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Le passage de la mission Stardust-NExT à la comète Tempel 1

vue générale de la comète Tempel 1 telle que vue par la mission Stardust-NExT le 14 février 2011. site 'Amateur Astronomy', sur la base d'une image NASA/JPL-Caltech/Cornell

La mission Stardust-NExT, de la NASA, a survolé avec succès la comète Tempel 1 le 14 février 2011 à 20h 40 heure d'hiver de la côte Pacifique américaine (4h 40 GMT le 15 février) à une distance de 178 km (111 miles). La mission Stardust-NExT était une transformation de la mission Stardust, une mission NASA qui avait été lancée début 1999 et qui avait survolé la comète Wild 2 en janvier 2004. Elle y avait collecté des particules cométaires puis était revenue vers la Terre pour y larguer une capsule d'échantillons, en janvier 2006. La NASA ensuite, dans l'été 2007 avait étendu la mission sous le nom Stardust-NExT, la dirigeant vers un second survol, celui de la comète Tempel 1, laquelle, en février 2011 devait être en train de revenir d'un passage au Soleil. Cette comète, en 2005, avait été l'objet de la mission Deep Impact qui y avait largué un impacteur. Après ce passage à Tempel 1, le vaisseau Stardust devrait continuer de prendre des images jusqu'à ce que les scientifiques de l'équipe estiment que celles-ci ne présentent plus d'intérêt et il est prévu qu'il soit mis un terme définitif à la mission en mars ou avril 2011. La comète 9P/Tempel est une comète périodique qui a été découverte par Wilhelm Tempel en avril 1867. Son orbite se trouve entre celles de Mars et de Jupiter et elle appartient aux comètes de la famille de Jupiter (des comètes dont la durée de l'orbite varie du fait d'approches répétées d'avec la géante gazeuse). Le noyau de Tempel 1 est allongé, de forme irrégulière, dont les dimension ssont 7,6-4,9 km (4,7-3 miles) et la période de rotation de 41,9h. Les impacts prisent lors de la mission Deep Impact montrent que le noyau possède des régions à la morphologie différente, ce qui peut laisser supposer une variation consiédrable en termes de matériaux exposés, de processus géologiques ou d'âge. Des dizaines de formes circulaires (d'une dimension variant de 40 à 400 m (131-1312ft) sont visibles également. On ne sait pas cependant si celles-ci sont des cratères d'impact ou des puits de sublimation. Des régions aux surfaces aplanies se voient aussi et se trouvent dans des zones de faible attraction gravitationnelle. Elles rappellent le plateau qui avait été observé sur la comète Borrelly mais le terrain avoisinant est différent. Il semble que ces dépôts plans pourraient être associés soit avec des régions du noyau qui ont été actives récemment ou qui le sont actuellement

Le passage à la comète Tempel 1

séquence animée du passage de la mission Stardust-NExT à la comète Tempel 1 le 14 février 20011. AU plus près, le noyau de la comète était à 178 km (111 miles). animation site 'Amateur Astronomy', sur la base d'images NASA/JPL-Caltech/Cornell

Après avoir procédé à des corrections de trajectoire pour mieux cibler la comète, la mission était sur sa route à une vitesse de 38600 km/h (24000 miles/h) lors de l'approche de celle-ci. Pendant la phase du survol, le vaisseau a accompli, en une succession rapide, plusieurs opérations. Cela a été fait automatiquement car la mission était trop loin de la Terre, de l'autre côté du Soleil par rapport à nous, pour être capable de recevoir des commandes en temps utile. Ces opérations ont ainsi compris de placer la sonde de telle sorte que ses boucliers protecteurs fassent face à la direction d'où l'on pensait que les particules cométaires allaient venir à sa rencontre. Puis 4 minutes avant le passage au plus près, la mission a commencé de prendre des vues du noyau de la comète Tempel 1. La mémoire de Stardust était limitée à 72 images en haute résolution prises pendant une séquence de 8 minutes. Les prises de vue étaient les plus rapprochées l'une de l'autre aux alentours du plus près du passage de façon à ce que soit assurée la meilleure couverture du noyau. C'est la caméra de navigation de la sonde qui a assuré les prises de vues. Elle était elle-même un amalgame de pièces détachées de rechange de diverses missions (Voyager, Galileo et Cassini). Il a fallu 15 mn pour transmettre chacune des images. Stardust, avant le passage, avait branché son système de navigation automatique. Une fois le survol effectué, à partir de 6h GMT (le 15), Stardust a dirigé son antenne à haut-gain en direction de la Terre et a commencé à envoyer 468 kilobytes de données ainsi que les images. Il aura fallu 10 heures, au total, pour que la transmission soit terminée

