Solar Orbiter, Parker Solar Probe : deux sondes spatiales « aux portes de l’enfer »

Deux sondes spatiales s'intéressent de près au Soleil : Parker Solar Probe qui y est déjà et Solar Orbiter qui va s'y mettre. Dans les deux cas, le but est d'améliorer notre connaissance de la météorologie de l'espace et de notre étoile. Deux missions, deux approches, un but commun : mieux anticiper les tempêtes afin de limiter les risques.

Les tests finaux sont désormais terminés sur la sonde Solar Orbiter de l'ESA (Agence spatiale européenne). C'était la dernière étape avant qu'elle puisse quitter l'Europe pour se rendre à Cap Canaveral en Floride. Cette mission fait partie du programme Cosmic-Vision 2015-2025 de l'Agence spatiale européenne. 

Il s'articule pour rappel autour de quatre points : les conditions de formation des planètes et d'apparition de la vie, le fonctionnement du système solaire, les lois physiques fondamentales de l'Univers et sa composition. C'est dans ce programme que s'inscrivent aussi les missions JUICE sur des lunes de Saturne (lourde) et Euclid (moyenne, comme Solar Orbiter) sur la matière noire.

Solar Orbiter décollera en février 2020 à bord d’un lanceur Atlas V. En l'espace de quelques années, c'est la seconde mission à s'intéresser de près à notre étoile. La précédente était Parker Solar Probe de la NASA (dont la France est partenaire) lancée en août 2018 à bord d'une fusée Delta IV Heavy.

La sonde Solar Orbiter est prête

Solar Orbiter va s'approcher du Soleil à l'équivalent de 62 rayons solaires, soit environ 42 millions de km. « Des conditions d’observation privilégiées pour observer notre astre avec une résolution inégalée (70 km/pixel), et analyser finement son atmosphère », explique le Centre national de la recherche spatiale (CNES). 

Les enjeux sont importants : « mieux connaître [le Soleil] permet d’anticiper ses effets potentiels sur l'environnement spatial de la Terre ». Cette étude est connue sous le nom de météorologie de l'espace. Si certains effets, comme les aurores boréales, font le bonheur des photographes, d'autres sont plus graves, notamment dans un monde où « nous dépendons de plus en plus des technologies » : « Il y a donc un vrai enjeu sociétal à s’intéresser au Soleil », affirme Kader Amsif, responsable des programmes Soleil, héliosphère et magnétosphères au CNES. 

Les risques passés, présents et futurs du Soleil sur Terre

« Théorisée aux États-Unis et en URSS au début des années 1990, la météo de l’espace est arrivée en Europe une dizaine d’années plus tard avec la publication des premiers rapports commandés par l’Agence spatiale européenne (ESA) », explique le CNRS. 

Parmi les risques : « des black-out électriques, des perturbations radio et des satellites endommagés », détaille Kader Amsif. Nous pouvons également ajouter une dégradation, voire une interruption, de la navigation par satellites et, « sur certaines lignes, des pannes à bord des avions ou soumettre le personnel de bord à un surplus de radiation », affirme Jean Lilensten, directeur de recherche à l'Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (IPAG).

Par le passé, plusieurs exemples permettent de se rendre compte des risques. C'est notamment le cas des tempêtes solaires de la fin de l'été 1859 avec la destruction de 5 % de l’ozone atmosphérique terrestre et à une forte perturbation des communications par le télégraphe électrique de l'époque.

En mars 1989, une autre éruption solaire a plongé dans le noir la ville de Montréal au Canada. Francis Rocard, responsable du programme d'exploration du Système solaire au CNES, ajoute que « la responsabilité de l'éruption solaire de 1989 a été évoquée dans la perte de la sonde soviétique Phobos 2, qui devait observer Mars et ses satellites ».

