La sonde Solar Orbiter d'Astrium partira au plus près du Soleil

L'Agence spatiale européenneAgence spatiale européenne a sélectionné Astrium pour assurer la maîtrise d'œuvre de Solar Orbiter, dont le lancement est prévu en 2017. Cette mission d'étude, qui va enrichir notre connaissance de notre étoile et de son héliosphère, se fait avec une participation de la Nasa qui fournira le lanceur, une Atlas VAtlas V 401 (Ariane 5Ariane 5 en backup) et deux des dix instruments scientifiques. Elle s'inscrit dans la continuité de Soho, une autre mission de l'Esa lancée en 1995 et qui arrive en fin de vie.

Solar Orbiter s'approchera davantage du SoleilSoleil qu'aucune autre mission n'a pu le faire auparavant et nous promet un voyage aux sources du vent solairevent solaire en allant visiter des régions jamais explorées par une sonde, à l'intérieur de l'orbiteorbite de MercureMercure. En s'approchant si près, la sonde verra l'atmosphère du Soleil avec une résolutionrésolution spatiale jamais atteinte de 70 kilomètres par pixelpixel. Pour les astronomesastronomes, cela revient à ouvrir une fenêtrefenêtre sur l'intérieur de la couronne du Soleil, source du vent solaire, qui baigne l'ensemble du Système solaireSystème solaire et dont l'interaction avec notre planète gouverne la météorologiemétéorologie de l'espace.

Configuration possible de la sonde Solar Orbiter avec ses instruments scientifiques, pour étudier notamment le champ magnétique solaire (magnetic field), les électrons du vent solaire (solar wind electrons), la couronne solaire (coronagraphy) ou pour établir l'imagerie héliosphérique (heliospheric imaging). © Astrium

Solar Orbiter face aux mystères de l'héliosphère

Comme le soulignent MilanMilan Maksimovic et Nicole Vilmer, deux chercheurs de l'Observatoire de Paris, cette mission couvre « un grand nombre des questions fondamentales de la physiquephysique du Soleil et de l'héliosphère interne qui restent d'actualité ». Parmi ces questions :

• Comment le champ magnétiquechamp magnétique émerge-t-il de l'intérieur et quel est son impact sur l'atmosphèreatmosphère solaire ?

• Quels sont les mécanismes impliqués dans la formation de la couronne et du vent solaire ?

• Quels sont les processus physiques expliquant l'activité éruptiveéruptive du Soleil ?

• Comment la température de la couronne peut-elle atteindre plus d'un million de kelvinskelvins, alors que la surface visible du Soleil n'atteint pas 6.000 kelvins ?

• Comment le plasma du vent solaire est-il accéléré jusqu'à des vitessesvitesses supersoniques de près de 1.000 kilomètres par seconde ?

Pour répondre aux questions des chercheurs, Solar Orbiter sera équipée de dix instruments regroupés en deux groupes. Un groupe de quatre instruments dédiés à l'observation directe du Soleil (In-Situ), qui fonctionneront par intermittence, et un ensemble de six instruments logés à l'ombre du bouclier thermique, qui fonctionneront en permanence (Remote-Sensing).

Pour aller chercher ces réponses, la sonde devra s'approcher du Soleil à une distance qui n'a jamais été atteinte : 42 millions de kilomètres. C'est bien plus près que Mercure, la planète la plus proche du Soleil. En comparaison, le diamètre du Soleil est de quelque 1.500.000 kilomètres. À cette distance, les instruments recevront environ treize fois plus d'énergieénergie que s'ils étaient en orbite terrestre. Autrement dit, ils devront faire face à des tempêtestempêtes de rayonnements UVUV, X et gamma fluctuants et très énergétiques. Soumise à des températures avoisinant les 600 °C, la sonde sera dotée d'un bouclier thermique pour réduire la température à l'intérieur de l'engin.

