Les scientifiques prévoient une nouvelle mission d'orbiteur à Pluton.

Les chercheurs planifient déjà un vaisseau spatial ambitieux qui gravitera autour du monde mystérieux.

Par S. Alan Stern  | Publication: mercredi 30 octobre 2019

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Un orbiteur de Pluton proposé, vu ici volant au-dessus du système de canyon qui domine la grande lune de la planète, Charon, pourrait explorer le système de Pluton pendant au moins deux ans.

Ron Miller pour l' astronomie

L'exploration de Pluton n'a pas été facile, mais cela en valait la peine. Comme David Grinspoon et moi le racontons dans notre livre, Chasing New Horizons, il a fallu 14 ans (1989 à 2003), environ une douzaine de propositions de concept de mission différentes, et le poids de la première enquête décennale de la National Academy Planetary Science Decenal juste pour libérer le financement. Après une compétition féroce entre des équipes rivales, la NASA a finalement choisi New Horizons comme mission de survol de Pluton.

Cela a été suivi par un calendrier de quatre ans pour concevoir, construire et tester le vaisseau spatial afin de répondre à la fenêtre de lancement critique de 2006 nécessaire pour utiliser Jupiter pour une assistance gravitationnelle. Une fois cela réalisé, New Horizons a dû entreprendre le voyage de 9,5 ans à travers notre système solaire pour atteindre Pluton et son système de cinq lunes. L'effort entier a pris 26 ans et le dévouement de littéralement des milliers de personnes, et a été fait entièrement sans sauvegarde, sans plan B, sans Voyager 2 au cas où Voyager 1 échouerait.

À peine 15 minutes après son approche la plus proche de Pluton, le vaisseau spatial New Horizons de la NASA a regardé vers la planète et a capturé cette vue proche du coucher du soleil de ses montagnes escarpées et glacées et de ses plaines de glace plates. L'étendue lisse de Spoutnik Planitia (à droite) est flanquée à l'ouest (à gauche) de montagnes escarpées atteignant 11 000 pieds (3 500 m) de haut.

Toutes les images par NASA / JHUAPL / SwRI sauf indication contraire

Des résultats spectaculaires

Dans un vrai sens, je pense que le système solaire a gardé le meilleur pour la fin. L'attente en valait la peine, cependant: lorsque les données de New Horizons sont arrivées sur Terre, elles ont révélé de vastes glaciers d'azote, des montagnes de méthane et de glace d'eau, une atmosphère complexe et une gamme d'âges du terrain qui prouvent que la planète est intensément active plus de 4 milliards d'années après sa formation. Mais il y avait plus - y compris des preuves de composés organiques, de liquides à la surface de Pluton dans son passé, de volcans de glace qui ont éclaté à la surface de la planète et d'un océan d'eau liquide à l'intérieur de Pluton.

Les lunes de Pluton n'ont pas déçu non plus. New Horizons a trouvé de nouvelles preuves qu'ils se sont formés ensemble après un impact géant ancien entre Pluton et une autre planète naine. La plus grande lune de Pluton, Charon, a également révélé une surface étonnamment réfléchissante et des calottes polaires sombres jamais vues apparemment en méthane qui s'étaient échappées de l'atmosphère de Pluton.

Ce ne sont là que quelques-unes des découvertes que New Horizons a faites. Et je peux vous dire que maintenant quatre ans après ce survol, l'équipe scientifique de New Horizons et de nombreux autres membres de la communauté des sciences planétaires ont conclu qu'une nouvelle mission pour explorer Pluton plus en profondeur est nécessaire pour résoudre ces énigmes.

Lorsque New Horizons était à 18000 km de Pluton, il a pris cette image grand angle qui montre les couches de brume profonde de l'atmosphère de la planète. Les parties gauche et supérieure du disque sont sombres car Pluton projette son ombre sur son atmosphère. Le rétroéclairage met en évidence plus d'une douzaine de couches de brume. Les stries horizontales dans le ciel au-delà de Pluton sont des étoiles, étalées par le mouvement de la caméra pendant qu'elle suivait Pluton.

