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Solar Orbiter : le défi du bouclier thermique

Pour améliorer nos connaissances du Soleil, il faut s'en approcher aussi près que possible. C'est l'objectif de la sonde américaine Parker Solar Probe mais aussi de Solar Orbiter qui s'en approchera si près, à 42 millions de kilomètres, qu'elle devra être protégée par un bouclier thermique très efficace, réalisé par Thales Alenia Space. Les explications de Paolo Musi, le directeur des programmes scientifiques chez Thales Alenia Space, en Italie.

De la bonne tenue du bouclier thermique dépendra la réussite de la mission de Solar Orbiter. En s'approchant jusqu'à 42 millions de kilomètres du Soleil, Solar Orbiter s'exposera à des températures avoisinant les 500 à 600 °C ! À cette distance, les instruments recevront environ treize fois plus d'énergie que si la sonde était près de la Terre. Autrement dit, ils devront faire face à des tempêtes de rayonnements UV, X d'électrons et de protons très énergétiques. Pour ne pas fondre comme neige au Soleil, la sonde sera évidemment dotée d'un bouclier thermique pour réduire la température à l'intérieur de l'engin.

Il a été réalisé par Thales Alenia Space pour le compte d'Airbus, responsable industriel du programme. Ce bouclier a aussi été conçu pour permettre aux instruments d'observer directement le Soleil sans que l'acquisition des données ne soit perturbée. Il est donc percé de plusieurs trous circulaires qui permettront aux quatre instruments dédiés à l'observation directe du Soleil d'opérer derrière une protection. Ses dimensions n'ont évidemment pas été choisies au hasard. Elles ont été calculées au plus juste pour maintenir à l'ombre l'ensemble du satellite et pour rayonner la chaleur accumulée vers l'espace lointain. Avec des dimensions de 3,1 m x 2,4 m, la surface du bouclier exposée au soleil est d'environ 7 m², pour une masse totale de 86 kg.

Comme nous l'explique Paolo Musi, le directeur des programmes scientifiques chez Thales Alenia Space en Italie, ce bouclier, peint en noir, est « constitué de 20 couches protectrices en titane ». Il est isolé du satellite par sa « propre combinaison formée de couvertures basse température, de structures nid d'abeille en aluminium et de supports en titane en forme d'étoile ». Conçu comme une série de barrières thermiques, le bouclier « diminuera progressivement le rayonnement solaire et protégera la température du satellite en créant un environnement thermique adapté à son fonctionnement ».

Ce bouclier est composé « d'une barrière thermique à haute température (HTHB), montée directement derrière et en contact avec le bouclier avant ». Sur cette face avant, des feuilles de métal et des MLI (isolation multicouche) spécialement conçues pour les températures élevées (jusqu'à 600 °C) arrêteront progressivement tous « les rayonnements, pour faire une barrière efficace contre la transmission de chaleur et pour créer une surface hautement réfléchissante dans l'infrarouge ».

La structure primaire de la barrière HTHB est « installée sur une plateforme légère en nid d'abeille ». Elle est recouverte d'« une résine composite à fibres de carbone (CFRP) composée de polyéthylène thermoplastique (950 Pa) avec un coefficient de conductivité thermique de 800 Wm/K (Watt par mètre-kelvin) pour assurer une stabilité géométrique dans un environnement thermique difficile ». La conception du bouclier permettra d'assurer une réduction du flux de chaleur total « passant d'environ 113.000 W sur la surface avant à 36 W à l'entrée du vaisseau spatial », avec une baisse de température correspondante entre la couche du bouclier thermique faisant face au Soleil et le vaisseau spatial « allant de > 550 ° C à > 50 °C  ». Le point le plus froid du satellite sera d'environ -60 °C.

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Solar Orbiter : en images son décollage réussi en direction du soleil

C'est fait. La sonde Solar Orbiter a décollé tôt ce matin en direction du Soleil. Un périple de plusieurs années l'attend, marqué par de nombreuses assistances gravitationnelles qui lui permettront de s'approcher à seulement 42 millions de kilomètres du Soleil ! Elle étudiera également ses pôles depuis une position jamais atteinte par une sonde. 

