MSM - Article de Roland Keller

Pour mieux connaître les dangers des vents solaires sur notre environnement, les quatre sondes spatiales Cluster pourront enfin examiner ces phénomènes houleux avec un luxe de détails sans précédent. Une nécessité scientifique, mais également un challenge pour notre pays. L’institut des sciences spatiales internationales à Berne (International Space Science Institute - ISSI) est chargé de l’interprétation des résultats issus des observations des Cluster et la firme zurichoise Contraves Space a conçu le châssis des quatre satellites.

Sans nous soucier de rien, le Soleil nous bombarde de particules et courants de millions d'ampères. Mais la magnétosphère qui nous protège présente des déchirures par lesquelles ces bouffées électriques passent. Ces dernières peuvent engendrer un danger pour les transmissions, les satellites et la vie des astronautes.

Et c’est du sérieux ! Ces particules provoquent, certes, de somptueuses aurores boréales, mais également des orages magnétiques à l'origine d'interruptions des communications hertziennes ainsi que des surtensions dans les réseaux de distribution d'énergie. Cela va même jusqu'à aggraver la corrosion des oléoducs. C'est ainsi, par exemple, que six millions de Canadiens furent privés d'électricité, durant plusieurs jours, l'hiver 1989.

En outre, préjudiciables aux équipements électriques et électroniques, les effets thermiques et dynamiques de ces courants peuvent aussi influencer à long terme l'atmosphère terrestre et les climats.

Il n’en fallait donc guère plus aux scientifiques pour convaincre l’Agence spatiale européenne (ESA) de mettre sur pied un programme d’observation de ces phénomènes avec davantage d’engagement. Davantage, car depuis de nombreuses années une armada de satellites (ISO, SOHO, Hipparcos, Giotto, Ulysses, et autres) se sont positionnés dans divers endroits dans l’espace pour observer notre astre du jour sous toutes ses coutures. Par exemple, SOHO (Solar Heliospheric Observatory), s’est contenté de fixer le soleil pour mieux comprendre ses protubérances. Les savants avaient donc besoin de placer sur orbite terrestre d’autres satellites plus performants, capables de piéger les particules du vent solaire et de les analyser avec un luxe de détails sans précédent.

Orbite polaire très elliptique

Les 16 juillet et 9 août dernier, la jeune société européenne Starsem, qui commercialise désormais les Soyouz sur le marché mondial, lançait les deux paires de Cluster (Rumba, Salsa, Samba et Tango), qui furent placés sur une orbite polaire très elliptique de 140’000 km d'apogée et 25’000 km de périgée, grâce au lanceur russe Soyouz-Fregat.

En tournant sur eux-mêmes, à raison de quinze tours par minute, les satellites groupés en formation tétraédrique (constituant une pyramide à base triangulaire) à des distances entre eux allant de 200 à 20’000 km, décrivent désormais leur orbite en 66 heures.

Cette formation d’engins dans l’espace est unique en son genre. Elle permet ainsi d’effectuer les mêmes mesures et procureront ainsi, pour la première fois, une vue en trois dimensions du vent solaire, du plasma magnéto-sphérique et, en particulier, des régions - dites "cuspidées" - quasiment inconnues, au-dessus des pôles notamment, par lesquelles des particules du vent solaire arrivent à pénétrer au cœur de la magnétosphère.

Onze instruments par satellite

Fabriqués par une soixantaine d'instituts et industriels européens, sous la maîtrise d’œuvre de Dornier (DASA/DeutscheChrysler Aerospace), devenu en 1999 Astrium, suite à sa fusion avec Matra Marconi Space (MMS), ces satellites comprennent chacun onze instruments. Dont, notamment :

· STAFF (Spatio-Temporal Analysis of Field Fluctuations), un appareil qui analyse la façon dont les champs magnétiques évoluent en fonction du temps et de l'espace

· FGM (Fluxgate Magnetometer), qui mesure des champs magnétiques le long de l'orbite du satellite.

· EFW (Electric Fiels and Waves), une antenne qui étudie les champs et ondes magnétiques environnant le satellite.

· WHISPER (Waves of High Frequency and Sounder for Probing of Density by Relaxation) qui mesure des ondes à haute fréquence.

· WBD (Wide Band Data), un appareil américain, qui mesure le champ électrique à des très hautes fréquences, WBD. Les ondes de la magnétosphère qu’il peut détecter varient entre 10 et 400 kHz, les électrons jusqu'aux énergies de 400 électronvolts et les ions jusqu'à 1’500 kilo-électronvolts par nucléon. Les champs électriques, eux, peuvent être mesurés avec une précision de quelques microvolts par mètre.