Résultats scientifiques

cliquez vers 4 vues de la comète Tempel 1 lors du survol par la mission Stardust-NExT le 14 février 2011. Les deux images, au centre, sont celles du plus près du survol, l'une prise 3 secondes avant, l'autre 3 secondes après le plus près du survol. site 'Amateur Astronomy', sur la base d'une image NASA/JPL-Caltech/Cornell

Le vaisseau Stardust-NExT a abordé la comète Tempel 1 à un autre angle que ne l'avait fait la mission Deep Impact. Cela a permis de voir de nouvelles régions du noyau cométaire. Stardust-NExT devait également étudier la coma, c'est-à-dire l'atmosphère de la comète. Les données télémétriques transmises après le survol indiquent que la sonde a dû voler à travers des vagues de particules en désintégration et 12 impacts ont pénétré à plus d'une couche dans la protection du vaisseau. Apparemment, au lieu que les particules cométaires ait eu la forme attendue d'un courant peu important de particules uniformes, il s'est agi de débris plus gros semblant venir d'épisodes énergétiques

cliquez vers une image (à droite) montrant une comparaison entre la comète Tempel 1 vue lors du passage de la mission Deep Impact (gauche) en 2005 et du survol par la mission Stardust-NExT (droite). Les flèches sur l'image de droite montrent les bords du cratère d'impact de la mission Deep Impact; l'image de droite est une autre comparaison de la comète Tempel 1 entre avant et après l'impact de la mission Deep Impact; elle montre, de gauche à droite, la zone d'impact avant l'impact (marquée par un cercle rouge), la zone après l'impact (avec indication de l'angle d'illumination et des points de repères) et le point précis de l'impact. La flèche blanche indique la trajectoire de l'impacteur. site 'Amateur Astronomy', sur la base d'une image NASA/JPL-Caltech/University of Maryland/Cornell (gauche) et sur la base d'une image NASA/JPL-Caltech/Cornell/Univ. of Maryland (droite)

Le survol a donc révélé des zones qui n'avaient encore jamais été vues du noyau de Tempel 1. On y voit, entre autres, trois terrasses d'altitude différente, avec des escarpements sombres, zonés ainsi que des pentes qui les séparent. La plus grande de ces pentes zonées à une dimension de 2 km (1 mile). La terrasse la moins élevée présente deux éléments circulaires, d'un diamètre de 150 m (500 ft). Une telle configuration réfère vraisemblablement au fait que des couches de matériaux constituent le noyau, observation que Deep Impact avait déjà faite de l'autre côté de la comète. Les images renvoyées permettent également de constater qu'il y a eu des changemets sur la surface de la comète entre les deux passages. Il est vraisemblable qu'ils soient dûs au fait qu'entre-temps, la comète est repassée au Soleil. Ils sont sans doute causés par un phénomène d'érosion venant des substances volatiles qui s'évaporent alors. Dans une région qui comporte une zone plane qui se trouve à une altitude plus élevée que le terrain avoisinant -lequel, sur les images, est plus texturé- et où des falaises blanches et élevées marquaient la frontière, on peut constater que celles-ci ont reculé jusqu'à 20 ou 30 m (66-100 ft) dans certains endroits et, qu'ailleurs, des dépressions, avec le temps, se sont fondues les unes dans les autres selon les mêmes processus d'érosion. Des zones blanches qui peuvent être soit d'autres falaises soit des zones de dépôt sont visibles sur d'autres images prises lors de ce dernier survol; ils sont probablement liés à l'activité du noyau lorsque ce celui-ci est exposé à la chaleur solaire. Pour ce qui est de la trace de l'impacteur de la mission Deep Impact, son observation ajoute aux observations scientifiques: les images montrent un cratère avec un petit monticule brillante au centre. Il semble qu'une partie des matériaux éjectés par l'impact soient retombés quasi immédiatement. Du fait que, de plus, le cratère n'est pas bien marqué, les scientifiques pensent que ce noyau cométaire est fragile et faible. L'impact semble avoir un diamètre de 150 m (500 ft)

cliquez vers une vue de terrasses sur le noyau de la comète Tempel 1 prise par la mission Stardust-NExT (résolution de 15 m/pixel (50 ft/pixel)) et vers des modifications de terrain entre le passage de la mission Deep Impact en 2005 et celui de la mission Stardust-NExT en 2011. Le terrain plat a une altitude plus élevée que le terrain texturé. Les falaises ont reculé. On voit aussi d'autres changements. image site 'Amateur Astronomy' sur la base d'une image NASA/JPL-Caltech/Cornell (à gauche) et d'une image NASA/JPL-Caltech/University of Maryland/Cornell (à droite)