La sonde Solar Orbiter de l'Agence spatiale européenne a décollé tôt ce matin à destination du Soleil et de ses pôles, jusqu'alors inexplorés. La sonde a été lancée avec succès depuis Cap Canaveral en Floride (États-Unis), à bord d'un lanceur Atlas V411 fourni par la Nasa. Le décollage a eu lieu à 5 h 03 min.

Solar Orbiter a pour but de mieux comprendre l'étoile avec laquelle nous vivons, en donnant un aperçu inédit sur son fonctionnement et la façon dont elle affecte l'environnement spatial autour de la Terre et au-delà. L'idée sous-jacente étant de jeter les bases d'une météorologie spatiale opérationnelle utile et nécessaire aux futures activités humaines d'exploration de la Lune et de Mars.

NASA✔@NASA

It’s official - we’re headed to the Sun!

At 11:03pm ET on Sunday, Feb. 9, #SolarOrbiter, an international collaboration between @ESA and NASA, launched on its journey to study our closest star: https://go.nasa.gov/2SwJIzZ 

Photo Credit: @ulalaunch

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07:02 - 10 févr. 2020

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Malgré sa proximité au Soleil, Solar Orbiter l’observera de visu

Pour cela, la sonde embarque 10 instruments de mesure in situ et de télédétection qui collecteront photos et spectres, mesureront le plasma du vent solaire, les champs, les ondes et les particules énergétiques à proximité du Soleil. Pour réaliser l'acquisition de ces données, la sonde s'approchera aussi près que possible du Soleil tous les six mois, à seulement 42 millions de kilomètres. Une distance plus proche du Soleil que Mercure qui l'exposera à des températures avoisinant les 500 à 600 °C ! Un bouclier thermique, réalisé par Thales Alenia Space, la protégera efficacement.

∂octor / ∂ave@asubsetofdaves

I wanted to watch the whole launch of @ESASolarOrbiter without taking any photos — except this one as it started to fade from view (bright dot to the right of the middle).

The full moon, the clearest sky, the blinding light of the flame, the moonlight dappled on water...

Interview exclusive : Solar Orbiter « ouvrira une fenêtre sur l'intérieur de la couronne solaire »

Après plusieurs décennies d'attente, la sonde Solar Orbiter va décoller pour une mission inédite à proximité du Soleil. Proposée en 2000 et sélectionnée en 2011, cette mission sera lancée lundi 10 février 2020. Elle embarque 10 instruments qui vont lui permettre de mieux comprendre le comportement du Soleil. Les explications de Milan Maksimovic, directeur de recherches au CNRS, astrophysicien au LESIA (Observatoire de Paris) et responsable de l'instrument RPW à bord de Solar Orbiter.

Le lancement de Solar Orbiter est prévu dans le nuit du 9 au 10 février au soir depuis Cap Canaveral. La sonde, construite par Airbus, décollera à destination du Soleil. Après deux ans de voyage, elle atteindra son orbite elliptique autour du Soleil pour une mission d'au moins 7 ans.

Le Soleil, qui est l'objet du Système solaire le plus observé depuis l'apparition de l'Homme, est si complexe que l'on est loin de tout comprendre de son fonctionnement, de son influence sur l'environnement terrestre et de son impact sur l'activité humaine en orbite. Malgré plusieurs missions dédiées, les scientifiques ne peuvent toujours pas prédire son comportement et ils ont pris conscience, nous explique Milan Maksimovic, que pour « améliorer la connaissance de la météorologie de l'espace et la prédiction des effets de la variabilité solaire et son activité », il était nécessaire de « regarder de plus près notre Soleil » et donc s'en approcher aussi près que la technologie le permet.

Après Solar Parker Probe, lancée en août 2018 pour étudier la couronne, atmosphère mal connue d'où s'échappe le vent solaire, l'Agence spatiale européenne  (ESA) et la Nasa s'apprêtent à lancer Solar Orbiter qui doit faire le « lien entre ce qui se passe sur le soleil et ce qui est transporté par le vent solaire » et fournir une « compréhension plus profonde de notre connaissance du Soleil et de son héliosphère interne ».

