La sonde Parker de la NASA observe la fournaise solaire à une distance jamais approchée

Parker Solar Probe by NASA (CC BY-NC-ND 2.0) — NASA, CC-BY

Lancé le 12 août 2018, la sonde Parker (« Parker Solar Probe », « PSP ») approchera du Soleil Le 1er septembre, à une distance jamais atteinte.

Par Pierre Brisson.

Le 1er septembre, la sonde Parker (« Parker Solar Probe », « PSP ») approchera du Soleil à une distance jamais atteinte par aucun instrument actif d’observation construit par l’homme. Ce n’est pas seulement un exploit technique, c’est aussi la promesse d’une avancée capitale de nos connaissances dans un domaine scientifique essentiel à notre survie et à notre action dans l’univers.

La NASA a lancé la sonde le 12 août 2018, en présence de l’homme dont elle porte le nom, Eugene Parker, astrophysicien, spécialiste du Soleil. C’est la première fois qu’elle donne à une de ses sondes ou satellites le nom d’une personne encore vivante (Eugene Parker est né en 1927).

C’est un magnifique hommage à une personne exceptionnelle car Eugene Parker a été un pionnier et, comme souvent, assez mal reçu par ses pairs (il n’a été publié que grâce à l’intervention de Subrahmanyan Chandrasekhar !). La raison de cet hommage est que c’est au milieu des années 1950 qu’Eugene Parker a en effet déduit de ses recherches théoriques, dénigrées à l’époque, l’existence d’un « vent solaire », d’une magnétosphère propre à l’astre et de sa forme (devenue « spirale de Parker »). Plus tard, en 1987, il a proposé une explication, acceptée largement aujourd’hui, de l’origine de la couronne solaire, les nano-éruptions (« nanoflares »).

Les objectifs scientifiques de la mission actuelle sont donc, naturellement, de vérifier la théorie et d’aller plus loin. Il s’agit plus précisément de :

  • déterminer la structure et l’évolution des champs magnétiques à l’origine de la projection des particules du vent solaire (un plasma constitué de protons c’est-à-dire de noyaux d’hydrogène ionisés, et d’électrons) ;
  • tracer les flux d’énergies provenant de la chromosphère pour comprendre le réchauffement de la couronne jusqu’à plusieurs millions de degrés alors que la température de surface évolue entre 4000 et 6000°K ;
  • déterminer le processus à l’origine de l’accélération dans la couronne du transport des particules du vent solaire (NB : il passe dans l’environnement terrestre à une vitesse de 500 km/s) ;
  • d’étudier autant que possible une étoile assez banale, relativement peu massive et située au milieu de la séquence principale de Hertzsprung-Russell, le Soleil étant la seule que l’on puisse approcher d’aussi près.

Pour atteindre ces objectifs, la sonde Parker dont le coordinateur de réalisation, opérateur de mission et utilisateur principal des données est le John Hopkins University Applied Physics Laboratory (responsable scientifique Arik Posner), a embarqué quatre « suites » d’instruments nommées SWEAP, ISIS, WISPR, FIELDS. Voyons leurs fonctions.

SWEAP (Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation) aura pour but de compter les différents éléments du vent solaire et de mesurer leurs propriétés (vitesse, densité, température). L’instrument est en deux parties, complémentaires, la Solar Probe Cup, « SPC », un collecteur placé dans le cône tronqué derrière le bouclier thermique et le Solar Probe Analyser, « SPAN », placé dans la partie haute du cylindre de la sonde. Il a été développé par l’Université du Michigan avec le concours du Smithonian Astrophysical Observatory (Cambridge, Mass.) et de l’Université de Californie, Berkeley.

ISIS (Integrated Science Investigation of the Sun) observera les électrons, protons et ions lourds accélérés à des énergies élevées (10 KeV à 100 MeV) dans l’atmosphère coronale et les mettra en rapport avec le vent solaire et les structures coronales. L’instrument se trouve dans la partie haute du cylindre de la sonde, avant SWEAP-SPAN. Il a été développé principalement par l’Université Princeton.

