Voir Vénus comme jamais auparavant

Publié par Redbran le 03/09/2021 à 13:00
Source: Marie Perez - CNRS INSU
D'ici une dizaine d'années, la mission européenne EnVision mettra le cap sur Vénus pour nous permettre d'avoir, pour la première fois, une vision globale de la planète. En effet, nous en savons encore trop peu sur Vénus, surtout en comparaison avec Mars, l'autre voisine de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...). Activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) volcanique, passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble...) géologique, composition et dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), composition du noyau et des roches, présence d'océans (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par...) par le passé: les scientifiques espèrent qu'EnVision contribuera à répondre aux nombreuses questions qui restent toujours en suspens. Pour cela, ils s'activent d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des...) et déjà à préparer les instruments clés de la mission: trois spectromètres, deux radars et un système de télécommunication.


Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités...) d'EnVision / Crédit: VR2Planets

Une vue holistique de Vénus

Après plusieurs décennies de quasi-abandon, Vénus revient sous les feux des projecteurs avec l'acceptation, en juin 2021, de rien de moins que trois missions prévues à l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...) 2030. Très similaire en taille et masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) à la Terre, Vénus présente toutefois des conditions de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) infernales: une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) de 470°C et une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) 93 fois supérieure à la nôtre. L'un des objectifs des missions vers cette mystérieuse planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...) est de comprendre pourquoi son destin a tant divergé de celui de la Terre.

En ce qui concerne la sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des...) européenne, baptisée EnVision, elle devrait décoller en 2032 et passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) quatre ans à survoler la planète voisine. "EnVision est un nom très évocateur qui signifie: envisager, voir à travers, se projeter et se donner les moyens de réussir", fait remarquer Thomas Widemann, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) au laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...) (LESIA) et deputy lead scientist de la mission. Le voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel...) durera 15 mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...) et sera suivi de 16 mois d'aéro-freinage, une technique qui permet à la sonde d'utiliser l'atmosphère pour freiner et atteindre l'orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) visée. Cela nécessite moins de carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme...) qu'une mise en orbite classique et permet donc de réserver une plus grande part du poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...) disponible aux instruments embarqués.

"EnVision a été pensée pour obtenir une vue holistique de Vénus, depuis le coeur de la planète jusqu'à sa haute atmosphère, révèle Emmanuel Marcq, chercheur au laboratoire atmosphères et observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) spatiales (LATMOS) et principal investigator de l'instrument VenSpec-U. Si elle doit donner une vue globale de la planète, elle ne balayera toutefois pas l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de Vénus mais une surface équivalente, en taille, à l'ensemble des continents terrestres ou à l'ensemble de la surface martienne." Elle embarquera une suite spectrométrique: VenSpec, deux radars: VenSAR et SRS, et réalisera une expérience de radio-science (RSE). "Grâce à cet ensemble de moyens, on va pouvoir mieux comprendre les interactions entre l'intérieur, la surface et l'atmosphère de Vénus (L'atmosphère de Vénus a été découverte en 1761 par le polymathe russe...) et voir la planète comme un tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...)", se réjouit Alice Le Gall, chercheuse au LATMOS et membre de la science study team d'EnVision.

En termes de développement instrumental, Emmanuel Marcq n'est pas inquiet: "La technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) nécessaire pour mettre au point (Graphie) l'ensemble des instruments existe déjà et, grâce aux missions vénusiennes du 20ème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...), nous connaissons les conditions dans lesquelles nous devrons opérer. Notre objectif est donc de profiter des dernières avancées technologiques pour créer des instruments aussi performants que possible qui puissent accéder à un nouveau champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...). En d'autres mots: obtenir des ruptures scientifiques sans rupture (Ruptures est le second album de la série de science-fiction Orbital constituée de...) technologique."

La suite spectrométrique: du sol à la haute atmosphère

La suite spectrométrique VenSpec sera composée de trois spectromètres. VenSpec-M, développé par l'Allemagne, va cartographier la minéralogie à la surface de la planète. "Le type de roches nous renseigne sur l'histoire de Vénus, explique Emmanuel Marcq. Par exemple, les granites ayant besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) pour se former, leur présence donnerait un argument en faveur de la présence passée d'eau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) en surface." VenSpec-H, l'instrument belge, va étudier l'atmosphère profonde, qui se trouve sous les nuages. Il va notamment chercher à recenser les composés traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de...) et les variations de leurs concentrations qui peuvent renseigner sur une potentielle activité en surface. En effet, l'activité d'une planète, comme les dégazages volcaniques, influence son atmosphère dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) et l'espace. Enfin, VenSpec-U, mis au point par la France, se concentrera sur l'atmosphère au-dessus des nuages afin d'étudier le cycle du soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de...), très présent, et comprendre les interactions entre la basse et la haute atmosphère.

Deux radars et une résolution inédite

EnVision embarquera également deux radars: VenSAR, un radar (Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la...) imageur, et SRS, un radar sondeur. VenSAR va cartographier environ 30 % de la surface de Vénus avec une résolution spatiale de 30 mètres. Quelques zones d'intérêt seront même observées avec une résolution de 10 mètres ! "Sachant que la dernière cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le...), réalisée par le radar de la sonde Magellan entre 1990 et 1994, présentait des résolutions comprises entre 100 et 300 mètres, ce sera une avancée considérable", souligne Alice Le Gall. Ce radar effectuera aussi des mesures d'altimétrie, qui renseigneront sur le relief (Le relief est la différence de hauteur entre deux points. Néanmoins, ce mot est souvent employé...) de la surface, et de radiométrie pour mesurer la température de brillance du sol et ainsi y rechercher d'éventuels points chauds.