Une fois lancée, la sonde Solar Orbiter suivra un chemin elliptique autour du Soleil, « s'en approchant jusqu'à 42 millions de km ». Elle s'approchera moins près du Soleil que Parker Solar Probe, mais les deux sondes n'ont pas les mêmes stratégies. À Solar Parker Probe, les mesures in-situ de la partie la plus externe de la couronne solaire et un peu au-delà, lorsque débute l'héliosphère quand Solar Orbiter réalisera des « clichés dans le domaine UV de la couronne du Soleil avec la meilleure résolution spatiale jamais atteinte (70 km/pixel) ». À cela s'ajoute que Solar Orbiter réalisera également et en permanence « des mesures in situ dans le vent solaire et notamment, lors d'alignement entre le Soleil Parker Solar Probe et Solar Orbiter ». Pour les astronomes, cela revient à ouvrir une fenêtre sur l'intérieur de la couronne du Soleil, source du vent solaire, qui baigne l'ensemble du Système solaire et dont l'interaction avec notre planète gouverne la météorologie de l'espace.

La sonde approchera au plus près du Soleil tous les cinq mois

Comme pour Solar Parker Probe, Solar Orbiter ne sera évidemment pas en permanence au plus près du Soleil. Le satellite réalisera un rapprochement du Soleil tous les cinq mois. Au périhélie, Solar Orbiter se trouvera à seulement 42 millions de kilomètres de notre astre, soit plus proche que la planète Mercure. Au moment du rapprochement maximal, quand il voyagera le plus rapidement, Solar Orbiter restera pendant plusieurs jours grossièrement positionné au-dessus de la même région de l'atmosphère pendant que le Soleil tournera sur son axe. De la même façon que les satellites géostationnaires météorologiques ou de télécommunication survolent le même point de la surface de la Terre, le satellite aura l'air de « survoler » le Soleil pendant un moment. Solar Orbiter sera donc capable d'observer la création de tempêtes dans l'atmosphère solaire. Elle fournira ainsi des observations sans précédent de l'activité magnétique qui se concentre dans l'atmosphère et provoque des tempêtes et éruptions solaires.

Parmi les questions qui taraudent les scientifiques, cette histoire du chauffage de la couronne est une énigme contredisant l'intuition physique qui veut que, normalement, en s'éloignant de la surface d'un astre ou d'une planète, la température atmosphérique devrait décroître. Or, dans le cas du Soleil, elle augmente. Et pas qu'un peu ! En effet, alors que la surface du Soleil est d'environ 5.500 °C, elle atteint « 10.000 degrés dans la chromosphère et plus d'un million de degrés dans la couronne, voire 2 millions dans certaines régions ». Pour expliquer ce processus de chauffage coronal, on pense que « l'apport d'énergie nécessaire pourrait provenir notamment des fluctuations du champ magnétique et de la multitude de petites éruptions solaires invisibles depuis la Terre ». Mais on en reste aujourd'hui encore aux hypothèses car « les mesures du Soleil acquises depuis la Terre ou son orbite ne permettent pas de lever les ambiguïtés ».

Avec Solar Orbiter, les scientifiques sont convaincus que si « les données ne permettront pas d'expliquer ce mécanisme de chauffage, pour cela il faudrait s'approcher encore plus près du Soleil, elles devraient néanmoins éliminer certaines théories » et n'en conserver qu'un nombre restreint dont celle qui s'appuie sur « la présence d'ondes d'Alfvén dans la couronne solaire, qui sont des mécanismes importants assurant le transport de l'énergie, pour expliquer ce chauffage de la couronne ». Cette question des ondes Alfvén suscite également l'intérêt des scientifiques de Solar Parker Probe qui prévoient de les observer au plus près, lorsque la sonde sera à seulement à 9 millions de km du Soleil. De son côté, Solar Orbiter, plus éloignée et disposant à la fois de capacités de diagnostic de la couronne par imagerie et de mesures du vent solaire in situ, pourra suivre la même de portion de vent solaire quittant la couronne et arrivant quelques dizaines d'heures plus tard à la position de la sonde.

