Programme Voyager

Voyager 1 et 2 sont des sondes d'exploration spatiale lancées en 1977. Elles ont depuis réalisé une moisson d'observations astronomiques, qui ont plus d'une fois remis en question les théories planétologiques, au cours d'une épopée spatiale d'une durée exceptionnelle, épopée qui se poursuit encore aujourd'hui dans l'espace interstellaire. Ces sondes lancées dans une relative discrétion, à l'époque où la NASA peaufinait encore la première version de sa navette spatiale, à elles deux, présentent un palmarès unique : l'exploration du voisinage de Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune et 48 de leurs lunes.

Les deux sondes sont équipées à l'identique.

Les sondes ont une masse de 815 kg chacune au moment du lancement (à comparer aux 235 kg de Pioneer 10). Les communications radio avec la Terre se font avec un émetteur-récepteur, relié à une antenne grand gain parabolique de 3,66 m de diamètre. Avec les grandes distances, les transmissions peuvent arriver sur Terre avec une puissance réduite de 1018 fois. La précision des Voyager est très bonne : la trajectoire de Voyager 2 fut calculée avec une position sur « site » précise à 30 km près, une ponctualité de 10 minutes et son antenne fut précise à 0.05° près. Du côté de l'informatique embarquée, on retrouve sur chaque sonde trois types d'ordinateurs (commande depuis la Terre, instructions/collecte des données et position/mouvement) en deux exemplaires chacun. La capacité totale des ordinateurs de chaque sonde s'élève à 512 KB, bien peu comparé aux ordinateurs modernes. La majorité des instruments scientifiques se situent sur une perche s'étendant jusqu'à environ 2,5 m du centre de la sonde. Les magnétomètres sont installés sur une autre perche (de 13 m de long). Une troisième perche contient les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes produisant l'énergie nécessaire à la mission. Les instruments radio PRA et PWS fonctionnent quant à eux grâce à deux antennes de 10 m, perpendiculaires l'une à l'autre.

Elles sont alimentées en électricité, non pas par des panneaux solaires photovoltaïques, mais par trois générateurs thermoélectriques à radioisotope, technologie qui leur permet de fonctionner correctement, à la limite et au-delà du système solaire, pendant plusieurs années. Ambitionnant les confins du système solaire pour leur sondes, les concepteurs ne pouvaient pas les alimenter par le biais de classiques panneaux solaires photovoltaïques, ceux-ci étant peu efficaces à grande distance du Soleil, voire inutiles plus loin dans l'espace. Les Voyager seront donc alimentées en électricité, via des générateurs thermoélectriques à radio-isotope, l'énergie électrique étant produite par la chaleur émise par la décroissance radioactive du Plutonium 238 embarqué. Chaque générateur a la forme d'un cylindre de 50,8 cm de hauteur pour 40,6 cm de diamètre. La puissance résultante pour chaque sonde était de 470 Watts au début de la mission en 1977, distribuée sous la forme d'un courant électrique continu de 30 Volts. Au fur et à mesure de la décroissance du plutonium, chaque sonde aura d'autant moins d'énergie (donc de marge de manœuvre) à sa disposition.

Les communications avec la Terre sont assurées par un émetteur-récepteur radio, relié à une antenne grand gain parabolique, assurant la transmission des données collectées vers la Terre et la réception des instructions en provenance de la Terre.

Avec une caméra couleur grand angle de résolution 0.64 MP (800*800) et une deuxième avec un objectif standard, les instruments de mesures scientifiques se composent de :