Trajectoire et phases de la mission Stardust-NExT

illustration montrant la trajectoire de la mission Stardust-NExT. site 'Amateur Astronomy', sur la base d'une image NASA

Comme illustré ci-dessus, la trajectoire de la mission Stardust-NExT a consisté en 4 tours au total, sur 2 orbites héliocentriques. Les tours 1 et 2 ont été effectuées sur l'orbite sur laquelle la sonde se trouvait après avoir largué sa capsule d'échantillons le 15 janvier 2006. Puis un passage assisité par gravité à la Terre, le 14 janvier 2009, a placé la mission sur son orbite finale (tours 3 et 4) qui lui permettait d'intercepter la comète Tempel 1 le 14 février 2011 (soit 39 jours après le périhélie de celle-ci)

Pour ce qui est de son déroulement, la mission Stardust-NExT comportaient un certain nombre de phases. Celles-ci sont décrites ci-dessous

• phase de croisière n° 1: cette 1ère phase a commencé en août 2008 et s'est caractérisée par une activité de planification au sol et une interaction minimale avec le vaisseau (seules des mises à jour de navigation et des contrôles de l'état de la sonde avaient lieu, en moyenne, toutes les 4 semaines via un contact de courte durée). Deux corrections de trajectoire ont eu lieu dont celle du 19 septembre 2007 qui a placé le vaisseau à destination de son passage à la Terre prévu en janvier 2009
• phase du passage assisté par gravité à la Terre: les activités sont devenues intenses pendant cette seconde phase, qui a duré aux alentours de 3 mois. Deux corrections de trajectoire ont eu lieu et Stardust à pratique un passage assisté par gravité à la Terre le 14 janvier 2009. A son plus près, le vaisseau est passé à 9100 km (5600 miles) au-dessus de la frontière entre le Mexique et les Etats-Unis, au Sud de San Diego, à une vitesse de 36000 km/h (22400 miles/h). Le résultat du passage a été de placer la mission sur sa nouvelle orbite, qui la menait vers la comète Tempel 1
• phase de croisière n° 2: comme la phase de croisière 1, la phase de croisière 2 a été une période d'entretien qui n'a demandé qu'un contact tous les mois avec la sonde. Pendant cette phase a également eu lieu la plus important correction de trajectoire de la mission Stardust-NExT. Elle a eu lieu le 17 février 2010, la mission se trouvant de l'autre côté du système solaire, au-delà de l'orbite de Mars. Les thrusters ont été allumés pendant 22 minutes et 53 secondes, modifiant de 24 m/s (54 miles/h) la vitesse de Stardust. La manoeuvre a permis d'ajuster le moment du survol de Tempel 1 de façon à maximiser les possibilités que le vaisseau puisse prendre des vues haute-résolution de telle ou telle région de la surface
• phase d'approche: à partir de la survol-60 jours, cette phase a vu le début de la navigation optique à destination de la comète via la caméra embarquée, la "NavCam" ainsi des vérifications et tests fréquents des systèmes du vaisseau. On a également procédé à des corrections de trajectoires qui ont affiné la trajectoire de Stardust. Celles-ci avaient pour but que le chemin jusqu'à la comète soit le plus efficace en carburant. 6 heures après une dernière correction de trajectoire (survol-42 heures) le vaisseau a pris un dernier ensemble d'images OpNav (de navigation optique) au cours de la phase d'approche et les a transmises à la Terre. Les navigateurs de la mission ont ainsi analysé ces images pour avoir la plus récente estimation de la position de la comète et recommander ou pas une manoeuvre supplémentaire aux fins d'éviter une collision (ce qui aurait été fait si la distance du survol s'était avérée trop proche)
• phase de survol: cette phase a commencé 24 heures avant le survol et s'est terminée 24 heures après. Le premier moment important a eu lieu à survol-24h, lorsque l'équipe de la mission a commencé d'envoyer au vaisseau l'ensemble des commandes que celui-ci allait exécuter automatiquement lors du survol. A survol-18h les ingénieurs de vol ont eu la dernière possibilité (programmée) d'une dernière correction de trajectoire, toujours dans la perspective d'éviter une collision qui aurait été annoncée par les navigateurs. Cette décision se fondait aussi sur les éléments venant des images OpNav. Ensuite, que cette manoeuvre ait eu lieu ou pas, plus aucune modification de trajectoire n'était prévue
• survol: puis le survol a eu lieu. voir les détails concernant le survol dans le tableau qui suit
• phase de départ: la phase de "départ" ou d'éloignement a commencé à survol+2 jours. Le vaisseau continue alors de prendre des images de la comète qui s'éloigne. On prend alors 1 image toutes les 5 mn. A partir de survol+4j, jusqu'à survol+10j, on prend 1 image toutes les 12 mn. La mission, finalement, devrait se terminer officiellement quelques semaines après le survol (le projet scientifique même, lui, prendra fin avec la fin de l'analyse des données et la fin du programme)