Prévenir les risques deux ou trois jours en amont des éruptions 

Or, notre société dépend de plus en plus de l'énergie et de l'échange d'informations ; les dégâts peuvent donc être importants en cas de forte tempête solaire ; pas forcément humainement, mais financièrement : « En 2009, un rapport de l’Académie américaine des sciences chiffrait ainsi à plus de 6 000 milliards de dollars le coût des dommages que provoquerait, sur la seule économie des États-Unis, une tempête comparable à celle de 1859 », explique le CNRS.

Pour autant, il ne faut pas paniquer affirme Jean Lilensten, mais plutôt « se préparer ». En général, une tempête solaire met deux ou trois jours à arriver au niveau de la Terre, contre 8 minutes pour la lumière. Grâce à ce décalage, il est donc possible d'observer un événement et de prévenir les personnes concernées en amont, notamment les scientifiques qui peuvent ainsi décider de mettre en pause/veille certains équipements sensibles comme les satellites. 

Sur son compte Twitter, le Keraunos (Observatoire français des orages et tornades) a déjà émis deux alertes en mars et novembre 2015. Si nous n'avons plus rien depuis, ce n'est pas forcément une surprise : « Les cycles du Soleil durent 11 ans. Nous venons de passer son maximum en 2013-2014, nous entrons dans la pente descendante de son activité. Le maximum solaire reviendra vers 2024 », expliquait Francis Rocard à l'Express en 2015. Durant cette période, les deux sondes seront normalement en service et en train de récolter de précieuses données.

Dans tous les cas, la Terre est protégée par son champ magnétique, que l'on peut comparer à un bouclier contre les vents solaires. En conséquence, son annulation – lors des inversions des pôles – nous rendrait vulnérables. « Mais nous parlons d'un phénomène à très long terme, sur une échelle de centaines de millions d'années. Autant dire que cela ne concerne pas l'humanité », précise Francis Rocard. 

Deux missions, un objectif commun, deux manières d'y arriver

Bref, il est important de connaître au mieux notre étoile afin de prévoir et anticiper ses tempêtes. Et c'est justement l'objet des deux missions Solar Orbiter de l'ESA et Parker Solar Probe de la NASA. Il ne faut pas y voir une concurrence comme l'explique Kader Amsif : « Il y a une synergie entre ces deux missions », qui appartiennent toutes deux au programme HELEX (Heliophysics Explorers).

Nicky Fox, directrice scientifique au Johns Hopkins APL, est du même avis dans une vidéo de RMC découverte sur la conquête du Soleil (très instructive) : « c'est une chance en or d'avoir ces deux sondes en même temps et travaillant ensemble. Leurs objectifs sont très similaires, mais les méthodes pour y arriver sont très différentes ». Pour faire une comparaison, nous sommes un peu dans les cas d'ExoMars 2020 et Mars 2020.

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S'approcher, sans se brûler les ailes

Dans les deux cas, la conception du bouclier thermique a été un véritable challenge pour les deux agences spatiales. En effet, ce genre de mission est une des priorités des agences spatiales depuis les années 50 (au moins aux États-Unis), mais « sa concrétisation but[ait] sur un obstacle : le regard brûlant du Soleil. Même à une distance de plusieurs fois le rayon solaire, le rayonnement émis par l’astre est encore 600 fois supérieur à celui reçu par un vacancier sur une plage ! Et suffit à faire fondre n’importe quel matériau ordinaire », explique le CNRS.

La sonde américaine s'approche davantage du Soleil et sera donc soumise à des températures plus élevées, jusqu'à 1 400 °C selon la NASA. De son côté, Solar Orbiter restera à bonne distance (environ 40 millions de km), mais devrait tout de même atteindre les 500 °C. Plus facile ? Pas forcément : son bouclier doit pouvoir être percé pour laisser les capteurs optiques jouer leurs rôles ; sa structure est ainsi « fragilisée ». 