• un capteur de rayons cosmiques (CRS), un détecteur de plasmas (PLS), ainsi qu'un capteur de particules faible énergie (LECP). Ces trois instruments sont des détecteurs de particules, destinés à l'étude des rayons cosmiques, du vent solaire et des magnétosphères de Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune…
• un magnétomètre (MAG). Cet instrument est destiné à mesurer les variations du champ magnétique solaire en fonction du temps et de la distance, ainsi qu'à étudier les champs magnétiques des planètes rencontrées et leurs interactions avec les satellites ou anneaux.
• un récepteur radio astronomique de planète (PRA) et un récepteur d'ondes émises par les plasmas (PWS). Le PRA et le PWS sont des récepteurs d'ondes radio, le premier pour des fréquences de 20,4 kHz à 1300 kHz et de 2,3 MHz à 40,5 MHz et le second pour des fréquences de 10 Hz à 56 kHz. Ils sont destinés à l'écoute des signaux radio émis par le Soleil, les planètes, les magnétosphères… Ils sont reliés à deux antennes placées perpendiculairement, afin de capter les rayonnements dans deux polarisations décalées de 90°.
• un photopolarimètre. Cet instrument mesure l'intensité et la polarisation de la lumière de huit longueurs d'onde entre 235 nm et 750 nm. Il a étudié les atmosphères de Jupiter et Saturne, les anneaux de cette dernière, la texture et la composition probable des surfaces de leurs satellites… Durant les survols planétaires, il a également mené une recherche d'éclairs et d'aurores. Celui de Voyager 1 a été reconnu défectueux.
• un interféromètre, spectromètre, radiomètre infra rouge (IRIS). IRIS permet aux scientifiques de déterminer la température d'un corps, de repérer la présence de certaines substances dans une atmosphère ou sur une surface et de mesurer quelle proportion de la lumière solaire reçue par un corps et réfléchie par ce dernier.
• un spectromètre ultra-violet (UVS). Cet instrument sensible aux rayons ultraviolets permet de détecter la présence de certains atomes ou ions, ces derniers absorbant certaines fréquences de lumière.

Voyager 2 fut lancée la première le 20 août 1977 et sa jumelle Voyager 1 le 5 septembre. Construites pour durer seulement cinq ans, les sondes sont aujourd'hui en 2010 plus de trois fois et demi fois plus éloignées de la Terre que Pluton. Toujours en état de fonctionnement, elles foncent vers l'héliopause, limite de l'influence magnétique du Soleil, où débute « officiellement » l'espace interstellaire.

Ces deux engins de 800 kilogrammes dotés d'une douzaine d'instruments et de caméras quittaient la Terre pour un grand tour du système solaire. La mission avait été conçue pour profiter d'un alignement planétaire exceptionnel - survenant une fois tous les 175 ans - qui permettait, avec une dépense minimale de temps et de carburant, de rendre visite aux quatre planètes gazeuses du système solaire : Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. À l'origine, la NASA ne disposait pas d'un financement suffisant pour prolonger la recherche au-delà de Saturne, mais s'appuyant sur le principe que l'on ne sait jamais ce qui peut arriver, les ingénieurs américains avaient programmé pour Voyager 2 une trajectoire incluant le survol d'Uranus et de Neptune. Chaque survol rapproché d'une de ces planètes géantes, donnait un coup d'accélérateur suffisant aux sondes pour les propulser au voisinage de la planète suivante. C'est ce qu'on appelle la technique de "fronde gravitationnelle" ou d'"assistance gravitationnelle".

La première phase de la mission permit à Voyager 1 de rendre visite à Jupiter le 5 mars 1979 à 350 000 km de la planète et à Saturne le 12 novembre 1980 à une distance de 124 000 km, puis sortant du plan de l'écliptique en prenant de l'avance sur Voyager 2 elle poursuivit sa route pour aller à la rencontre de l'héliopause. Le 17 février 1998, Voyager 1 dépassa la sonde Pioneer 10 pour devenir l'objet le plus distant de la Terre jamais envoyé dans l'espace. Elle est actuellement à un peu moins de 30 heures-lumière de la Terre ( précisément 29 h 15 m-lumière au 7 décembre 2007)

Quant à Voyager 2, elle approcha pour sa part Jupiter le 9 juillet 1979 à 71 400 km de la planète et Saturne le 25 août 1981 à une distance de 101 000 km, puis les ingénieurs de la NASA comprirent que Voyager 2 serait probablement capable de voler jusqu'à Uranus avec tous ses instruments en ordre de marche. Ce fut chose faite le 24 janvier 1986 avec un survol de la planète à 107 000 km, Voyager 2 réussissant à transmettre à la NASA des photos et données uniques de cette planète, de ses lunes et champs magnétiques. Après son passage à 48 000 km de Neptune le 25 août 1989, Voyager 2, au bout de ces 12 ans de voyage, prit à son tour une direction la faisant sortir du système solaire.