Cela est nécessaire en partie parce qu'une grande partie de Pluton et de ses lunes n'a pas pu être cartographiée avec suffisamment de détails avec un seul survol rapide. Il est également nécessaire car la surface et l'atmosphère de Pluton évoluent avec le temps et demandent à un orbiteur d'observer ces processus. Mais la raison principale d'une nouvelle mission est que bon nombre des mystères découverts par New Horizons exigent que de nouveaux types d'instruments soient apportés - des instruments que New Horizons ne portait pas.

Le financement de cette mission d’orbiteur dépend presque entièrement des résultats de la prochaine étude décennale planétaire, dont le comité commencera ses travaux l’année prochaine. Les résultats de l'enquête apparaîtront en 2022.

Plus de buts pour un retour à Pluton

Pourquoi voulons-nous y retourner? Il y a plusieurs raisons. Premièrement, limité par la nature de son survol rapide, New Horizons ne pouvait cartographier que 40% de la géologie et de la composition de la surface de Pluton à une bonne résolution. Il en va de même pour Charon. Et nous avons appris encore moins sur les quatre petites lunes de Pluton parce que l'engin ne volait à proximité d'aucune d'entre elles.

Deuxièmement, nous avons appris que Pluton est un monde dynamique, avec un glacier d'azote en ébullition, des avalanches et une atmosphère complexe et variable dans le temps. Mais la reconnaissance en survol de Pluton par New Horizons a eu lieu en une période d'environ 24 heures, le 14 juillet 2015. Cela nous a donné un premier aperçu merveilleux, mais aucune chance de voir les changements quotidiens, saisonniers et géologiques qu'un orbiteur peut sonde mais pas un survol.

Troisièmement, nous avons appris que de nouveaux types d'instruments seront nécessaires pour répondre aux nombreuses questions soulevées par les ensembles de données New Horizons. Revenir avec un orbiteur nous permettra d'utiliser des instruments pour scruter les glaciers de Pluton avec un radar afin de déterminer leur profondeur. Le vaisseau spatial transportera également un spectromètre de masse pour échantillonner l'atmosphère de Pluton, inventorier tous les composés qui s'y trouvent et déterminer la nature des brouillards de Pluton.

Et il y a tellement plus. Ce n'est qu'en suivant par radio un véhicule, orbite après orbite, que nous pouvons sonder l'intérieur de Pluton pour déterminer si l'océan soupçonné est vraiment là. Et nous devons envoyer un mappeur thermique pour déterminer comment les vastes glaciers de Pluton sont alimentés et si ses anciens volcans de glace sont toujours actifs. Sans piloter un magnétomètre, nous ne saurons jamais si le noyau de la planète est vivant et en rotation ou solide mort et gelé. Enfin, nous voulons envoyer des lidars et d'autres instruments actifs qui peuvent faire des cartes même dans l'obscurité des ombres polaires. L'objectif est d'inspecter les côtés nocturnes de Pluton et de ses lunes pour détecter les changements lorsque les températures chutent lorsque le soleil se couche.

Nous avons donc besoin d'un orbiteur pour terminer le travail que New Horizons a si bien commencé. Cet orbiteur devrait être conçu pour fonctionner pendant des années, et non des jours, renvoyant des données semaine après semaine alors qu'il inspecte de près toutes les lunes de Pluton et regarde la surface et l'atmosphère de la planète évoluer.

Cette vue en couleur améliorée montre la partie sud-est des grandes plaines de glace de Pluton. En bas à droite, la plaine borde les hauts plateaux sombres et appelés Krun Macula. (Krun est le seigneur des enfers dans la religion mandéenne, et une macula est une caractéristique sombre sur une surface planétaire.) Les chercheurs pensent que la couleur rouge foncé provient des tholins, des molécules complexes trouvées à travers Pluton.

