La Nasa a sélectionné quatre grandes missions de recherches, miniatures et peu coûteuses
La Nasa vient de débuter un nouveau processus de sélection de missions spatiales d’astrophysique. Mais, cette fois-ci, il ne s’agit pas de satellites d’un coût exorbitant. Ces futures missions ne coûteront seulement que quelques millions de dollars et devront s’appuyer sur ce qui fait le succès des petits satellites d’observation de la Terre du New Space.
La Nasa a décidé de tirer parti des avancées technologiques, insufflées par l’industrie florissante des petits satellites, pour l’observation de la Terre et de l’accès à Internet. Initialement développés pour des applications commerciales, ces petits satellites, dont certains mesurent seulement quelques dizaines de centimètres, sont de plus en plus agiles, précis et intelligents. Ils sont aujourd’hui utilisés dans le cadre de missions en lien avec l’astronomie, l’astrophysique, la météorologie spatiale et même pour des missions d’exploration à destination de Mars et d’astéroïdes.
Les progrès de la technologie et la miniaturisation des systèmes et instruments ainsi que des coûts très faibles d’accès à l’espace offrent donc de nouvelles opportunités dans le domaine de l’observation du ciel avec des missions d’astrophysique étonnamment ambitieuses au regard de la taille de ces satellites.
En 2020, la Nasa a mis sur pied le programme Pioneers qui a pour but d’encourager les chercheurs à tirer avantage de ces avancées et d’envisager une nouvelle manière de concevoir et de développer des missions d’observation du ciel qui diffèrent du model traditionnel, ce dernier s’appuyant sur des satellites bien plus grands et plus lourds. Ces missions Pioneers seront plafonnées à 20 millions de dollars hors coûts liés au lancement. Ces micro et nano-satellites peu coûteux seront réalisés avec des éléments sur étagères, construits sur la base d’une ou plusieurs unités cubiques (CubesSat), pourront voler en constellation ou à bord de la Station spatiale internationale, voire même à bord de ballons.
Encourager l’utilisation de CubeSats pour des missions d’astrophysique
Des 24 propositions reçues initialement, la Nasa en a sélectionné quatre qu’elle vient de mettre en compétition. Pour l’heure, elle n’a pas précisé de calendrier ni le nombre de missions qu’elle financera. Ces quatre missions sont Aspera, Pandora, Starburst et Pueo.
Aspera doit étudier l’évolution des galaxies. Grâce à des observations en lumièreultraviolette, Aspera observera les gaz chauds du milieu intergalactique — l’espace qui sépare les galaxies entre elles. Ce milieu est une composante majeure de l’Univers mais il est encore mal caractérisé.
Pandora doit étudier 20 étoileset leurs 39 exoplanètes connues en lumière visible et infrarouge. La méthode la plus utilisée pour obtenir des informations sur l’atmosphère des exoplanètes consiste à observer l’absorption par cette atmosphère de la lumière de l’étoile hôte. Or, caractériser les constituants d’une atmosphère de cette façon n’est pas simple. Pandora doit nous aider à décrypter les signaux des étoiles et des atmosphères planétaires de façon à mieux comprendre comment les changements de la lumière des étoiles affectent les mesures des exoplanètes, ce qui est un problème majeur dans la recherche de planètes habitables au-delà du système solaire.
StarBurst doit détecter les rayons gammade haute énergie provenant d’événements tels que les collisions d’étoiles à neutrons. Cela fournirait un aperçu précieux de ces événements, dont les ondes gravitationnelles émises lors de ces fusions sont détectées par des observatoires terrestres. Ces événements sont le lieu de formation de la plupart des métaux lourds de l’Univers, tels que l’or et le platine. À ce jour, un seul de ces événements a été observé simultanément dans les ondes gravitationnelles et les rayons gamma. StarBurst pourrait en détecter une dizaine par an.