Chronologie du survol de la comète Tempel 1 par la mission Stardust-NExT

survol-16h	les modifications ou améliorations ultimes des commandes de vol actuellement à bord du vaisseau sont envoyées. On a là la dernière communication montante et descendante entre le vaisseau et la Terre jusqu'à après le survol
survol-3h	le vaisseau active le "Comet and Interstellar Dust Analyzer", instrument d'analyse de poussière cométaire et interplanétaire
survol-1 hour	la phase de survol commence la "séquence critique". Celle-ci se caractérise par des étapes importantes. A survol-1h le vaisseau oriente ses boucliers protecteurs en direction du front de rencontre prévu avec les particules cométaires; cette manoeuvre, cependant, empêche l'antenne à haut-gain d'être orientée vers la Terre; il n'y a donc plus de communications à haute vitesse, pendant cette phase critique, entre le vaisseau et la Terre
survol-30mn	le vaisseau enclenche le programme AutoNav. Le système AutoNav permet au système de navigation embarqué d'aider au pointage de la caméra par ajustement de l'angle du miroir de balayage de la NavCam. Il fournit aussi au système d'attitude du vaisseau des données sur l'amplitude d'un mouvement de tangage que la sonde doit effectuer à 5 mn avant le survol. Ceci a lieu afin de corriger toute erreur de plan des prises de vue, afin de maintenir le noyau de la comète dans le champ de la caméra
survol-20mn	le "Dust Flux Monitor" est enclenché, intrument de contrôle du flux de particules
survol-5mn	le vaisseau commence une manoeuvre de tangage dite "roll-to-comet point" ("tangage en direction de la comète"). La manoeuvre, qui dure 40 secondes place la sonde dans une attitude telle qu'elle optimise la capacité de la NavCam à conserver le noyau de la comète dans le champ
survol-4mn	la séquence de prise de vue commence. Elle dure, nominalement, de survol-4mn à survol+4mn. La mémoire de bord est limité à 72 images haute-résolution; la plus rapide fréquence de prise de vue de la NavCam est utilisée de chaque côté du plus près du survol de façon à assurer, alors, une couverture en résolution optimale. Entre survol-4mn et survol-2mn 24s, 12 images sont prises (soit 1 toutes les 8s). Entre survol-2-mn 24s et survol+2mn 30s, le vaisseau prend 48 images (une toutes les 6s). Entre survol+2mn 38s et survol+3mn 50s, il prend 12 images (une toutes les 8s)
survol!	Stardust devrait être à 200 km (124 miles) au-dessus de la surface du noyau de la comète Tempel 1
survol+1mn 36s	le mode AutoNav a terminé ses opérations et est désactivé
survol+4mn	la séquence d'images haute-résolution est terminée
survol+20mn	le "Dust Flux Monitor" est désactivé
survol+60mn	le vaisseau effectue un changement d'attitude pour re-pointer l'antenne à haut-gain en direction de la Terre
survol+3h	Le "Comet and Interstellar Dust Analyzer" est désactivé (ce qui marque la fin de la collecte de données scientifiques pendant cette phase de survol) et stocke 720 megabytes de données dont 72 images à haute résolution (qui seront tranmises plus tard)
survol+3h 38mn	l'antenne de Madrid du Deep Space Network de la NASA commence à recevoir les enregistrements des données collectées pendant le survol. Les stations reçoivent d'abord 5 images NavCam sélectionnées. Puis, ensuite, les données des deux autres instruments. Enfin, les 67 images haute-résolution restantes. De façon à être certain que toutes les données et les images ont été reçues, on demandera au vaisseau de transmettre à nouveau l'enregistrement entier des données par trois fois au cours des deux jours suivants