Concevoir la mission

Avec tout cela à l'esprit, j'ai dirigé un projet de recherche interne de la mi-2017 à la mi-2019 au Southwest Research Institute (SwRI) pour étudier comment mettre en œuvre un orbiteur Pluton. L'équipe d'étude comprenait mes collègues de SwRI Tiffany Finley, Mark Tapley, John Scherrer et Amanda Zangari (qui est maintenant au Lincoln Labs).

La conception de la mission que nous avons créée a placé un vaisseau spatial à l'échelle de New Horizons avec de nouveaux instruments en orbite de Pluton. Il nécessite l'un des nouveaux lanceurs massifs de classe V Saturne actuellement en développement, une assistance à la gravité Jupiter et un étage nucléaire électrique augmenté d'un étage de freinage à propulsion chimique pour atteindre l'orbite de Pluton.

Nous avons étudié quel type de charge utile devrait être transporté sur un tel orbiteur, quel type de tour orbital serait possible, quels devraient être les principaux attributs de l'engin spatial de l'orbiteur et comment obtenir un tel engin spatial de la Terre à Pluton. Cette étude a constitué la première, et actuellement la seule, enquête sur la façon de construire un orbiteur Pluton pour suivre les découvertes de Nouveaux Horizons.

L'une des principales percées a été une solution révolutionnaire aux exigences de propulsion pour faire le tour du système Pluton, ce qui a initialement ajouté une énorme quantité de masse au vaisseau spatial. Nous avons découvert que pratiquement tous les besoins de propulsion pour explorer de nombreux aspects de la planète et de ses satellites pourraient être éliminés en utilisant des survols ciblés de la lune Charon de la taille de Pluton au Texas pour des assistances gravimétriques répétées. Ceci est analogue à la façon dont l'orbiteur Cassini a fait le tour du système de Saturne en utilisant la grande lune Titan pour les aides à la gravité. Lorsque nous avons simulé l'idée, cela a fonctionné à merveille, éliminant la majeure partie du carburant qu'un orbiteur a besoin de transporter.

Cette mosaïque de couleurs améliorée combine certaines des vues les plus nettes de Pluton capturées par New Horizons. Ils font partie d'une séquence prise près de l'approche la plus proche et ont des résolutions d'environ 250 à 280 pieds (77 à 85 m) par pixel, qui révèlent des caractéristiques de surface plus petites qu'un demi pâté de maisons. Les scientifiques ont ensuite ajouté des données couleur de résolution inférieure. Les images forment une bande de 50 miles (80 km) de large, en direction du nord-ouest de Sputnik Planitia, à travers les montagnes d'Al-Idrisi, sur le rivage du "cœur" de Pluton, et juste dans ses plaines glacées.

La chronologie

La chronologie de la mission que nous avons créée est la suivante: lancement en décembre 2028, survol de Jupiter par gravité en octobre 2030, freinage sur l'orbite de Pluton à partir de 2046 et se terminant en 2059. Nous pourrions y arriver plus rapidement si des systèmes nucléaires de haute puissance étaient disponibles pour augmenter la poussée de freinage afin que l'orbiteur ait suffisamment de puissance pour ralentir à Pluton, mais une trajectoire plus lente est possible avec les systèmes actuels.

La caméra télescopique du vaisseau spatial New Horizons a pris cette image haute résolution d'un motif complexe de fosses. Les scientifiques pensent que ces indentations se forment par une combinaison de fracturation de la glace et d'évaporation. La rareté des cratères d'impact dans cette zone peut signifier que ces fosses se sont formées relativement récemment. En les étudiant, les chercheurs espèrent en savoir plus sur le flux de glace et l'échange d'azote et d'autres matières volatiles entre la surface et l'atmosphère.