Pueo est une mission de ballon conçue pour être lancée depuis l’Antarctiqueet qui détectera les signaux des neutrinos à très haute énergie. Il s’agit des particules qui contiennent des indices précieux sur les processus astrophysiques les plus énergétiques, tels que la formation de trous noirs, ou la fusion et la collision d’étoiles à neutrons. Ils permettent aussi d’obtenir une description de l’Univers sur de grandes distances. Si l’observation de neutrinos de haute énergie offre un nouveau regard sur l’Univers, les détecter est un défi à relever, car leur faible interaction avec la matière, leur principal avantage, les rend extrêmement difficiles à observer. Pueo devrait réaliser le relevé astronomique le plus sensible jamais réalisé dans ce domaine.
Il devait pleuvoir, mais il fait beau. Le Centre national des prévisions météorologiques s’est trompé. Une activité orageuse était annoncée, et vous vous retrouvez sous un beau soleil d’hiver. Après tout, la météorologie est une science. Sa définition nous dit même qu’elle est consacrée à l’étude des phénomènes qui se produisent dans la troposphère, c’est-à-dire la couche de l’atmosphère la plus basse. Pourtant, les prévisions météorologiques ne s’avèrent pas toujours exactes. En effet, le Centre national des prévisions météorologiques a annulé, hier, le bulletin météorologique spécial (BMS) élaboré samedi et qui concernait des wilayas du Centre, de l’Est et de l’Ouest. L’annulation du BMS fait suite à «l’amélioration brusque de la situation météorologique», a précisé le Centre. L’activité orageuse, prévue initialement jusqu’à dimanche à 15h00, a pris fin à 10h30. Faut-il pour autant en conclure que les prévisions météorologiques ne sont pas fiables ? Non, loin de là !
Les cérémonies religieuses nous renseignent sur le climat d’autrefois.
Rogation en Espagne vers 1850 [calandagrec.es]
Les célébrations religieuses sont parfois des réponses à des événements météorologiques. L’analyse attentive de leur fréquence et des rites qui les accompagnent permet aujourd’hui de mieux comprendre les climats du passé. Les traditionnelles “Rogations” constituent un bon exemple…
Il n’est pas toujours aisé de reconstituer les conditions météorologiques du passé, les mesures systématiques de température ou de pluviosité n’apparaissent en effet qu’entre le XVIIème et le XVIIIème siècle. Les climatologues disposent néanmoins aujourd’hui d’un certain nombre de moyens :
La dendroclimatologie, basée sur l’étude des cernes des arbres, permet par exemple de définir des tendances de températures. Les textes anciens, comme les registres des vendanges, les témoignages des chroniqueurs ou les descriptions des cérémonies religieuses, sont également riches en informations, en particulier les listes des « Rogations » de l’église.
L’expression vient du mot latin rogatio: « action de demander », « supplication », « prière ». Les Rogations sont instaurées au Vème siècle par saint Mamert, évêque de Vienne, afin de protéger les cultures contre les méfaits du gel. A l’origine, elles consistent à demander la bénédiction divine sur les travaux des champs en vue des récoltes à venir et sont traditionnellement célébrées avant l’Ascension.
La pratique prend une tournure particulière au fil des siècles, notamment avec les « Rogativas » en Espagne, qui désignent toute célébration demandant à Dieu la fin d’une calamité, l’accord d’une faveur. Les motifs d’invocation sont multiples, allant de la demande de modification de la météorologie à la prospérité économique, en passant par la victoire militaire.
Ces célébrations s’organisent face à un événement imprévu, mais leur mise en place et leur organisation ne doivent rien au hasard ni à l’improvisation. Découlant d’une décision administrative, elles sont organisées selon un protocole strict, et leur mise par écrit est systématique.
Organisation des “Rogativas” de Salamanque en fonction des événements climatiques [cairn.info]
Fait intéressant dans le cadre des Rogations dites « météorologiques », différents niveaux de pratiques liturgiques sont mis en place, en fonction de la sévérité des aléas climatiques. Le tableau ci-dessus montre les pratiques dans la ville de Salamanque : les aléas de faible ampleur font uniquement l’objet de prières à l’église. A l’opposé, les évènements graves s’accompagnent de processions et de prières dans toute la ville. Les rites religieux sont également plus variés et nombreux.