Se rapprocher au plus près du Soleil permet d'observer le « vent solaire dans un état juvénile », ce qui devrait aider à comprendre pourquoi autant de matière s'échappe du Soleil (environ 70.000 tonnes de matière s'échappent du Soleil chaque seconde) et quels sont les mécanismes qui accélèrent le vent solaire. « Ce dernier apparaît sous deux formes : lente, de 300 à 400 km/s, et rapide, avec une vitesse de l'ordre de 600 à 800 km/s. »

Cette sonde devrait également nous aider à mieux comprendre le fonctionnement des éruptions solaires, c'est-à-dire « pourquoi elles ont lieu, les processus qui les déclenchent, ainsi que les phénomènes associés et les conséquences qu'elles engendrent », souligne Étienne Pariat, coordinateur du Pôle de physique solaire au LESIA et co-investigateur scientifique sur deux instruments (SPICE et STIX). Surtout, Solar Orbiter devrait être capable de voir le lieu de naissance de ces éruptions, ce qui va « nous permettre de faire le lien entre ce qui se passe à cet endroit sur le Soleil et l'impact qu'elles ont ensuite sur l'héliosphère et le milieu interplanétaire ». Quant aux éjections de masse coronale, « qui sont les structures qui peuvent impacter le plus l'environnement de la Terre », Solar Orbiter devrait aider à mieux « comprendre comment elles sont générées et comment elles se déplacent dans le Système Solaire ».

Les pôles du Soleil dévoilés 

Après une première phase d'environ 4 ans d'observations depuis le plan de l'écliptique, Solar Orbiter « utilisera la gravité de Vénus et de la Terre pour sortir de ce plan et procéder à des observations à hautes latitudes (jusqu'à environ 30°) du Soleil et du vent solaire », fournissant des images inédites des régions polaires du Soleil. On s'attend également à des données importantes sur l'environnement magnétique encore mal compris de ces zones qui jouent un rôle clé dans le cycle solaire de 11 ans et dans les vagues régulières de tempêtes solaires. Cette phase de la mission sera propice à « des mesures d'héliosismologie locale et d'observations des trous coronaux polaires, sources du vent solaire rapide ».

Enfin, les connaissances accumulées par Solar Orbiter seront, à terme, utiles à d'autres disciplines comme l'exobiologie. Une meilleure connaissance des vents solaires devraient aider à mieux comprendre comment les vents stellaires d'autres étoiles interagissent avec les planètes tournant autour d'elles et influencent ces dernières, allant jusqu'à potentiellement modifier durablement leurs atmosphères et l'émergence possible de la vie sur ces planètes.

Solar Orbiter embarque 10 instruments répartis en deux catégories. Des instruments dits de télédétection et qui fournissent des spectres et des images de la photosphère et de la couronne, ainsi que des instruments héliosphériques de mesures in situ du plasma. On notera que l'instrument RPW est unique parmi les instruments de Solar Orbiter car il fait à la fois des mesures in situ et de télédétection. RPW mesurera les champs magnétique et électrique à haute résolution temporelle en utilisant un ensemble de senseurs-antennes pour déterminer les caractéristiques des ondes électromagnétiques et électrostatiques dans le vent solaire.

Principales questions auxquelles la mission se propose de répondre :

• Comment le champ magnétique émerge-t-il de l'intérieur et quel est son impact sur l'atmosphère solaire ?
• Quels sont les mécanismes impliqués dans la formation de la couronne et du vent solaire ?
• Quels sont les processus physiques expliquant l'activité éruptive du Soleil ?
• Comment la température de la couronne peut-elle atteindre plus d'un million de kelvins alors que la surface visible du Soleil n'atteint pas 6.000 kelvins ?
• Comment le plasma du vent solaire est-il accéléré jusqu'à des vitesses supersoniques de près de 1.000 kilomètres par seconde ?

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