Les missions Pioneer 10 et 11: Jupiter et Saturne

Les missions Pioneer 10 and 11 furent les premières missions à Jupiter et Saturne. Les Pioneer furent en fait des missions éclaireurs pour les missions Voyager à venir (voir à Les Voyager 1 et 2) car ils allaient permettre de déterminer si un vaisseau pouvait sans encombres travers la ceinture des astéroïdes et les fortes ceintures de radiation de Jupiter. Au départ, le Pioneer 11 avait été conçu comme un vaisseau de secours pour le Pioneer 10, lequel serait lancé 13 mois plus tôt. Ce fut le "Ames Research Center" de la NASA, situé dans la Silicon Valley, en Californie qui conçut et fut responsable des deux Pioneer. Le Pioneer 10 fut lancé en premier, le 2 mars 1972 et son jumeau, le Pioneer 11 le 5 avril 1973. Les deux sondes emportaient 12 instruments scientifiques pour l'étude de Jupiter et Saturne, leurs environnements et l'espace interplanétaire. Comme prévu à l'origine, Pioneer 11 devait être une sauvegarde du Pioneer 10; avant le second vaisseau ait été lancé, le premier Pioneer avait transféré sans encombres la ceinture des astéroïdes et était sur son chemin à destination de Jupiter. Après que Pioneer 10 eut réussi ses observations de Jupiter, les responsables de la mission, en mai 1974, re-calculèrent le Pioneer 11 de sorte, qu'en utilisant la gravité de Jupiter, il atteignît Saturne. Fin juillet 1979, alors que les deux vaisseaux Voyager avaient déjà été lancés, avaient réalisé leurs passages à Jupiter et étaient sur leur chemin à destination de Saturne, les responsables de la NASA durent alors décider où le passage du Pioneer 11 se ferait à Saturne de sorte à mieux prévoir la trajectoire des Voyager: on pouvait soit faire passer Pioneer 11, de façon scientifiquement plus intéressante mais plus risquée, entre la planète et l'anneau intérieur soit à l'extérieur des anneaux; ce fut cette seconde option qui fut choisie puisque le Voyager 2 devrait y passer pour bénéficier du passage assisté par gravité adéquat pour le reste de son voyage. Pioneer 10 s'élança le 2 mars 1972, au sommet d'une Atlas/Centaur, fusée à trois étages, et prit la direction de Jupiter. Elle devint la sonde la plus rapide qui avait jamais existé, ayant déjà une vitesse de 52000 km/h (32400 miles/h) à son départ de la Terre. Elle passait la Lune 11 heures plus tard... Elle atteignit Mars en 4 mois, traversa sans encombres la ceinture des astéroïdes (qu'elle atteignit le 15 février 1973 et qu'on pensait intraversable; Pioneer 10 fut le premier à le faire et le fait fut donc une réussite pour l'époque) et elle devait encore être accélérée par la gravité de Jupiter, lors de son passage, portant alors sa vitesse à 132 000 km/h (82000 miles/h). Il était passé à moins de 3,4 millions de km d'un astéroïde non nommé de 800m de diamètre (le 2 août 1972) et près de l'astéroïde 307 Nike (9,3km de diamètre; 2 décembre de la même année); il avait fallu sept mois au vaisseau pour traverser la ceinture d'astéroïdes. Le 1er décembre 1973, le Pioneer renvoyait des images de Jupiter qui dépassaient les meilleures images prises depuis la Terre. Jupiter fut atteint le 3 décembre 1973, la sonde passant à 130 000 km (82000 miles) au-dessus des nuages. Le travail effectué par Pioneer 10 fournit les premières images rapprochées de la planète et de ses satellites, la mesure et l'emplacement de la magnétosphère, une appréciation de l'intensité de son environnement en termes de radiations, une carte de ses ceintures de radiation, son atmosphère et son intérieur. La mission avait également prouvé qu'un vaisseau pouvait traverser sans dommages la ceinture des astéroïdes. Au cours du passage, qui se termina le 2 janvier 1974, Pioneer 10 renvoya près de 500 images de la planète et de ses satellites. Le Pioneer fournit aussi de nouvelles données sur l'espace interplanétaire dans le système solaire extérieur y compris sur le vent solaire et les rayons cosmiques. Ensuite le vaisseau utilisa la force gravitationnelle de Jupiter pour quitter le système solaire, devenant le premier objet fabriqué de main d'homme à le faire. Le vaisseau, de 280kg emportait 11 instruments: un magnétomètre à vecteur d'hélium (étude du champ magnétique), un analyse à plasma quadrisphérique, un instrument pour étudier les particules ionisées, un télescope à rayons cosmiques, un télescope à tube Geiger, un détecteur à radiations piégées (vent solaire et niveaux de radiation), des détecteurs de météorites et un détecteur d'astéroïdes et de météorites (particules de poussière interplanétaire), un photomètre dans l'ultraviolet (quantités d'hydrogène et d'hélium dans l'espace et sur Jupiter), un photopolarimètre imageur (images de Jupiter) et un radiomètre dans l'infrarouge (mesure des températures). Deux générateurs thermiques radioisotopiques (RTG, en anglais) à plutonium 238 fournissaient l'énergie aux systèmes et aux instruments du Pioneer 10 -idem pour le 11- car des panneaux solaires auraient dû être de trop grande taille pour être efficaces à la distance de Jupiter. Il passa l'orbite de Neptune en juin 1983 (il continuait alors d'opérer normalement et de renvoyer des données intéressantes); la NASA, via les antennes du Deep Space Network, maintint un contact régulier avec le vaisseau jusqu'en mars 1997 -date officielle de la fin de la mission- puis un contact intermittent. Le RTG du Pioneer 10 avait cependant diminué en puissance et le vaisseau envoya son dernier signal le le 23 janvier 2003 -soit 31 ans après son lancement- et il se trouvait alors à 4,7 milliards de km. Ce dernier signal mit 11 heures et 20 minutes pour atteindre la Terre

