en) Paolo Ulivi et David M Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 1 The Golden Age 1957-1982, Springer Praxis, (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]