Toujours dans la ville de Salamanque, les actes relevés entre 1612 à 1700 mettent en évidence 41 événements météorologiques, qui ont conduit à l’organisation de 56 cérémonies. Ils montrent deux cas principaux : pro pluvia (pour que la pluie tombe) et pro serenitate (que la pluie s’arrête). Ils mentionnent également les tempêtes, comme celle de janvier 1626, qui a provoqué de fortes inondations dans la ville (voir ci-dessous).
Liste des Rogations à Salamanque au XVIIème siècle [cairn.info]
Les « Rogativas » ont leurs limites, elles ne renseignent que sur les extrêmes climatiques. Elles n’en constituent pas moins une source précieuse d’informations sur les événements du passé.
Philippe Jeanneret
Pour en savoir plus : « Les cérémonies religieuses face à la météorologie. Enjeux paléoclimatiques et rôle social. Le cas de Salamanque au XVII siècle ». Élise Hiram
Une étude menée par des chercheurs de l’université du Wyoming spécialisés sur le climat a révélé que les modèles exagèrent parfois l’effet de réchauffement dans l’atmosphère de la fumée des feux de forêt.
L’étude, qui porte sur l’impact des feux de forêt sur le climat mondial, a été réalisée grâce au supercalculateur NCAR-Wyoming (Cheyenne) d’après Shane Murphy, professeur associé de sciences atmosphériques à l’université du Wyoming.
Tous les feux de forêt ne seraient pas nocifs pour le climat
Les mesures de la fumée des feux de forêt effectuées sur le terrain par l’Université du Wyoming et d’autres équipes dans le monde entier ont montré que certaines fumées étaient plus légères et absorbaient moins la lumière que ce que la plupart des modèles supposent.
D’après les scientifiques, la composition, la taille et l’état de mélange des aérosols brûlant de la biomasse déterminent les propriétés optiques des panaches de fumée dans l’atmosphère. Celles-ci détermineraient comment ces aérosols perturbent l’équilibre énergétique dans l’atmosphère. De plus, le degré d’absorption de ces aérosols dans l’atmosphère dépend du type de combustible qui brûle, ainsi que du climat de la région où se trouve le feu. En outre, tous les feux de forêt n’auraient pas le même impact sur le climat.
Selon le chercheur Brown, récemment titulaire d’un doctorat en sciences atmosphériques à l’Université de Washington, les observations et les modèles d’Afrique, d’Amérique du Sud, d’Asie du Sud-Est et des régions boréales ont été choisis, car ce sont les régions qui contribuent le plus aux émissions de fumée de combustion de biomasse dans le monde.
Les chercheurs ont ainsi découvert que les feux de prairie chauds et secs en Afrique et en Australie ont tendance à avoir une fumée beaucoup plus sombre, qui réchauffe davantage l’atmosphère, tandis que les feux de forêt boréale plus frais et humides en Amérique du Nord et en Asie du Nord ont tendance à avoir une fumée beaucoup plus claire, moins nocive pour le climat.
Étudier les aurores polaires permet de mieux comprendre les perturbations sur nos systèmes technologiques, selon une étude publiée par notre partenaire The Conversation.
La Terre n’est pas la seule planète à être le siège d’aurores polaires puisqu’il s’en produit aussi sur Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.
L’analyse de ce phénomène a été menée par Mathieu Barthelemy, professeur, directeur du Centre spatial universitaire de l’université Grenoble Alpes.
Que l’on soit chercheur ou non, la première réponse qui vient à l’esprit est qu’on étudie les aurores boréales « parce que c’est beau ». Si cela représente souvent une motivation profonde et première pour les chercheurs travaillant sur le sujet, il y a d’autres raisons qui nous amènent à observer les aurores qui se produisent sur Terre… ou sur d’autres planètes.