« Nous avons aussi découvert que Neptune avait les vents les plus forts même si elle reçoit le moins d'énergie du Soleil, mais la plus grande surprise fut la découverte des volcans en éruption sur Io, les premiers volcans en activité découverts ailleurs que sur Terre », se souvient Edward Stone, le scientifique responsable du projet Voyager depuis son origine et qui continue de suivre la progression des sondes depuis le JPL de la NASA, à Pasadena.

À elles deux, les sondes prirent quelque 33 000 photographies du monde jovien, c'est-à-dire de la planète elle-même et de ses cinq principaux satellites. Les mesures enregistrées par les instruments, notamment sur l'atmosphère tourmentée de la géante gazeuse, ont permis aux scientifiques de mieux comprendre les processus physiques à l'œuvre sur Jupiter, tout en suscitant de nouvelles questions.

Les principales surprises provinrent des deux lunes les plus proches de la planète : Io et Europe. Les images de la première stupéfièrent les astronomes. Incontestablement, il y avait là un volcanisme actif, spectaculaire, dont l'autre seul exemple, dans le système solaire, se trouve sur la Terre. Sur certains clichés aux éclatantes couleurs vives, on distingue nettement un panache montant à 300 kilomètres au-dessus de la surface. De la matière est éjectée à la vitesse d'1 km/s. L'importante énergie nécessaire à l'activité de ces volcans émane d'un échauffement interne du satellite, provoqué par les effets de marée qu'engendre la masse immense de la proche Jupiter (il ne s'agit donc pas, comme dans le cas terrestre, de la chaleur résiduelle du noyau).

D'un monde de feu à un monde de glace, il n'y a que l'espace séparant Io d'Europe. La surface de celle-ci, peu marquée par les cratères d'impact - à la différence de tous les autres corps rocheux comme la Lune et Mercure par exemple -, trahit un remodelage récent. Mais ce qui interloqua le plus les astronomes fut le réseau de multiples coutures balafrant Europe comme autant de lignes de fracture. L'hypothèse la plus retenue aujourd'hui - élaborée à l'aide de la sonde Galileo - imagine qu'un océan souterrain se trouve sous une croûte cassante de glace d'une vingtaine de kilomètres d'épaisseur.

Lors de l'approche des autres géantes gazeuses Saturne, Uranus et Neptune, une vingtaine de petits satellites furent découverts sur les clichés, qui précisèrent également la disposition et le nombre des anneaux entourant ces planètes. Deux autres surprises attendaient les chercheurs : la présence d'une atmosphère très épaisse et très dense autour de Titan, le principal satellite de Saturne et les incroyables geysers de Triton, la plus grosse lune de Neptune. D'immenses et mystérieuses colonnes sombres s'y élèvent jusqu'à plusieurs kilomètres d'altitude. Une énigme de plus à résoudre pour les astronomes.

Aujourd'hui, Voyager 1 est plus éloigné de la Terre que tout autre engin jamais lancé par l'Homme dans l'espace, et continue de s'éloigner à la vitesse de 17 km/seconde. Et les deux sondes envoient toujours des données collectées par le Réseau de communication avec l'espace lointain (DSN) de la NASA, dans le cadre d'un voyage rebaptisé Mission interstellaire Voyager.

En quittant l'héliosphère pour atteindre l'héliopause, limite de l'influence magnétique du soleil, les sondes pourront mesurer les particules et ondes interstellaires non affectées par les vents solaires, une première dans l'histoire de l'exploration spatiale. Les sondes Voyager ont encore assez d'énergie pour fonctionner jusqu'en 2020, selon les estimations des ingénieurs de la NASA. À cette date, elle seront respectivement à 20 et 16,8 milliards de kilomètres du soleil.

Une fois devenues silencieuses, les sondes n'en continueront pas moins sur leur lancée, Voyager 1 devrait passer dans la périphérie de l'étoile « AC+79 3888 » dans la constellation de la Girafe dans 40 000 ans et Voyager 2 rendra visite à Sirius, la plus brillante des étoiles de notre ciel dans 296 000 ans.