L’ISSI : contribution suisse à un instrument de mesure

Côtés suisse, l’Institut des sciences spatiales internationales à Berne (International Space Science Institute - ISSI), contribue à la réalisation d’un instrument de mesure et aux résultats des Cluster.

Le Dr Goetz Paschmann, par ailleurs directeur à temps partiel de l’ISSI, dirige également un groupe de chercheurs au Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE) à Garching (D), lesquels ont mis au point un appareil de mesure de dérive des électrons EDI (Electron Drift Instrument), embarqué sur chaque sonde.

L’EDI est un dispositif sophistiqué qui «utilise les faisceaux faibles des électrons pour mesurer les champs électriques des plasmas (gaz ionisés entourant la Terre), ce qui rend cet instrument essentiel pour l'étude de la magnétosphère terrestre», explique le Dr Paschmann. Le succès de la mise sur orbite des quatre satellites Cluster contribuera favorablement à l ’évaluation des données et l’interprétation des résultats que l’ISSI gère, entre autres, grâce aux travaux du Dr Stein Håland.

Fondé par l’Agence spatiale européenne et le gouvernement suisse, l’ISSI vise à favoriser la réflexion scientifique internationale en matière de science spatiale. Sa tâche principale est de contribuer à l'accomplissement d'une compréhension plus profonde des résultats des missions spatiales par la recherche multidisciplinaire dans un esprit de coopération internationale.

Mieux que les Américains

Malgré qu’il soit isolé, notre pays a sa place dans le paysage spatial européen. Pour nos voisins français, la Suisse y fait bonne figure. En tous, cas c’est l’avis de Gérard Belmont, chercheur au CETP, Centre d'étude des Environnements Terrestres et Planétaires à Paris:

« les projets expérimentaux comme Cluster fédèrent efficacement une communauté scientifique internationale assez unie et vivante. Des institutions comme l'ISSI à Berne ont également un rôle utile dans ce sens. La science européenne fait plutôt bonne figure dans ce domaine face aux autres continents.

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L'Europe se défend plus que bien par rapport aux Etats-Unis. Même au niveau organisationnel, l'ESA a plusieurs fois réussi à mener à bien quelques programmes excellents que les Américains n'ont pas sut faire. Par exemple, la visite de la comète de Halley en 1986 par la sonde européenne Giotto, car les savants en ont appris plus sur les comètes pendant ces quelques heures de survol que pendant tout le siècle d'observations terrestres. Cluster fait également partie de cette catégorie de projets que les scientifiques américains auraient bien aimé réaliser chez eux mais qui ont été finalement dévolus en Europe. Sans oublier les autres pays tels la Russie (opérationnels pour des réalisations expérimentales et grâce à des théoriciens géniaux qui nous étonnent tous) ainsi que le Japon. Ceux-ci commencent sérieusement a se faire une place eux aussi dans ce pôle scientifique.»

Châssis Contraves sur Cluster

Le châssis de chacun des quatre satellites Cluster a été conçu, fabriqué et testé par la firme zurichoise Contraves (unité du groupe Unaxis, ex-Oerlikon-Bührle).

Ossature de l'engin, ce socle constitue une pièce maîtresse structurée pour supporter les éléments du satellite. A savoir, outre les onze instruments scientifiques décrits ci-dessus, six réservoirs de combustible liquide destinés aux manœuvres orbitales, ainsi que les éléments de servitude du satellite lui-même: sources d'énergie (batterie, panneaux solaires), antennes, télémesure, télécommande, unités "pyro", etc.
Deux lots de quatre châssis commandés par l'ESA à Contraves ont été montés dans les ateliers de Dornier à Friedrichshafen (D), le maître d’œuvre des satellites.
Chaque châssis ressemble à une grosse bobine de câble électrique vide (voir photo). Il s'agit d'un assemblage de deux épaisses rondelles en alu de 2,9 mètres de diamètre, avec un cylindre en fibre de carbone renforcé de plastique (carbon-fibre reinforced plastic-CFRP).
Le tube principal en nid d'abeilles ajoute de la résistance à la structure du socle. La firme suisse a été soumise à de sévères exigences de fabrication, notamment dans l'emboîtement des deux bagues dans le cylindre central pour obtenir un parallélisme impeccable, explique Helga Schib de Contraves.
"Ce montage garantit un bon rapport rigidité/poids dans différentes conditions, notamment, le décollage et le transfert des satellites sur orbite, lorsque les réservoirs se vident", poursuit Helga Schib. Chaque châssis ne devait pas excéder les 140 kg terrestre, soit 11 % de cette masse dans le vide spatial.
De plus, le cylindre central devait permettre de poser deux Cluster les uns sur les autres, sans qu'ils se maillent. D'autre part, la fixation et l'alignement des panneaux solaires (de 224 W) sur le châssis devait garantir une protection optimale des instruments embarqués.