Car la Terre n’est pas la seule planète à être le siège d’aurores polaires. Comme nous allons le voir, pour produire des aurores polaires, il faut une atmosphère, un champ magnétique et du vent solaire : des conditions réunies sur Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune où des aurores ont été détectées. Sur Mercure, dont l’atmosphère est très ténue, on détecte des émissions lumineuses s’apparentant à des aurores. Sur Mars, où le champ magnétique est « gelé » dans la croûte martienne (la trace d’un champ magnétique passé), des émissions lumineuses dans des zones de champ magnétique fort ont été observées par une mission spatiale en 2005. Vénus ne présente pas de champ magnétique, mais il existe des émissions diffuses dans la haute atmosphère – s’agit-il d’aurores ? Le débat n’est pas tranché.
Dans tous les cas, ces différentes émissions lumineuses sont riches d’informations sur les atmosphères des planètes qu’elles illuminent, par exemple sur leur composition chimique ou leur dynamique, mais aussi sur les flux de particules qui viennent du soleil.
Les aurores sont liées à l’activité du Soleil
Sur Terre, on parle souvent dans le langage courant d’aurores boréales, ce qui ne désigne que celles qui se produisent au Nord, et on oublie donc les aurores australes de l’hémisphère sud – le terme générique est en fait « aurores polaires ».
Les aurores polaires sont provoquées par les particules chargées provenant du Soleil, un flux appelé « vent solaire ». Ces particules, essentiellement des électrons et des protons, sont « captées » par le champ magnétique de la Terre et plongent dans l’atmosphère aux environs des pôles magnétiques.
Elles se concentrent le long d’ovales centrés autour du pôle magnétique, à environ 20° de latitude, et entrent en collision avec le gaz atmosphérique, ce qui provoque une « excitation » des atomes et molécules de ce gaz. L’émission lumineuse que l’on voit dans une aurore polaire vient de la relaxation du gaz atmosphérique après cette excitation, que l’on appelle « fluorescence ».
À quelle altitude sont ces aurores multicolores ?
Lorsqu’on observe une aurore polaire depuis le sol, il est difficile de savoir à quelle altitude elle se trouve – tout comme il est difficile de connaître l’altitude des nuages.
C’est un physicien norvégien, Kristian Birkeland, qui, au début du XXe siècle, en plus de comprendre le phénomène et ses liens avec le Soleil, estima l’altitude de ces émissions – après une première estimation très imprécise par Lord Henry Cavendish au XVIIIe siècle.
Il fit d’abord des expériences en montagne pour voir s’il se trouvait dans l’aurore, ce qui n’était pas le cas. Il mesurera ensuite l’angle sous lequel on voit une aurore depuis plusieurs points, par « triangulation » et, en collaboration avec Carl Størmer, un autre physicien norvégien, estima l’altitude à environ 100 km.
En plus du vert, on peut aussi observer du violet et du rouge. Ces couleurs dépendent essentiellement du gaz qui est excité et se relaxe : le vert et le rouge sont dus à l’oxygène alors que le violet est dû à un ion de l’azote (N2⁺). Le violet est émis autour de 90 kilomètres, le vert vers 120 kilomètres et le rouge vers 220 kilomètres. D’autres émissions existent notamment dans l’ultraviolet, mais elles ne sont pas visibles depuis la Terre, car filtrée par l’atmosphère.
Que nous apprennent les aurores polaires aujourd’hui ?
Étudier les aurores polaires permet de mieux comprendre la haute atmosphère, mais aussi les perturbations que le vent solaire provoque en entrant dans l’atmosphère sur nos systèmes technologiques : communications radio ou filaires, réseaux électriques, systèmes de positionnement, aviation, satellites. En mars 1989 au Québec, une tempête solaire provoqua une coupure d’électricité de plusieurs heures et une autre provoqua de nombreuses perturbations sur les satellites en 2003.
Les aurores sont un moyen d’obtenir des informations sur la façon dont l’énergie de ces particules se dépose dans l’atmosphère.
Comment utiliser les aurores polaires pour étudier le flux de particules provenant du Soleil ?
Les chercheurs utilisent les aurores pour observer le vent solaire, à distance et sur le long terme.
Tout comme il est impossible de faire de la météorologie en ne mesurant les températures ou les vents qu’une fois par an pendant quelques minutes, pour prévoir les aurores polaires et les perturbations électromagnétiques liées au vent solaire, des données continues et sur le long terme sont indispensables – une discipline que l’on appelle « météorologie de l’espace ».