Le coût total de la mission Voyager incluant le lancement et le suivi des sondes s'établit aujourd'hui à 895 millions de dollars, dont une rallonge budgétaire de 30 millions accordée par la NASA en 1990 pour la poursuite de la mission.

« Aujourd'hui, malgré leur grand âge, les deux sondes sont en mode d'alerte » explique Rosine Lallement, directeur de recherches au Service d'aéronomie du CNRS. « On surveille ce qu'il en sort, car on guette un changement dans les données concernant le plasma, le gaz ionisé ». Voyager 1, la plus rapide et la plus éloignée des deux sondes, se situe actuellement à plus de 15 milliards de kilomètres et approche de la zone où le vent solaire « bute » sur le nuage de gaz interstellaire que traverse le Soleil. Les chercheurs veulent donc déterminer l'emplacement de cette zone de choc.

Une fois franchie cette frontière, les Voyager feront partie, avec les sondes Pioneer, des tout premiers objets fabriqués par l'homme à naviguer hors de la bulle de protection du Soleil. Même si les signaux des Voyager mettent plusieurs heures à nous parvenir, les chercheurs espèrent bien obtenir des informations sur la densité du nuage interstellaire, sur les radiations qui le traversent et dont l'héliosphère nous protège. On ignore notamment la densité de toute une classe de particules relativement énergétiques, qui peuvent faire des dégâts sur les êtres humains - dans le cadre futuriste d'un voyage intersidéral - et sur le matériel électronique des sondes. Pour l'heure, les Voyager sont en relative bonne santé. Les astronomes comptent recevoir leurs mesures jusqu'en 2020. Aux alentours de 2025, 2030, le générateur thermoélectrique à radioisotope fonctionnant au plutonium 238, après la fourniture de près d'un demi-siècle d'énergie électrique, sera épuisé.

Les deux sondes Voyager, ainsi que Pioneer 10, sont les premiers engins conçus par l'homme à se diriger vers l'extrême frontière du système solaire qui est englobé dans l'héliosphère. Cette dernière est une sorte d'immense bulle balayée par les particules très énergétiques émises par le Soleil. Au-delà, les petits engins rencontreront l'héliopause, la zone qui constitue la limite entre l'héliosphère et le milieu interstellaire. En théorie, les astronomes placent l'héliopause à une distance de 100 unités astronomiques par rapport au Soleil (une UA = 150 millions de km). Mais ils ignorent encore sa forme exacte ainsi que les caractéristiques précises de ce milieu.

Grâce à leur longévité, la mission des sondes Voyager a été étendue par les responsables de la NASA de façon à étudier plus précisément cette zone inconnue. Néanmoins, les difficultés budgétaires de la NASA pour la préparation de l'exploration de Mars pourrait amener l'agence spatiale à interrompre brutalement le programme au moment même où il peut rapporter des informations à caractère absolument unique.

Les sondes Voyager au-delà du système solaire

La publication dans la revue Science du 23 septembre 2005 d'une série d'articles concordants officialise l’événement : depuis le 16 décembre 2004, Voyager 1 est la première création humaine à naviguer au-delà de l'une des principales frontières du système solaire, l'héliosphère.

Cette frontière, le choc terminal, se trouve à environ 14,1 milliards de kilomètres du Soleil, soit 94 unités astronomiques.

Voyager 1 doit à une chance inouïe la possibilité de témoigner de ces phénomènes. Car, dans les années 1970, ses concepteurs ignoraient tout de la direction du Soleil par rapport à la Voie lactée. De ricochet en ricochet autour des planètes visitées, le hasard a voulu que la sonde quitte le système solaire par l'avant, vers le nez que forme l'héliosphère en rencontrant la résistance du milieu interstellaire.

Le 15 août 2006, Voyager 1 a dépassé la barrière symbolique des 100 UA de distance par rapport au Soleil, soit 15 milliards de km.

De son côté, Voyager 2 a franchi le choc terminal le 30 août 2007. La sonde était alors située à environ 84 UA du Soleil.