Jupiter s'accroît de taille alors que Pioneer 10 s'approche (en bas) puis, après le passage du vaisseau au plus proche, un croissant de Jupiter, déformé, décroît (en haut). NASA

Le lanceur Atlas avait une puissance totale (NB: les valeurs sont données en livres anglo-saxonnes) de 411 353 livres et possédait deux moteurs de poussée de 174 841 livres, un moteur de fonctionnement de 60 317 livres de poussée et deux moteurs-verniers, chacun d'une puissance de 676 livres. Ce premier étage était alimenté par de l'oxygène liquide et du carburant RP1. Le second étage était une fusée Centaure, à deux moteurs, d'une puissance totale de 29200 livres. L'étage comportait des panneaux d'isolation qui étaient ensuite largués avant que le lanceur ne quitte l'atmosphère; ils servaient à maintenir la température basse de l'hydrogène liquide, au pas de tir et pendant le vol. L'étage Centaure était alimenté en hydrogène et en oxygène liquides. Enfin, le lanceur se terminait par un troisième étage TE364-4 à carburant solide, qui développait 15000 livres de poussée. Ce dernier étage, de plus, imprimait une rotation de 60 tours/mn aux vaisseaux Pioneer

La mission Pioneer 11, elle, s'élança le 5 avril 1973, utilisant le même lanceur que Pioneer 10 et elle atteint Jupiter le 2 décembre 1974, y passant à 43000 km (26725 miles) des nuages. Pioneer 11 avait été conçu comme une mission de secours car les deux missions Pioneer étaient considérées comme dangereuses. Par ailleurs, elle n'avait été pourvue que d'un seul instrument supplémentaire, un magnétomètre de porte de flux. Ce passage permit une accélération assistée par gravité, portant Pioneer 11 à la faramineuse vitesse de 174 000 km/h (108 000 miles/h) et le propulsant en direction de Saturne. Saturne fut atteinte, 2,4 milliards de kilomètres plus loin, le 1er septembre 1979. La sonde, à Jupiter, avait obtenu des photos rapprochées, fait les premières observations des régions polaires et estimé la masse de Callisto, l'un des satellites. A Saturne, que la mission Pioneer était la première à jamais atteindre, passant à 21000 km (13000 miles) au-dessus de la planète, Pioneer renvoya les premières images jamais acquises depuis l'espace de la planète aux anneaux. Pioneer 11 découvrit deux satellites et un anneau supplémentaires et il établit une cartographie de la magnétosphère ainsi qu'il confirma que l'amosphère saturnienne était faite d'hydrogène liquide. Comme Pioneer 10, Pioneer 11 continua de faire de la science jusqu'aux limites du système solaire. La mission se termina officiellement le 30 septembre 1995. Depuis, aucune communication n'a été reçue du satellite. Pour ce qui est du passage à Saturne, Pioneer 11 fut reprogrammé à la moitié de son vol, en mai 1974, pour cette seconde rencontre. En effet, l'équipe du Ames Research Center de la NASA n'avait pas seulement décidé de reproduire le succès de Pioneer 10 mais aussi, en se fondant sur elle, d'utiliser la force gravitationnelle de Jupiter pour propulser le vaisseau vers Saturne avec une vitesse considérablement accrue (Saturne serait atteint en 1979). Pioneer 11, à son tour, avait traversé sans encombres la ceinture d'astéroïdes en avril 1974. Après une pression qui vint de l'équipe des Voyager -la mission suivante du Jet Propulsion Laboratory vers les géantes gazeuses, qui voulait que le Pioneer teste le chemin qu'emprunterait les Voyagers quelques années plus tard, la décision fut prise de faire passer le Pioneer 11 beaucoup plus près de Saturne que le Pioneer 10 (les missions Voyager, alors, avait déjà été lancées -soit 2 ans avant que Pioneer 11 n'atteigne Saturne- et elles étaient déjà en route pour Jupiter). Certains, dans