Les Cluster se baladent dans la zones des aurores boréales

Gérard Belmont, chercheur au Centre d'étude des environnements terrestres et planétaires (CETP) à Paris, nous donne en exclusivité pour MSM, quelques explications scientifiques sur les interactions Soleil-Terre, en fonction du schéma ci-dessus, réalisé par Patrick Robert. Il s’agit d’une image dessinée a partir d'un modèle moyen (modèle de Tsyganenko), basé sur des quantités de mesures satellites accumulées depuis trente ans. Ce modèle, unique en son genre, permet de présenter la magnétosphère dans diverses situations, en fonction de la saison, de l'activité solaire, etc.:

« Les lignes indiquent la direction du champ magnétique : elles représentent des "rails" qui guident les particules. La couleur indique l'intensité du champ: là ou le champ est très faible (couleur bleue), les particules sont moins bien guidées.

On voit bien, au niveau de la surface terrestre, la particularité des régions aurorales : c'est là que convergent presque toutes les lignes de champ provenant de la "queue" de la magnétosphère (au moins celles qui sont "fermées", c'est-à-dire celles qui traversent le plan équatorial et qui vont d'un hémisphère a l'autre). Cluster se balade en partie dans la queue, là où se déclenchent les phénomènes a l'origine des aurores.

On voit aussi que la magnétosphère a une frontière externe très nette, la magnétopause. C'est l'un des objectifs majeurs de Cluster que d'étudier cette frontière: sa plus ou moins grande "perméabilité" aux particules du vent solaire détermine en grande partie le couplage entre ce qui nous arrive du soleil et notre environnement plus proche. En amont de cette frontière magnétique, il y a une onde de choc, que Cluster étudiera aussi. Ce choc est du au fait que la Terre, avec sa magnétosphère, constitue un obstacle dans l'écoulement du vent solaire et que cet écoulement est "supersonique".

La physique impliquée dans ce genre de recherches est la "physique des plasmas", parfois réduite a sa forme la plus rudimentaire, la MHD (la MagnetoHydroDynamique ressemble beaucoup a la dynamique des fluides ordinaire, mais avec les forces magnétiques en plus). Cette physique est en partie commune avec celle que manipulent les chercheurs qui tentent de parvenir a réaliser la "fusion nucléaire contrôlée" par confinement magnétique.»

Un peu d’astrophysique

Quelques termes du "jargon" de la physique des plasmas de l'espace :

Effet Doppler: Changement de fréquence d'une onde lorsque la source ou le récepteur sont en mouvement. Dans un radar, on utilise classiquement l'effet Doppler pour mesurer la vitesse d'une cible.

Ionosphère: Partie de l'atmosphère où les molécules sont ionisées par le rayonnement solaire ultra-violet. L'ionosphère terrestre est comprise entre 100 et 500 km d'altitude, et la concentration électronique maximale de 106 électrons/cm3 se situe vers 300 km d'altitude.

Magnétosphère: Région de l'espace où le champ magnétique terrestre est confiné par le vent solaire. La magnétosphère de la Terre s'étend jusqu'à 10 rayons terrestres dans la direction du soleil et s'étire en une queue magnétique de plusieurs centaines de rayons terrestres dans la direction anti-solaire.

Plasma:

Etat d'un gaz, généralement à haute température, dans lequel les atomes sont à l'état ionisé, c'est à dire qu'ils ont perdu un ou plusieurs électrons. Un plasma est donc formé d'un mélange d'électrons libres et d'ions positifs.

Vent solaire:

Flux de plasma (protons et électrons) émis par le soleil et se propageant radialement dans le milieu interplanétaire. Au niveau de la Terre, la vitesse du vent solaire est d'environ 400 km/s, sa densité est de 5 électrons-protons/cm3.

Zone aurorale:

Régions où l'on observe communément des aurores. Les aurores résultent de la luminescence de la haute atmosphère due à la désexcitation des molécules de l'atmosphère. Les molécules sont préalablement excitées par des électrons énergiques provenant de la magnétosphère et "précipités" vers l'atmosphère. Les zones aurorales constituent deux régions circulaires autour de pôles Nord et Sud.