Cela reste complexe puisque l’été est impropre à l’observation des aurores polaires (il fait peu ou pas nuit dans les régions polaires, en été) et les aurores peuvent être masquées par les nuages. Il est donc difficile d’assurer une surveillance continue des aurores quand on reste les pieds sur Terre.
Il est malheureusement aussi très difficile de faire des mesures in situ des aurores polaires sur du long terme, car installer des instruments qui stationnent à 100 ou 200 km d’altitude s’avère complexe : les ballons stratosphériques ne montent que jusqu’à 50 kilomètres d’altitude, les satellites peuvent difficilement rester longtemps en orbite en dessous de 300 kilomètres, et une fusée qui traverserait ces régions y résiderait pour un temps très court seulement. Les instruments embarqués à bord d’avion souffrent de temps d’observation très courts, et le LIDAR est en développement pour ces observations, mais n’atteint pas encore les couches au-delà de 100 kilomètres.
Une solution consiste à placer l’instrument d’observation au-dessus des aurores. Avec un satellite en orbite à 500 km, on peut faire de 15 à 16 orbites par jour, sans l’obstacle des nuages, et donc d’avoir un suivi quasi continu de ces émissions lumineuses et observer des longueurs d’onde qui sont filtrées par l’atmosphère (dans l’ultraviolet par exemple). Enfin, il est possible d’observer les aurores polaires depuis l’espace quand il fait jour, en « visant au limbe », c’est-à-dire sans que la ligne de visée n’intercepte le globe terrestre, en incidence rasante.
L’observation par satellite rencontre bien sûr d’autres défis : les conditions spatiales sont complexes à maîtriser (vide, températures extrêmes, radiations…) et le satellite est en mouvement rapide, ce qui complique la prise d’image (environ 7 kilomètres par seconde pour une orbite à 500 kilomètres).
Observer les aurores polaires depuis l’espace
De nombreuses expériences d’observation des aurores polaires ont donc été envoyées dans l’espace pour détecter des émissions ultraviolettes ou pour s’affranchir des nuages et du jour, par exemple le satellite REIMEI de l’agence spatiale japonaise.
Notre équipe grenobloise a lancé le projet en 2017 de construire un nanosatellite, pesant un peu plus de 2 kg, équipé d’un imageur spécialement construit pour l’observation de ces aurores dans les longueurs d’onde visibles. Après de nombreuses péripéties et de belles collaborations notamment avec l’Université de Moscou et la communauté radio amateur, le satellite AMICal Sat a décollé depuis la base de Kourou le 3 septembre 2020 à bord de la fusée Vega. Nous avons reçu sa première image d’aurore début novembre 2020, montrant qu’il est possible d’observer ces aurores depuis l’espace à l’aide d’un tout petit satellite construit par des étudiants.
À partir des images produites par l’appareil photographique à bord, il sera possible de déterminer l’intensité des aurores dans les différentes couleurs captées par les filtres rouges, bleus et verts du détecteur. En parallèle, nous avons conçu des simulations permettant de calculer ces émissions en fonction des flux et de l’énergie des particules entrant dans l’atmosphère et de leurs énergies. En « inversant » ces simulations, nous reconstituerons ces paramètres aux moments où les photos ont été prises.
Dans un premier temps, nous nous focaliserons essentiellement sur les électrons ayant des énergies assez basses (inférieures à 30 kiloélectronvolts). Ce sont ceux qui, via les courants qu’ils créent, peuvent perturber les réseaux électriques au sol et poser de gros problèmes aux satellites, car ils ont tendance à s’accumuler sur la surface des satellites et à provoquer des décharges en leur sein qui peuvent endommager les composants, en particulier l’électronique, et donc entraîner leur perte de contrôle.
Cette analyse a été rédigée par Mathieu Barthelemy, professeur, directeur du Centre spatial universitaire de l’université Grenoble Alpes.
L’article original a été publié sur le site de The Conversation.