Étude de la protection thermique sur Solar Orbiter. L'idée est de mettre au point un bouclier capable de résister à des températures de quelque 600 °C et que la température au point le plus froid du satellite tombe à -60 °C. © Esa

Protection solaire : indice maximal

Comme nous l'explique Orlane Bergogne, architectearchitecte opérations du programme Solar Orbiter chez Astrium, cette mission se fera « avec d'importantes synergiessynergies avec la mission mercurienne BepiColombo » qui se fait en collaboration avec le Japon. Cette mission se compose de quatre modules, dont deux orbiteurs fournis par l'Esa (MPO, Mercury Planetary Orbiter) et le Japon (Mercury Magnetospheric Orbiter). Ces engins seront bien sûr eux aussi confrontés à de très fortes chaleurschaleurs. Au voisinage de Mercure, les rayonnements solairesrayonnements solaires sont en effet jusqu'à dix fois plus intenses que sur Terre, avec des températures atteignant 470 °C au niveau du sol.

L'idée est de réutiliser un maximum de technologies de BepiColomboBepiColombo, « en les adaptant à Solar Orbiter si nécessaire ». La plateforme de Solar Orbiter sera dérivée de celle de l'orbiteur européen MPO, tout comme le bouclier thermique et les panneaux solaires. Sur Solar Orbiter, les panneaux solaires ne seront pas fixes. Il « sera possible de les incliner pour éviter qu'ils se trouvent en continu face au Soleil ». La protection thermique de la sonde ainsi que « la neutralité magnétique et moléculaire requise pour pouvoir effectuer efficacement les mesures scientifiques les plus sensibles » sont les deux principaux points durs technologiques qui conditionnent la réussite ou non de la mission.

La date précise de lancement de Solar Orbiter n'est pas encore arrêtée. L'Agence spatiale européenne planifie plusieurs opportunités : janvier, mars ou septembre 2017, voire début 2018. La date du lancement influera marginalement sur la conduite de la mission. Parmi les paramètres impactés, les plus significatifs sont la vitesse maximale atteinte, le nombre d'assistances gravitationnellesassistances gravitationnelles et la distance à laquelle l'engin s'approchera au plus près du Soleil.

Quel que soit le scénario retenu, le voyage vers le Soleil prendra du temps, près de quatre ans, et nécessitera plusieurs manœuvres d'assistances gravitationnelles autour des planètes Terre et Vénus. Astrium « dimensionne sa sonde en fonction d'un scénario de référence » qui prend en compte les « contraintes les plus élevées sur l'ensemble des systèmes de la sonde » touchant à la distance au Soleil, la puissance nécessaire, la protection thermique et l'autonomieautonomie de la sonde.

Planning de la mission pour un lancement en janvier 2017. Les termes GAM V et GAM E désignent les assistances gravitationnelles autour de la Terre (E, Earth) et Vénus (V, Venus). © Esa

Dans le scénario de référence, celui qui prévoit un lancement en janvier 2017, la sonde effectuera un périple de 3,4 ans à l'intérieur du système interne avant d'atteindre le Soleil. Pendant cette phase de croisière sont prévues quatre manœuvres d'assistances gravitationnelles autour de Venus, puis de la Terre (2 fois) et une nouvelle fois autour de VénusVénus. À l'issue de cette dernière manœuvre, Solar Orbiter entrera en orbite elliptique autour du Soleil. Par la suite, d'autres manœuvres seront effectuées pour incliner son orbite de façon à faire quitter la sonde du plan équatorial pour lui permettre d'avoir une visibilité sur les latitudeslatitudes les plus élevées du Soleil.

Suivra une période de six ans dédiée à la science et découpée en deux phases, une de près de quatre ans qui correspond à la mission nominale et une de deux ans, dite d'extension, à l'intérieur desquelles les observations scientifiques se feront par tranches de 10 jours. Chaque orbite offre en effet trois tranches de 10 jours, une tranche centrée sur le périhélion, une autre centrée sur la latitude minimale et une troisième sur la latitude maximale.