Elles poursuivent leur route à la frontière du système solaire vers la zone que l'on appelle l'héliopause, limite de l'influence du vent solaire. Voyager 1 dépassa officiellement Pioneer 10 le 17 février 1998 pour devenir l'objet le plus distant de la Terre jamais envoyé dans l'espace. Les sondes s'éloignent dans l'espace à des vitesses vertigineuses : 17 kilomètres par seconde (61 200 km/h) pour Voyager 1; 15 km/s (54 000 km/h) pour Voyager 2. Cette vitesse leur permet de parcourir plus de 500 millions de km par an. Elles envoient encore des données qui sont collectées par le réseau de communication avec l'espace lointain (DSN) de la NASA, dans le cadre d'un nouveau programme : la Mission Interstellaire Voyager.

Au travers des sondes Voyager, l'humanité tout entière est en route vers les étoiles. Ambassadeurs interstellaires, ces deux engins ont à leur bord un message à destination d'autres êtres doués d'intelligence. La NASA avait débuté l'expérience avec les sondes Pioneer 10 et 11, parties respectivement en 1972 et 1973, qui emportaient une simple plaque gravée représentant un homme et une femme nus, le système solaire et la position de celui-ci.

Cinq ans plus tard, le concept — toujours très optimiste étant donné la faible probabilité que les sondes soient un jour interceptées par une autre civilisation — était nettement amélioré et le contenu du message plus ambitieux et riche. Chaque Voyager renferme un disque de cuivre plaqué or ainsi qu'une cellule et une aiguille pour le lire. Le mode d'emploi se trouve sur la jaquette en aluminium du disque.

Celui-ci contient une série de 116 images. La liste commence par un cercle, la position de notre étoile, la définition des chiffres et des unités employées en physique et quelques paramètres sur le système solaire. Reflet des ignorances de l'époque, Pluton y apparaît comme plus grosse que la Terre, alors que l'on sait désormais qu'elle est plus petite, et n'est plus considérée comme étant une planète, mais une planète-naine.

Suivent plusieurs planches anatomiques dont une tentative d'explication de la reproduction humaine, enfin plusieurs dizaines de photographies d'hommes, d'animaux, de végétaux, de paysages et de constructions humaines où se côtoient pêle-mêle une femme allaitant son enfant, des dauphins, une classe d'école, l'immeuble de l'Organisation des Nations unies à New York (de jour et de nuit...), un astronaute flottant dans l'espace ressemblant étrangement, avec son cordon ombilical, à la silhouette de fœtus figurant elle aussi sur la liste. Le tout s'achève par la photographie d'un violon surmontant la partition d'un quatuor à cordes de Beethoven. Ce même quatuor conclut la liste des vingt-sept morceaux musicaux enregistrés sur le disque. Trois extraits de Bach et un de Mozart, un chant initiatique pour les jeunes filles pygmées, des chœurs géorgiens, et « Johnny B. Goode » de Chuck Berry.

Même si la lecture de ce catalogue peut parfois prêter à sourire, on imagine que le comité de sélection, présidé par l'astrophysicien Carl Sagan, a eu bien du mal à faire son choix. Le disque comporte aussi les salutations des Terriens en cinquante-cinq langues, un message du président américain Jimmy Carter, un autre du secrétaire général des Nations unies, Kurt Waldheim, ainsi que les murmures et grondements de notre planète : pluie, vent, tonnerre, feu, grenouilles, oiseaux, tracteur, décollage d'une fusée, bruits de pas, battements de cœur, rires, vagissements de bébé, etc.

« Nous avons enregistré des sons qu'on aurait pu entendre aux premiers âges de notre planète, avant l'apparition de la vie, puis des sons évoquant l'évolution de l'espèce humaine jusqu'aux plus récents développements de notre technologie », expliquait Carl Sagan, mort en 1996. « C'est un message d'amour, poursuivait-il, que nous lançons dans la profonde immensité. Il restera sans doute en grande partie indéchiffré, mais nous le transmettons cependant, parce qu'il est important d'essayer ». Dans 40 000 ans, l'une des minuscules bouteilles à la mer cosmique que sont les deux Voyager s'approchera de sa première étoile.