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Fin de Règne pour le Télescope KEPLER

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kepler telescope
C’en est fini de la mission du satellite Kepler, le plus performant détecteur d’exoplanètes que l’on ait construit. Le télescope spatial de la NASA subit en effet une sévère avarie de gyroscope qui l’empêche de se retourner correctement dans la direction que l’on souhaite…
C’est avec un miroir de 1,4 mètre associé à une caméra de 95 mégapixels que ce bijou technologique arrivé en orbite en 2009 a permis de découvrir pas moins de 2700 exoplanètes.
La principale technique employée par les astrophysiciens exploitant Kepler est la technique dite du transit : détecter l’infime baisse de luminosité d’une étoile lorsqu’une planète passe devant dans la ligne de visée.
C’est une roue gyroscopique qui vient de lâcher, après la première en juillet dernier. Kepler est équipé de quatre roues gyroscopiques à réaction, qui, lorsqu’elles tournent (entre 1000 et 4000 tours par minute) dans un sens, produisent un mouvement de réaction du satellite dans l’autre sens, permettant ainsi de le positionner dans l’espace dans une direction précise et le stabiliser. Or il faut au minimum trois roues pour conserver une bonne stabilité.
Kepler en cours de montage, deux roues gyroscopiques sont visibles (cylindres noirs) (Ball Aerospace Corp.)
Les scientifiques savaient que Kepler était vulnérable sur ce point. En effet, déjà avant son lancement, l’équipe gérant la mission, connaissait les déboires qu’avaient eus auparavant d’autres satellites équipés des mêmes types de roues en provenance du même fabricant.
Des roues similaires avaient flanché sur le Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE) de la NASA en 2001, ainsi que sur le Hayabusa japonais en 2004 et 2005. Quant au satellite TIMED (Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics), il connut une avarie sévère de roue gyroscopique en 2007. La  sonde Dawn, connut elle deux défauts de roue consécutifs en 2010 et 2012 (mais Kepler était déjà en orbite)…
Mais c’est surtout le problème de TIMED qui fit prendre conscience au fabricant de Kepler, Ball Aerospace, du problème potentiel, à la fin 2007. Entre-temps, Kepler était déjà prêt à être lancé. Bien sûr, il a été envisagé de démonter en grande partie le télescope pour changer entièrement le système gyroscopique ou encore d’ajouter des systèmes redondants. Mais toutes les solutions imaginées étaient bien trop couteuses, et auraient impliquées des années de délais supplémentaires pour une mission très attendue qui avait été retardée déjà par deux fois.
Les roues gyroscopiques furent tout de même démontées au début 2008 pour être réinspectées chez leur fabricant, Ithaco Space Systems, qui effectua semble-t-il un remplacement de roulements à billes qui montraient déjà des signes de fatigue. Les modifications apportées devaient permettre selon Ithaco Space Systems de ne plus rencontrer les problèmes rencontrés par TIMED…
Vue d’artiste du Télescope Kepler (NASA/JPL)
A cette époque, les scientifiques de la NASA étaient tout à fait confiants, puisque la mission de Kepler devait durer seulement 3 ans et demi, durée attendue pour observer 150 000 étoiles à la recherche de planètes telluriques.

Ce n’est qu’après les premières observations du télescope en orbite que les astronomes se sont rendu compte que cela prendrait bien plus de temps… Ils ont en effet découvert que la plupart des étoiles semblables au soleil étaient beaucoup plus variables que lui, ce qui rendait la méthode de détection par transit un peu plus délicate. Il fallait plus de temps d’observation par étoile pour détecter la présence d’une planète de petite taille, de manière à ne pas confondre une fluctuation d’intensité propre à l’étoile et la variation produite par le passage d’une planète…
Les planètes découvertes par Kepler : taille en fonction de période orbitale (relativement à la Terre)
La NASA étendit donc la durée de la mission jusqu’en 2016. Et c’est à peu près à ce moment-là, en juillet dernier, que la première des quatre roues motorisées flancha…
On connait la suite. Kepler a fait des merveilles en tenant le coup durant 5 ans. Bien sûr, les scientifiques vont tenter l’impossible pour essayer de réactiver les deux roues défectueuses, à coups d’impulsions électriques calibrées sur les moteurs, mais l’optimisme n’est pas de mise de ce côté-là. Et une réparation en orbite en envoyant des astronautes est hors sujet….
Ce qui est sans doute le plus dommage, c’est que Kepler commençait tout juste à devenir sensible aux petites planètes de la taille de la Terre ayant des orbites du même type. Rien que dans les deux dernières années, il en aura déniché plusieurs centaines.
Le télescope Kepler a bien mérité son nom, de même que pour l’apport considérable de Johannes Kepler au début de XVIIème siècle, il y aura dans le domaine des exoplanètes, et en astrophysique en général, un avant et un après Kepler, et son nom restera associé à jamais à celui des planètes qu’il a permis de trouver.
Référence :
The wheels come off Kepler
Ron Cowen
Nature 497,  417–418  (23 May 2013)
 
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Les Astronomes de l’Age de Bronze