WISPR (Wide Field Imagers for Solar Probe) est un groupe de télescopes qui prendront des photos de la couronne solaire et de la naissance de l’héliosphère pour capter tout événement, structure, dépôt, impact à l’approche et au passage de la sonde. L’instrument se trouve dans le bas du cylindre de la sonde, après SWEAP-SPC. Il a été développé par le Naval Research Laboratory.

FIELDS (Fields Experiment) effectuera des mesures directes des champs et ondes électriques et magnétiques, des flux de Poynting (qui indiquent la direction de propagation des ondes électromagnétiques), de la densité du plasma et des fluctuations de densité. L’instrument qui comprend plusieurs types de magnétomètres, se trouve sur la perche dans la queue de la sonde. Il a été développé par l’Université de Berkeley.

Compte tenu de ce qu’elle doit approcher au plus près de la Couronne, la difficulté majeure de la mission est de protéger efficacement la sonde de la chaleur. La Couronne à une forme variable en fonction des changements largement imprévisibles dans la configuration des lignes de champ magnétique. Elle peut s’étendre au-delà d’une dizaine de rayons solaires (Mercure évolue à 88 rayons solaires en moyenne) et sa température peut monter jusqu’à plusieurs millions de degrés (mais attention, la densité du plasma au contact serait très faible et donc l’effet chaleur réduit). Or la sonde Parker prévoit plusieurs passages au périhélie à 9,86 rayons solaires seulement.

On a donc prévu une protection thermique extraordinaire, la « TPS » (Thermal Protection System). C’est un bouclier de 11,43 cm d’épaisseur et 2,3 mètres de diamètre (permettant d’éviter que les émissions solaires atteignent directement les instruments et les équipements embarqués, sauf lors des prises de données) constitué de mousse de carbone enveloppée dans un composite carbone-carbone et recouvert, côté Soleil, d’une couche d’alumine. La sonde est aussi équipée d’un liquide refroidissant (de l’eau sous pression !). Cela permet de maintenir les instruments et les équipements à l’intérieur de la sonde à une température maximum de seulement 29°C lorsque la face vers le Soleil est portée à 1400°K (1126°C). Ses concepteurs ont prévu que la sonde puisse résister à des températures de 1650°C.

Bien sûr il faut espérer éviter qu’elle se trouve prise dans les éjections d’une éruption solaire assez dense (une “CME” pour “Coronal Mass Ejection”) mais une partie de la solution est aussi la réduction du temps de passage dans l’enfer (la durée maximum de « séjour » à moins de 0,3 UA est de 110 heures). Par ailleurs l’architecture de vol est prévue pour que le bouclier fasse constamment face au disque solaire (les variations d’orientation doivent être inférieures à un degré) et en dessous de 0,1 UA (un tiers de la distance de Mercure au Soleil qui est à 88 rayons solaires du Soleil) les organes de prise de données sont exposés au minimum avec possibilité de les abriter à l’intérieur de la sonde lorsqu’ils ne sont pas utilisés. Les deux panneaux solaires, d’une surface totale de 1,55 m2 (la lumière est la source d’énergie de la sonde), sont rétractables et placés dans l’ombre du bouclier à l’approche du Soleil.

La mission a été prévue en fonction de ces exigences d’approche autant que possible et de protection autant que nécessaire. La maturation a été longue comme la plupart des missions spatiales. Elle a été prise en considération dès 1958 par le National Research Council mais elle n’est devenue une priorité forte qu’en 2003, pour être logée dans le programme « Living with a Star » de la NASA (la star c’est évidemment notre Soleil !).

