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Mission Rosetta : le périple d'une sonde spatiale

La mission Rosetta orchestrée par l'Agence spatiale européenne (ESA) vient de se terminer, après plus de deux ans d'observation de la comète "Tchouri" (67P/Tchourioumov-Guerassimenko). Jacques Crovisier, chercheur au Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique (LESIA) de l'Observatoire de Paris (membre de PSL) a participé au suivi de la mission et en présente ici les grands enjeux et principaux résultats.

Qu'est-ce qu'une comète ?

Une comète est un petit corps d'une taille de quelques kilomètres, composé de roches, de poussières, et de gaz gelés. Son orbite autour du Soleil suit une trajectoire excentrique, sur laquelle elle passe la plus grande partie de sa vie, à très grande distance de l'astre.

Lorsque ce corps s'approche du Soleil, les glaces se subliment (passent de l'état solide à l'état gazeux), entourant le noyau d'une atmosphère gazeuse et entraînant une somme de poussières qui viennent former une queue, parfois spectaculaire.

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La comète C/1986 O1 (Hale-Bopp) est observée depuis la Terre le 6 avril 1997. On remarque la queue de gaz ionisé, bleutée et rectiligne, et la queue de poussières, blanche et incurvée, qui s'étendent sur des dizaines de millions de kilomètres. Le noyau est ici indiscernable. (Photo Nicolas Biver).

La mission Rosetta

La mission Rosetta avait pour but d'explorer une comète, 67P/Tchourioumov-Guerassimenko (dite "Tchouri"), ainsi nommée d'après ses découvreurs en 1969. La sonde est restée au voisinage de la comète plus d'un an avant et plus d'un an après son passage au plus près du Soleil.

Ce fut une exceptionnelle occasion d'observer dans le détail le réveil de l'activité de la comète et son évolution. Jusqu'à cette mission, nous ne disposions que d'observations à distance, qui ne fournissaient qu'un aperçu global du phénomène, ou encore de quelques survols par des sondes spatiales, qui ne pouvaient donner que des images instantanées de comètes.

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La sonde Rosetta. On remarque l'importante taille de ses panneaux solaires (une envergure de 32 m), conçus pour fonctionner à grande distance du Soleil, et de son antenne de télécommunication. (Document ESA).

La sonde Rosetta a été lancée de Kourou, en Guyane, le 2 mars 2004.  Après un long périple dans le Système solaire, émaillé par le survol de deux astéroïdes, (2867) Steins et (21) Lutèce, elle a rejoint au printemps 2014 la comète 67P/Tchourioumov-Guerassimenko, alors encore à 3,9 ua du Soleil.
N.B.Une unité astronomique (ua) correspond à la distance moyenne de la Terre au Soleil, soit 150 millions de kilomètres.

La sonde a accompagné la comète jusqu'au périhélie (le point le plus près du Soleil) le 13 août 2015, à 1,24 ua du Soleil. Elle a ensuite suivi son éloignement du Soleil jusqu'à 3,8 ua du Soleil, soit environ 570 millions de kilomètres. Les communications avec la Terre et l'alimentation en énergie par les panneaux solaires devenant alors trop difficiles à cette distance, l'Agence spatiale européenne a volontairement mis fin à la mission en précipitant la sonde sur la comète le 30 septembre 2016.

Observations et résultats

L'analyse conjointe des observations de trois des instruments embarqués sur Rosetta (le spectro-imageur infrarouge VIRTIS, le radiotélescope MIRO, les caméras OSIRIS) a précisé le fonctionnement de la comète.

Les chercheurs ont pu mesurer la température de la surface du noyau, évaluer la production d'eau et d'autres produits provenant des glaces cométaires comme le monoxyde et le dioxyde de carbone, et repérer des zones couvertes de glaces, ce qui a permis de mettre en évidence le triple aspect du cycle de l'activité cométaire, décrit ci-dessous.

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Surface tourmentée de la comète : image de la caméra de navigation, obtenue le 14 février 2015 à 15,3 km de la surface (document ESA/Rosetta/NavCam). Sur les deux images, on discerne des falaises, des rochers, des galets et des régions lisses.
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Image de l'une des caméras OSIRIS, à 5,8 km de distance de la comète, captée le 30 septembre 2016 lors de la descente finale de Rosetta vers le noyau (document ESA/Rosetta/MPS, équipe OSIRIS MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA). La taille de cette image est de 250 mètres.

Trois cycles d'activité cométaire

Le cycle jour/nuit

Il est gouverné par la rotation de la comète, qui a une période de 12,4 heures. La température de la surface peut passer brusquement de -250°C la nuit à 50°C le jour, provoquant la sublimation de la glace d'eau. Cependant, des gaz gelés comme le monoxyde et le dioxyde de carbone sont beaucoup plus volatils. On peut encore en observer la sublimation du côté nuit.