La visite de deux ans du système Pluton qui en résulte commence par une assistance de gravité Charon et une manœuvre de freinage pour terminer l'injection de l'orbite Pluton. Ensuite, en utilisant des orbites qui ne durent généralement que quelques semaines, l'engin explorera chacune des petites lunes de Pluton une demi-douzaine de fois en survols rapprochés - et Charon lui-même avec plus de 30 survols rapprochés. Il effectuera également des survols polaires et équatoriaux de Pluton et plongera dans la haute atmosphère de Pluton pour échantillonner plusieurs fois. Et il survolera les pôles de Pluton à plusieurs reprises, ainsi que dans sa lointaine «queue magnétosphérique» pour des études spécialisées. La visite pourrait se poursuivre beaucoup plus longtemps, mais après deux ans, le vaisseau spatial aura atteint tous les objectifs scientifiques que nous lui avons fixés.

Le vaisseau spatial

La plupart des capacités nécessaires pour le vaisseau spatial orbiteur sont similaires à celles de New Horizons. Mais le système de vol qui en résulte, qui présente deux fois la masse de la charge utile de New Horizons, des systèmes d'engins spatiaux entièrement redondants et des systèmes de propulsion électrique et chimique, a une masse de 5 156 livres (2 339 kilogrammes). Voilà l'estimation actuelle. Cependant, le lanceur que nous avons choisi pourra soulever 30% de plus que celui dans l'espace, au cas où la charge utile changerait. Ce poids est près de cinq fois supérieur à New Horizons, mais c'est la nature d'une mission d'orbiteur car elle doit transporter tellement de carburant pour freiner sur l'orbite de Pluton.

Il existe trois différences principales entre l'orbiteur proposé et New Horizons. Le premier est le besoin de plus de carburant embarqué ou de roues de réaction d'engins spatiaux pour effectuer les milliers de manœuvres de pointage pendant la tournée de deux ans. La seconde est la nécessité d'un stockage de données embarqué plus important que les 16 gigaoctets que New Horizons transportait. Mais le plus grand changement est la nécessité d'un système de communication plus performant.

La zone polaire nord de Pluton montre une diversité de caractéristiques géologiques et de composition en couleurs améliorées. De longs canyons - le plus grand mesure environ 45 miles (75 km) de large - s'étendent verticalement à travers cette région. Les canyons subsidiaires à peu près parallèles à l'est et à l'ouest ont environ 10 km de large. Les parois dégradées de ces canyons semblent beaucoup plus anciennes que les systèmes de canyons plus clairement définis ailleurs sur Pluton, peut-être parce qu'ils sont faits de matériaux plus faibles.

Le système de communication conçu pour renvoyer toutes les données du survol unique effectué par New Horizons a pris 16 mois pour terminer son travail. C'est totalement intenable pour un orbiteur, qui doit envoyer ses données à la Terre tous les 15 à 30 jours pour être efficace. Cela nécessite à son tour une antenne parabolique beaucoup plus grande et un émetteur presque 10 fois plus puissant, ainsi qu'un logiciel plus intelligent pour éliminer le bruit de fond des images et des spectres. Heureusement, aucun de ces changements ne nécessite de nouvelles technologies, et la mission semble entièrement réalisable avec les systèmes de vol existants.
 

Aller large ou profond?

Avant l'exploration du système Pluton en 2015, la plupart des scientifiques planétaires pensaient que le suivi naturel de New Horizons serait la reconnaissance en vol d'autres planètes naines dans la ceinture de Kuiper. De cette façon, la diversité des planètes naines pourrait être explorée de la même manière que les missions Mariner, Pioneer et Voyager ont effectué la première reconnaissance de toutes les planètes terrestres et géantes il y a des décennies.

Il s'agit de la photo couleur à la résolution la plus élevée du croissant de Pluton en recul, prise lorsque New Horizons était à 120 000 miles (200 000 km) de la planète. L'image est dominée par des couches atmosphériques de brume bleue, que les scientifiques pensent être un smog photochimique. Il peut se former lorsque la lumière du soleil interagit avec le méthane et d'autres molécules, produisant un mélange d'hydrocarbures. Ceux-ci, à leur tour, s'accumulent en petites particules de brume d'une fraction de micromètre, qui diffusent préférentiellement la lumière bleue - le même processus qui peut faire apparaître la brume bleuâtre sur Terre.