l'équipe des Pioneer, s'opposèrent à ce passage plus risqué mais, finalement, le 2 décembre 1974, le Pioneer 11 passa à 42000km seulement des nuages de Saturne. Pioneer 11 passa au-dessus des pôles de Jupiter pour éviter les intenses ceintures de radiation autour de l'équateur de la planète. Ce qui permit la première cartographie de ces régions et ce qui accéléra le vaisseau à la vitesse record de 172800 km/h. Du fait de l'ambiguité du statut de Pioneer 11 -qui était à la fois une mission scientifique et une mission de démonstration en termes d'ingénierie, un fort débat s'engagea à la NASA sur quelle route allait être prise jusqu'à Saturne. De plus, comme on connaissait mal les anneaux de Saturne à l'époque, il y eut discussion sur le point de savoir si Pioneer 11 passerait dans la partie intérieure, ou extérieure, des anneaux; dans tous les cas, il servirait de test pour le passage assisté par gravité de l'un des Voyager (les deux Voyager avaient été lancés et dépassé Jupiter). Finalement l'état-major de la NASA décida que le Voyager 2 fournirait plus de données scientifiques (puisqu'il rejoindrait Uranus puis Neptune) qu'un passage de Pioneer 11 dans la partie intérieure des anneaux de Saturne et Pioneer 11 passa, au dam de l'équipe du vaisseau, dans la partie extérieure des anneaux. Pioneer 11, le 1er septembre 1979, passa à moins de 21000km des nuages de Saturne à une vitesse de 114 000 km/h et, au cours de la rencontre, il renvoya des images de la planète, des anneaux et des satellites totalisant 440 images

Pioneer 10 à Jupiter (à gauche); Pioneer 11 à Saturne (à droite). NASA, Ames Research Center

Après Saturne, qu'il avait atteint via deux corrections de trajectoires (mai 1976 et juillet 1978), le Pioneer 11 prit une trajectoire qui l'emporta hors du système solaire et, le 23 février 1990, il dépassa l'orbite de la planète la plus lointaine du système solaire et commença son voyage interstellaire. Les Pioneer 10 et 11 faisaient partie d'une série de vaisseaux Pioneer -dont deux visaient Vénus en 1978. Les Pioneer 10 et 11 étaient pris en charge par le Ames Research Center, l'un des centres de la NASA. Les deux Pioneer étaient des sondes interplanétaires standard, de 2,90 m (9,5 ft) de large, avec une antenne à haut-gain. Stabilisées en rotation, elles possédaient 6 thrusters à hydrazine, étaient alimentées en énergie par des générateurs isotopiques (RTG) et elles portaient trois perches à instrument. Comme les concepteurs des deux missions étaient conscients que les deux satellites allaient être les premiers objets fabriqués de main d'homme à quitter le système solaire, ils fixèrent sur chacun d'eux une plaque portant un message graphique sous forme de schémas. Ces plaques avaient été conçues par Carl Sagan, Frank Drake et Linda Salzman Sagan. Une illustration de la transition hyper-fine de l'atome d'hydrogène neutre est figurée, deux dessins représentant des êtres humains -un homme, une femme- à l'échelle d'un Pioneer et une localisation de la Terre dans le système solaire. On pense que ces données peuvent être déchiffrables par toute civilisation avancée qui connaît l'hydrogène. Pioneer 10 se trouve maintenant à 12,5 milliards de kilomètres (7,8 milliards de miles) de la Terre, continuant sa route dans l'obscurité en direction d'Aldébaran -l'étoile principale du Taureau- qu'il atteindra dans 2 millions d'années (la vitesse de Pioneer 10 est de 44000 km/h). Pioneer 11, lui, se dirige vers la constellation de l'Aigle, qu'il atteindra dans 4 millions d'années. Le dernier signal de Pioneer 11 fut reçu le 24 novembre 1995 alors qu'il se trouvait à plus de 6,4 milliards de km de la Terre