La première version en 2004 « Polar Solar Probe » prévoyait de descendre jusqu’à 4 rayons solaires ; elle fut abandonnée car estimée trop chère (devisée à 1,1 milliard de dollars, hors lancement). Outre son ambition concernant l’approche, l’intérêt était d’observer la région des pôles du Soleil, ce qui aurait donné un point de vue utile du champ magnétique. Le nouveau projet, l’actuelle mission PSP, a été étudié à partir de 2008. Cette fois-ci les chiffres ont été jugés plus acceptables et effectivement acceptés en 2014 : 750 millions plus 530 millions pour les études préliminaires, le lancement et la gestion opérationnelle. À noter, ce qui est rare, que la mission est quasi exclusivement américaine.

Le principe est de faire décrire à la sonde des orbites en ellipses dans le plan de l’écliptique, allant de l’orbite de Vénus à la face opposée du Soleil, en les resserrant progressivement en utilisant la planète Vénus pour la freiner (sept survols) et pour qu’elle puisse ainsi descendre plus profondément vers le Soleil. Au total, entre 2018 et 2025 la sonde doit décrire 24 ellipses tendant vers 88 jours chacune (seuls les dernières, plus courtes) et les 24 périhélies (passage au plus près du Soleil) doivent s’effectuer à moins de 0,17 UA (25 millions de km) de ce dernier dont 3 passages à 0,045 UA soit 9,68 rayons solaires ou 6,16 millions de km seulement. Il fera chaud !

Outre la chaleur, un second problème est la vitesse de la sonde qu’il faut combiner avec la force d’attraction solaire. La sonde est arrivée à grande vitesse dans l’environnement de Vénus (nécessaire pour rejoindre la planète). Le second étage du lanceur Delta IV Heavy utilisé à cet effet est particulièrement puissant puisqu’il a donné au vaisseau spatial de 685 kg une vitesse de 12,4 km/s en plus de la vitesse de libération de 11,2 km/s. Le passage au périhélie est moins rapide (195 km/s au lieu de 308 km/s) pour la sonde Parker que pour la PSP ce qui permet de collecter plus de données (celles-ci sont bien entendu stockées dans la région du périhélie et diffusées vers la Terre – « science data downlink periods » – dès que la sonde se trouve dans un environnement sûr en allant vers son aphélie).

Au cours du freinage la sonde devient plus sensible à l’attraction solaire (force de 274 m/s2 contre 9,8 m/s2 pour la Terre) et s’en approche. Le pilotage astronautique est très délicat ! Il s’agit de céder un peu de vitesse mais pas trop. Si l’on ralentissait trop à l’aphélie, la sonde serait capturée par le Soleil au périhélie et disparaîtrait corps et bien dans la fournaise.

Il y aura rapidement une suite ou si l’on préfère, un complément, aux observations de la sonde Parker puisque l’ESA doit lancer en 2020 la sonde Solar Orbiter. Celle-ci aura une orbite polaire mais s’approchera moins du Soleil, seulement à 55 rayons solaires. On déjeune avec le diable avec une très longue cuillère et on avance vers la table avec prudence ! Le passage au périhélie de la sonde Parker le 1er septembre sera le troisième, à 35 rayons solaires. Les 21 autres passages se feront de plus en plus près.

Illustration ci-dessous : les orbites de la sonde Parker. Vous remarquerez qu’elles se resserrent petit à petit, entre l’orbite de Vénus et le côté opposé du Soleil. Le troisième périhélie (1er septembre 2019) sera comme les deux premiers à 35 rayons solaires, les périhélies 4 et 5 seront à 27 Rs, les 6 et 7 à 20 Rs, les 8 et 9 à 15 Rs, les 10 à 16 à 11 ou 12 Rs, les 17 à 21 à 10 et les trois derniers, en-dessous de 10.

Illustration ci-dessous : orientation de la sonde et évolution du déploiement des panneaux solaires au cours de chaque orbite ; crédit NASA /JHUAPL. Vous remarquerez que le bouclier thermique est toujours orienté vers le Soleil :

 

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