Dans un peu plus d'un an, une nouvelle décennie commencera, et avec elle un tout nouveau flux d'idées pour les missions de la NASA s'ouvrira, certaines plus proches - comme Mars, d'autres plus loin. Certains très éloignés. Certaines personnes s'attendent à ce que l'ère du voyage robotique dans des mondes qui ne sont pas que des millions - des milliards de kilomètres de nous s'ouvrira pour nous. Ceux-ci incluent Uranus et Neptune (les planètes que nous avons visitées en 1986 et 1989, respectivement), ainsi que des centaines de glaces en dehors de la région connue sous le nom de ceinture de Kuiper.
La ceinture de Kuiper abrite Pluton et des milliers d'autres mondes de différentes tailles. La plupart des corps sont constitués des éléments constitutifs de notre système solaire, escortés il y a longtemps dans des régions glacées lointaines. Une visite à la ceinture de Kuiper peut nous fournir des indices sur des questions sur la façon dont notre planète et ses voisins se sont formés, pourquoi il y a tant d'eau et d'autres mystères.
Aux confins du système solaire
Uranus et Neptune détiennent également de nombreux mystères à eux seuls. Plus nous en apprenons sur les systèmes planétaires, plus nous constatons souvent que la plupart des mondes ne sont pas aussi grands que Jupiter et pas aussi petits que la Terre. Beaucoup d'entre eux ont tendance à être de taille similaire à Uranus et Neptune, «géants de la glace» qui sont nommés pour l'état exotique de la glace d'eau qui se trouve profondément sous les couches nuageuses. L'étude d'Uranus et de Neptune nous aidera non seulement à comprendre les planètes de notre système solaire - cela nous aidera à comprendre les planètes qui tournent autour d'autres étoiles.
Beaucoup de ces missions dépendent du temps. La prochaine enquête décennale - «l'enquête décennale» de la NASA sur le moment où l'agence envoie des engins spatiaux dans les années 2020 et 2030 - pourrait créer ou détruire ces plans de grande envergure pour explorer le système solaire externe.
Enquête décennale: comment progressera l'enquête décennale
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À partir de 2020, un groupe de la National Academy of Sciences (avec la participation de plusieurs acteurs de la communauté spatiale) se réunira et dressera une liste d'objectifs de recherche prioritaires. Les scientifiques proposeront leurs options sous la forme de recommandations écrites appelées «livres blancs» (lire: livre blanc).
De ces recommandations, un consensus général se dégagera sur ce que devraient être les priorités. Ces objectifs servent de référence pour les offres de missions de milieu de gamme dans la catégorie New Frontiers (New Horizons et Juno étaient dans cette catégorie). La NASA compile d'abord une liste de missions proposées, puis les réduit progressivement à un ou deux finalistes. Une fois qu'un finaliste obtient le feu vert, l'équipe derrière lui peut commencer à planifier et à concevoir - et cela prend des années.
Tout cela peut rendre difficile l'accès à une fenêtre spécifique à travers laquelle il sera possible d'explorer Uranus ou Neptune, ainsi que de regarder un objet de la ceinture de Kuiper. C'est pourquoi des graphiques précis sont risqués.
Visiter le géant de glace
L'un des groupes, en particulier, a envisagé l'option d'une mission pour visiter Uranus et Neptune en même temps. La dernière itération comprend un survol d'Uranus et une orbitale de Neptune. Dirigés par Mark Hofstadter et Amy Simon, les scientifiques prévoient de voir une autre facette d'Uranus que Voyager 2 observée en 1986 et d'étudier Neptune et sa plus grande lune, Triton. Triton tourne vers l'arrière, ce qui peut être dû au fait qu'il était autrefois le plus gros objet de la ceinture de Kuiper - avant que Neptune ne tire Triton vers lui-même, éjectant plusieurs de ses satellites d'origine.
Simon dit que ces missions devraient être déployées sur 15 ans, temps de déplacement et de recherche compris. Cela est dû à la durée pendant laquelle les pièces individuelles du véhicule peuvent survivre dans l'espace avec une relative certitude. Si un vaisseau spatial peut vivre plus longtemps, 15 ans est le minimum, pendant lesquels on peut être sûr que la mission remplira pleinement ses tâches scientifiques. Mais comment faire en sorte que le voyage ne gaspille pas trop de ressources dans la phase actuelle de recherche? Une façon d'accélérer un vaisseau spatial est d'utiliser la force gravitationnelle de la planète pour accélérer.
«En règle générale, pour y arriver en moins de 12 ans, ils volent autour de planètes, y compris généralement la Terre et Vénus», explique Simon. Dans de tels scénarios, vous plongez dans le puits de gravité de la planète, dans l'espoir d'un effet de fronde qui accélérera votre engin et économisera autant de carburant que possible. Jupiter est également utilisé par la meilleure des options, car elle est la plus massive et peut considérablement accélérer le vaisseau spatial.
New Horizons, par exemple, a utilisé l'aide de Jupiter pour atteindre Pluton. Cassini a utilisé quatre survols séparés pour accélérer avec Saturne après le lancement de la Terre, recevoir une accélération de Vénus deux fois, revenir sur Terre et, enfin, le saut final de Jupiter.
Simon dit que pour arriver à Uranus dans un calendrier serré, on pourrait utiliser un survol de Saturne - par exemple, dans une fenêtre entre 2024 et 2028, pour attraper la géante gazeuse au bon endroit sur son orbite de 29 ans. Une telle mission nécessitera une prise en compte rapide des normes de la NASA - généralement les missions sont planifiées dix ans avant le lancement, puis planifiées, conçues et lancées dans les cinq ans - vous devrez donc vous fier à la fenêtre suivante, un survol de Jupiter entre 2029 et 2032, suivi d'une sortie. à Neptune. La prochaine chance apparaîtra au plus tôt dans dix ans.