Maat Mons, un volcan qui s'élève à environ 8 km au-dessus du niveau moyen de la planète, reconstitué à partir des données radar de la sonde Magellan (1990-1994) / Crédit: NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de...) JPL

Quant au radar SRS, sa cible sera le premier kilomètre de croûte sous la surface du Vénus. Les ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) pénétreront dans le sol et seront renvoyées vers l'orbiteur (Dans le domaine de l'astronautique, un orbiteur est un vaisseau satellisé autour d'une planète....) lorsqu'elles rencontreront un obstacle. "Cela n'a encore jamais été fait sur Vénus et nous ne savons pas ce que nous allons découvrir, confie Alice Le Gall. Il y a un risque que les pertes dans le sol soient trop importantes et qu'on n'obtienne pas de résultat concluant mais ça vaut le coup d'essayer !" Connaître la structure voire la stratigraphie du sous-sol donnera des informations précieuses sur l'histoire géologique de Vénus.

Une double expérience grâce à la télécommunication

Dernier volet d'EnVision: l'expérience de radio-science. "Elle repose sur le système de télécommunication de l'orbiteur et ne nécessite donc pas d'embarquer d'instrument supplémentaire à bord", souligne Caroline Dumoulin, chercheuse au laboratoire de planétologie (La planétologie est la science de l'étude des planètes. La discipline recouvre de nombreuses...) et géodynamique de Nantes (LPG) et responsable de l'expérience. Le système de télécommunication permet, en premier lieu, de recevoir les commandes émises depuis la Terre et d'envoyer les données que la sonde recueille vers la Terre. L'antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de...) de télécommunication émet, pour cela, des ondes radio, en bande X (Dans les télécommunications radio, la bande X est une plage de fréquences aux alentours de 8...) pour le lien Terre vers Vénus et en bandes X et Ka pour le lien Vénus vers Terre. Ces bandes correspondent aux hautes fréquences radio de 8.4 et 32 GHz. L'expérience de radio-science a deux facettes: une expérience de champ de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) et une expérience de radio-occultation, qui ont toutes les deux déjà fait leurs preuves par le passé.

La première consiste à reconstruire le champ de gravité de Vénus à partir de la position de la sonde, qui est en permanence connue grâce aux mesures de tracking. Ces mesures permettent de suivre les infimes variations de trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) de l'orbiteur. "En effet, tout orbiteur est sensible au champ de gravité local, dont les perturbations influencent sa trajectoire, explique Pascal Rosenblatt, chercheur au laboratoire de planétologie et géodynamique de Nantes (LPG) et co-responsable de l'expérience de radio-science.

Plus l'orbiteur est proche de la surface, plus le suivi de sa trajectoire permet de reconstruire le champ de gravité avec précision." EnVision orbitera à une altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau...) située entre 220 et 540 km, ce qui est assez bas. "Les anomalies du champ de gravité sont créées par des variations de distribution de masse à l'intérieur de la planète, explique Caroline Dumoulin. La gravité nous permet donc de modéliser la structure de la planète, de savoir s'il y a des anomalies de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) comme des remontées mantelliques, des zones de subduction (La subduction est le processus d'enfoncement d'une plaque tectonique sous une autre plaque de...) ou encore des épaississements crustaux à certains endroits, et de déterminer la taille et l'état du noyau. Cette information est, pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas...), très lacunaire car la mission Magellan n'a pas permis d'obtenir une résolution spatiale suffisante sur une grande partie de la planète. Connaître la structure interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) est essentiel pour contraindre les modèles d'évolution temporelle et thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) de Vénus."

La deuxième expérience aura lieu juste avant que la sonde ne disparaisse derrière Vénus par rapport à la Terre. À ce moment-là, les ondes radio traversent l'atmosphère vénusienne avant d'être récupérées par les antennes terrestres de l'Estrack (European space tracking, le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) de stations de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) des satellites (Satellite peut faire référence à :) de l'ESA). La façon dont les ondes sont modifiées (dans leur direction, amplitude (Dans cette simple équation d’onde :), fréquence) lors de ce passage permet de tirer des conclusions sur la structure physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) et la composition chimique de l'atmosphère de Vénus. "On va, entre autres, pouvoir mesurer l'abondance en acide sulfurique (L'acide sulfurique (anciennement appelé huile de vitriol ou vitriol) est un composé...) gazeux grâce aux ondes en bande X et liquide dans les nuages grâce à l'ajout de la bande Ka. C'est la toute première fois que ce sera fait pour le liquide !", s'enthousiasme Caroline Dumoulin. L'intérêt de cette double mesure: mieux cerner le cycle du dioxyde de soufre (Le dioxyde de soufre (ou anhydride sulfureux) est un composé chimique constitué de deux...) qui pourrait être une signature de l'activité volcanique de la planète.


Carte du réseau de stations Estrack/ Crédit: ESA

L'équipe étudie actuellement la possibilité d'ajouter une horloge ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport...) stable pour améliorer la couverture de l'expérience de radio-occultation. "Il y a une réserve de masse sur la sonde qui permet de faire quelques ajustements durant la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) de conception de la mission, explique Caroline Dumoulin. Nous saurons d'ici quelques mois si l'ajout de cette horloge est possible." Affaire à suivre.

Une importante contribution française

Plusieurs laboratoires français seront impliqués dans EnVision: IRAP, LATMOS, LESIA, LMD, LPG:
- Le LATMOS (Emmanuel Marcq) est responsable de la fourniture du spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant de décomposer une quantité...) UV VenSpec-U
- Le LPG (Caroline Dumoulin et Pascal Rosenblatt) a la responsabilité scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) de l'expérience de radio-science
- Le LESIA (Thomas Widemann) fournira le télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant...) de l'imageur minéralogique VenSpec-M.
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