Le cycle orbital

La comète revient tous les 6,4 ans. Son orbite est très excentrique et sa distance au Soleil varie de 1,24 à 5,7 ua. La variation du chauffage solaire fait considérablement évoluer la production d'eau, de quelques milliers de kilogrammes par jour (à une distance de 3,9 ua du Soleil, lorsque Rosetta a rejoint la comète), jusqu'à environ 50 000 tonnes par jour aux alentours du périhélie.

Le cycle des saisons

Il est déterminé par l'inclinaison et l'orientation de l'axe de rotation. Au cours de ce cycle été/hiver, différentes régions du noyau sont préférentiellement exposées au Soleil au fil de l'orbite. Le noyau de cette comète a une forme très bizarre : il comporte deux lobes, ce qui s'explique par la réunion de deux petits corps qui se sont soudés suite à une collision. Il en résulte une évolution complexe de l'ensoleillement et de l'activité du noyau au cours des saisons.

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La comète observée par la caméra de navigation de Rosetta à 329 km de distance le 27 mars 2016. Le noyau, dont la plus grande dimension est de 4 km environ, montre une forme caractéristique à deux lobes. Le contraste de l'image a été traité afin de mieux discerner les jets de poussières qui sont éjectés des régions actives du noyau. (Document ESA/Rosetta/NavCam)

Mise en évidence de sursauts d'activité

Outre ces processus réguliers, Rosetta a observé à plusieurs reprises de brefs et violents sursauts d'activité, vraisemblablement dus à des fracturations du noyau. Les observations systématiques des comètes, en particulier par les réseaux des astronomes amateurs, nous ont donné de multiples exemples de ces imprévisibles sursauts. Nous pouvons désormais en suivre le déroulement en détail.

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Un bref sursaut surpris par l'une des caméras OSIRIS le 29 juillet 2015, peu avant le périhélie (document ESA/Rosetta/MPS équipe OSIRIS MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA). Les images sont séparées de 18 minutes.

Évolution de la glace

Les instruments de Rosetta ont observé que seule une petite fraction de la surface de la comète était recouverte de glace (d'eau et même de dioxyde de carbone gelé). Le noyau de la comète est poreux et l'essentiel des glaces se situe à l'intérieur.

Lorsque le réchauffement pénètre en profondeur, ces glaces se subliment, le gaz diffuse à travers les pores et s'échappe.

Quand la nuit tombe, ces gaz se recondensent en partie et forment une couche de givre extérieure. L'exposition suivante au Soleil fait disparaître ce givre. Ce cycle se répète à chaque rotation du noyau.

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L'instrument VIRTIS (Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer) avant qu'il ne soit embarqué sur la sonde Rosetta. (Document équipe VIRTIS).

En savoir plus 

Nous n'avons évoqué ici qu'une toute petite partie des résultats obtenus par la mission Rosetta. Pour en savoir plus, en particulier sur ce que nous a appris Rosetta sur la structure et la composition du noyau de la comète, sur la formation du Système solaire, sur le débat sur l'origine de l'eau terrestre, sur le rôle possible des comètes dans l'apparition de la vie sur Terre... on peut consulter :

- Le site de l'Agence spatiale européenne : http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta
- Le site du CNES : http://rosetta.cnes.fr/
- Le site de l'instrument VIRTIS à l'Observatoire de Paris/ LÉSIA : http://www.lesia.obspm.fr/Ressources-VIRTIS-Rosetta.html 

Des nouvelles de Rosetta

En février 2017, les observations de Rosetta ont permis de faire émerger de nouvelles données et conclusions scientifiques. Découvrez par exemple les dunes de Tchouri sur le site de l’ESPCI Paris.

Crédits et mentions légales

La mission Rosetta est une formidable aventure humaine qui s'est étalée sur plus de 30 ans pendant lesquels plusieurs générations de chercheurs et de techniciens ont dû se passer le relais au sein des équipes. L'Observatoire de Paris (membre de PSL) est impliqué dans la mission Rosetta par la fourniture de l'un des canaux du spectro-imageur infrarouge VIRTIS (Visible, Infrared and Thermal Imaging Spectrometer) et par sa participation aux observations du radiotélescope millimétrique MIRO (Millimeter Instrument on the Rosetta Orbiter) et du système d'imagerie OSIRIS (Optical, Spectroscopic and Infrared Remote Imaging System).

Lexique

Sublimation : passage de l’état solide à l’état gazeux.

Périhélie : point de la trajectoire d’un objet céleste le plus proche du Soleil, lorsque cet objet est en orbite héliocentrique.

Unité astronomique (ua) : unité de mesure qui correspond à la distance moyenne de la Terre au Soleil, soit 150 millions de kilomètres.