Une mission sur Uranus peut utiliser des propulseurs et des moteurs traditionnels pour atteindre les points d'accélération plus rapidement - que ce soit une fusée Atlas V ou une fusée Delta IV Heavy. Mais comme Neptune est si loin et que la trajectoire exacte ne s'aligne pas aussi parfaitement que nous le souhaiterions, la mission sur cette planète reposera sur le Space Launch System, les fusées de nouvelle génération de la NASA avec une charge utile accrue (et elle n'a même pas encore volé). Si ce n'est pas prêt à temps, nous devrons nous fier à une autre technologie de nouvelle génération: la propulsion électrique solaire, qui utilise l'énergie solaire pour allumer du gaz ionisé afin d'accélérer le véhicule. Jusqu'à présent, il n'a été utilisé que sur le vaisseau spatial Dawn lors de missions à l'Ouest et à Cérès et lors de deux missions sur de petits astéroïdes.
«Même dans le cas de l'électricité solaire, des moteurs chimiques sont encore nécessaires au cas où l'énergie solaire deviendrait inefficace et pour freiner en orbite», explique Simon.
Ainsi, le calendrier est assez serré. Mais si nous nous déplaçons plus activement, ces deux missions peuvent servir un objectif différent: atteindre les mondes inexplorés de la ceinture de Kuiper.
Grand inconnu
Un autre article, rédigé par trois membres de l'équipe New Horizons, examine la possibilité de revenir dans la ceinture de Kuiper après une marche réussie vers Pluton. «Nous avons vu à quel point c'était intéressant et nous voulions savoir ce qu'il y avait d'autre là-bas», déclare Tiffany Finley, ingénieur en chef au Southwest Research Institute (SWRI) et co-auteur d'un article publié dans le Journal of Spacecraft and Rockets.
La ceinture de Kuiper contient des restes de glace provenant de la formation du système solaire, et les objets qu'elle contient comprennent une grande variété de matériaux différents. Pluton, par exemple, est légèrement plus grande qu'Eris. Mais Pluton est fait de glace, donc il a moins de masse. Eris est constitué de roches pour la plupart, donc il est plus dense. Certains mondes semblent être composés de méthane, tandis que d'autres contiennent beaucoup d'ammoniac. Quelque part dans l'arrière-cour de notre système solaire, il y a de nombreuses planètes naines et petits mondes qui détiennent des points clés pour notre compréhension de la façon dont les planètes se produisent - et si d'autres systèmes planétaires pourraient être comme les nôtres.
Les scientifiques ont utilisé des contraintes étroites: ils ont limité la mission à 25 ans et ont examiné 45 des objets les plus brillants de la ceinture de Kuiper, en les comparant par rapport à différents scénarios de survol planétaire. Jupiter, étonnamment, a découvert la plupart des cibles de la liste. Mais la fenêtre de Jupiter s'ouvre une fois tous les 12 ans, ce qui rend les missions de Jupiter dépendantes du temps. Un simple survol de Saturne fournit une assez bonne liste de cibles de la ceinture de Kuiper.
Mais lorsque vous associez ces mondes à Uranus ou Neptune, vous avez la chance de découvrir de nouveaux faits sur nos planètes mystérieuses et les plus éloignées et même certaines planètes naines d'un seul coup.
L'effet de fronde aidera à atteindre ces mondes, d'abord depuis Jupiter, puis depuis une autre planète. Chacune de ces planètes s'aligne avec Jupiter dans une fenêtre étroite dans les années 2030 et s'intègre parfaitement dans différentes parties de cette décennie. Par exemple, pour accéder à la liste des mondes sur le chemin avec Neptune, vous devez atteindre Jupiter au début des années 2030, et se rendre dans la ceinture de Kuiper via Uranus nécessiterait un lancement au milieu des années 2030. Jupiter et Saturne s'alignent à temps pour une fronde dans la ceinture de Kuiper à la fin des années 2030.
La liste des objectifs offre de nombreuses possibilités intéressantes. Varuna, un monde allongé qui a acquis cette forme en raison de sa vitesse de rotation rapide, est parfait pour voler autour de Jupiter-Uranus. Neptune, comme déjà mentionné, donne un aperçu d'Eris. La mission à travers Jupiter-Saturne permettra d'observer Sedna, une grande planète naine avec une orbite qui pourrait indiquer la voie vers une planète dix encore inconnue. Jupiter-Saturne vous permettra de vous arrêter sur l'une des planètes naines les plus intéressantes: Haumea.
Comme Varuna, Haumea a la forme d'un œuf, tandis que la plupart des grandes planètes naines de la ceinture de Kuiper sont généralement rondes. Mais Haumea a obtenu cette forme d'une ancienne collision qui lui a donné deux lunes, un système d'anneaux et une queue faite de débris. Lorsque les astéroïdes ont une composition similaire, ils sont appelés «famille de collision». Haumea a produit la seule famille connue de collisions dans la ceinture de Kuiper.
Quoi que nous choisissions, nous n'aurons pas beaucoup de temps. Par conséquent, si nous voulons voir les anneaux de Haumea ou même la lumière rouge et extraterrestre de Sedna, le travail doit commencer le plus tôt possible. Ces mondes sont si petits qu'il n'y a qu'une seule façon de découvrir leurs secrets: les atteindre.
Ilya Khel