L’Institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP) détaille les conditions de vie auxquelles devra résister Solar Orbiter durant sa mission (7,5 ans, avec un prolongement possible de 2,4 ans) : « Un des défis techniques majeurs est l’obligation de fonctionner dans des situations de flux intenses, avec des surfaces ‘chaudes’ de l’instrument portées à plus de 500°C, et à l’autre extrême, des situations froides (-40°C), lorsque la sonde est à son point d’éloignement maximal du Soleil. Autre difficulté, la sonde et ses instruments devront être capables de fonctionner en autonomie complète jusqu’à 60 jours d’affilée, durée de son passage derrière notre étoile durant laquelle aucun ordre ne pourra lui être envoyé ». Une vraie promenade de santé.

Bref, deux missions que certains comparent à une approche des portes des enfers.

Parker Solar Probe très proche du Soleil, Solar Orbiter prendra des photos

En octobre 2018, Parker Solar Probe a battu un record en s'approchant à 42,7 millions de km du Soleil, puis de nouveau en avril 2019 avec 25 millions de km seulement. Dans quelques années, elle devrait passer à 6/7 millions de kilomètres du Soleil. C'est pour cette raison qu'on parle parfois de Parker Solar Probe comme de « la mission qui va aller toucher le Soleil ». 

En fait, elle va surtout « atteindre la couronne solaire, l’atmosphère extérieure de notre étoile, qui intrigue énormément par la forte élévation de température constatée au fur et à mesure qu’on s’éloigne de la surface du Soleil », explique le CNES. « Comment la température de son atmosphère peut-elle dépasser le million de degrés alors que celle de sa surface atteint seulement 6 000 °C ? », se demande le CNRS, sans réponse ferme à apporter. 

Contrairement à Solar Orbiter, Parker Solar Probe n'embarque pas d'instrument optique, qui serait de toute façon « aveuglé » en étant si proche du Soleil. L'agence spatiale française présente ainsi la mission européenne comme « complémentaire » de celle américaine.

« Cette mission de l’ESA s’approchera à 40 millions de kilomètres du Soleil, à l’intérieur de l’orbite de Mercure, pour faire des mesures in situ, mais aussi de la télédétection permettant d’observer le Soleil dans sa globalité, avec pour certains instruments une résolution inédite de 200 kilomètres. Après 5 ans d’observation, il est prévu que le satellite sorte du plan de l’écliptique pour explorer les hautes latitudes. On s’attend à voir le Soleil comme on ne l’a jamais vu, et à en savoir davantage sur le vent solaire », explique le CNES.

Pour la petite histoire, la mission américaine s'appelait initialement Solar Probe Plus, mais elle a ensuite été baptisée Parker Solar Probe en hommage à Eugene Parker, qui a écrit dans les années 50 la théorie du vent solaire. Il était alors arrivé à cette conclusion uniquement par des calculs. 

Le CNES mange aux deux râteliers

Le CNES se félicite au passage de sa double contribution : « la France a fourni le seul instrument européen de la sonde, un search coil ou magnétomètre qui permet la mesure du champ magnétique dans trois directions différentes [...] Sur Solar Orbiter, la contribution française concerne 6 des 10 instruments de la mission, dont une est la fourniture complète de l’instrument RPW (Radio and Plasma Wave analyzer) ».

Dans tous les cas, Solar Orbiter n'a pas encore décollé. Il faudra d'ailleurs attendre 3,4 ans avant qu'elle rejoigne le Soleil grâce à l'assistance gravitationnelle de Vénus et de la Terre. La sonde sera alors sur une orbite solaire elliptique de 168 jours. La mission scientifique pourra commencer.

« Le satellite réalisera un rapprochement du Soleil tous les cinq mois. Au moment du rapprochement maximal, quand il voyagera le plus rapidement, Solar Orbiter restera pendant plusieurs jours grossièrement positionné au-dessus de la même région de l'atmosphère pendant que le Soleil tournera sur son axe. De la même façon que les satellites géostationnaires météorologiques ou de télécommunication survolent le même point de la surface de la Terre, le satellite aura l'air de "survoler" le Soleil pendant un moment. Solar Orbiter sera donc capable d'observer la création de tempêtes dans l'atmosphère solaire ».