Cependant, la complexité spectaculaire trouvée dans le système Pluton a créé des conflits dans la ceinture de Kuiper, la planète naine et les communautés d'origine planétaire. Beaucoup, y compris moi-même, ont fait valoir que nous devions plutôt retourner à Pluton pour l'étudier en profondeur via une mission d'orbiteur, plutôt que de reconnaître la diversité des planètes naines de la ceinture de Kuiper avec de nouvelles missions de survol pour plusieurs d'entre elles.

Mais, dans notre deuxième percée, l'étude sur l'orbiteur de Pluton que j'ai menée au SwRI a également montré qu'il était possible d'avoir les deux - c'est-à-dire de combiner les deux missions en une seule et de le faire à un coût abordable. Parce que cela rompt le bras de fer entre aller de l'avant dans l'étude d'autres planètes naines et approfondir les études de Pluton, nous avons baptisé le concept tout-en-un résultant de la mission d'exploration «Gold Standard» Pluto-Kuiper Belt.
 

L'étalon-or

La mission Gold Standard qui change la donne fonctionne comme ceci: d'abord, après une visite orbitale de Pluton, une dernière paire de survols assistés par gravité rapprochés de Charon libérera l'orbiteur du système Pluton pour explorer la ceinture de Kuiper sans aucune propulsion de l'orbiteur. Ensuite, en utilisant uniquement les capacités existantes du système de propulsion électrique de la mission NASA Dawn, l'engin effectuera une visite en survol d'une demi-douzaine de petits objets de la ceinture de Kuiper et de l'une des nombreuses planètes naines. En fait, dans certains scénarios, le système de propulsion Dawn peut même placer l'orbiteur Pluton autour d'une deuxième planète naine pour une autre mission orbitale.

Un pays des merveilles géologiques

La plaine de glace azotée Sputnik Planitia et le terrain environnant figurent sur cette carte géologique. Tout le terrain de cette carte a été imagé à une résolution d'environ 1 050 pieds (320 m) par pixel ou mieux. Le bleu et le vert qui remplissent le centre de la carte représentent différentes textures, du terrain cellulaire au centre et au nord aux plaines lisses et dénoyautées au sud. Les lignes noires représentent les creux qui sont les limites des régions cellulaires de la glace. Le violet représente les chaînes de montagnes qui bordent la frontière ouest de Spoutnik, et le rose représente les collines dispersées à sa limite orientale. Le cryovolcan possible Wright Mons apparaît en rouge dans le coin sud de la carte. Les hautes terres accidentées sont brun foncé le long du bord ouest et contiennent de nombreux grands cratères d'impact, cartographiés en jaune.

Ces percées écrasent le débat sur la question de savoir si la prochaine étape d'exploration après New Horizons devrait être de survoler d'autres objets de la ceinture de Kuiper et des planètes naines ou plutôt d'orbiter Pluton, car nous avons montré que ce débat était théorique - une seule mission peut faire les deux.

Une telle mission pourrait être lancée à la fin des années 2020 ou à la fin des années 2030. Cela aurait un impact profond sur un large éventail d'études en sciences planétaires, y compris la formation des planètes et des planétésimales, les mondes océaniques, les atmosphères exotiques, le fonctionnement des planètes naines et potentiellement même l'astrobiologie. Cette proposition crée une mini-mission phare puissante pour la prochaine étude décennale planétaire à considérer.
 

Conclusions

Une découverte clé de New Horizons est que Pluton et ses lunes, comme d'autres planètes plus proches de chez eux, sont trop complexes et trop convaincants pour être laissés à une seule reconnaissance de premier survol. Pluton fait signe et nous devons revenir avec un orbiteur. L'étalon-or peut résoudre la tension entre les scientifiques souhaitant retourner à Pluton et ceux qui pensent qu'il est plus sage d'explorer la ceinture de Kuiper plus large.

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