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Berlin-Goldhut_detail
A Berlin se trouve un véritable trésor. Exposé au Neues Museum, on peut admirer ce cône ornemental en or, daté d’environ 1000 av JC, à la fin de l’âge de bronze. Cette pièce ornementale est une coiffe qui était arborée par des personnalités importantes lors de probables cérémonies. Mais il ne s’agit pas que d’un chapeau en or presque pur (87,7% d’or, 9,8% d’argent), non, il s’agit surtout d’un système de calcul astronomique extrêmement élaboré.
Haut de 75 cm, le cône en or de Berlin est découpé en 21 bandes horizontales chacune décorées par des signes différents, la plupart circulaires ou dotés de multiples cercles concentriques.
Le « GoldHut » de Berlin au Neues Museum (détail), Philip Pikart
L’une des bandes horizontales est particulière: elle est décorée d’une rangée de croissants couchés, chacun au sommet d’un symbole en forme d’amande ou d’œil. 
La pointe du cône est quant à elle agrémentée d’une étoile à huit branches sur un fond de poinçons décoratifs.
La jonction du tronc avec la collerette est faite par une large bande striée verticalement. La collerette, elle, est décorée avec des motifs semblables à celles du cône lui-même, en forme de disques.
Les archéologues se sont penchés sur la signification que pouvaient avoir tous ces signes. Ils ont découvert que tous ces ornements formaient des séquences systématiques de nombres et de types de signes, qui permettaient de déterminer des dates à la fois par un calendrier lunaire et un calendrier solaire…
Le « GoldHut » de Berlin au Neues Museum, Philip Pikart
Il est apparu que chaque symbole représente un jour, et que, à coté des bandes horizontales composées de différentes quantités de symboles existaient des zones intercalaires, qui entraient dans les calculs (zones 5,7, 16 et 17).
Le déchiffrement de la méthode arithmétique utilisée par nos lointains ancêtres d’Europe Occidentale il y a 3000 ans fut achevé lorsque l’on comprit comment utiliser ces bandes intercalaires dans le calcul.
Les astronomes de la fin de l’âge de bronze avaient essentiellement pour référence les deux astres les mieux visibles à l’oeil, que sont le soleil et la lune. Et ils avaient déjà très bien compris comment calculer les périodes de la lune au cours d’une année solaire.

Chaque bande horizontale possède une valeur numérique qui est calculée par le nombre de symboles qu’elle contient et par leur type. Par exemple, dans la bande numéro 12, le symbole est constitué de 5 cercles concentriques et il y en a 20, la valeur est ainsi 20 x 5 = 100.
A partir d’une zone donnée, on commence par additionner la valeur des symboles dans une section donnée. Pour obtenir le nombre de jours en calendrier lunaire ou en calendrier solaire, il suffit d’ajouter ou soustraire le nombre de symboles dans la même section de décompte qui se trouvent sur les bandes intercalaires.
Le nombre de jours ainsi obtenus pour les différentes sections vaut 365, 548, 729, 1100, 1097, 1461, 1462, 1644, 1644 et 1739, soit 12, 18, 24, 36, 48, 54 et 57 mois, avec deux redondances, et dans la variante lunaire : 355, 710, 1062, 1059, 1424, 1423, 1597 et 1682 jours, soit exactement le même nombre de mois (lunaires) là encore avec deux redondances.
On peut voir que l’erreur commise en nombre de mois est extrêmement faible, inférieure à 0.5% dans tous les cas.
Le décodage du GoldHut, calendrier lunisolaire
 Les hommes de la fin de l’âge de bronze pouvaient ainsi grâce à ce type de cône ornemental calculer jusqu’à 1739 jours, soit 4 ans et 9 mois…. ainsi que exactement le même nombre de mois mais lunaires, soit jusqu’à 1682 jours dans cette variante. Ce type d’instrument permettait également de convertir temporalité « lunaire » et temporalité « solaire ». Rien ne nous dit en revanche à quoi pouvait bien correspondre la durée maximale calculable d’un peu moins de cinq ans…
L’élaboration d’un tel système calendaire complexe dès 1000 av. JC en Europe nous enseigne que malgré leur absence d’écriture, les européens de cette époque avaient su effectuer des observations très précises des phases de la lune et de la trajectoire du soleil dans le ciel. Ils avaient surtout su coder ces informations de manière élaborée. L’existence de ce type de cône ornemental, dont seulement 4 exemplaires ont été retrouvés (dans le sud de l’Allemagne et en France) prouve que la civilisation protohistorique d’Europe avait une connaissance du ciel pas si éloignée de celle des civilisations déjà très avancées du Moyen-Orient ou d’Asie de la même époque.
Plus d’infos sur le Neues Museum de Berlin : http://www.neues-museum.de/
 

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Grimper à l’échelle des distances cosmiques

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ecc81chelle-distance-cosmiques
Pour mesurer les distances dans l’Univers, les astronomes peuvent utiliser différentes méthodes, suivant qu’ils s’intéressent à des objets proches, comme les planètes du système solaire, lointains comme les étoiles, ou très lointains, comme les galaxies. Mais ces différentes méthodes ne sont pas indépendantes, et elles reposent en fait les unes sur les autres : il [...]

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Hubble Tire le Portrait de la Comète ISON

Le   par
Hubble Tire le Portrait de la Comète ISON
Cette superbe image de la comète C/2012 S1 (ISON) a été prise le 10 avril dernier par le télescope spatial Hubble. Elle était alors aux environs de Jupiter, à une distance de 638 millions de km du Soleil et un peu plus de nous.
Déjà à cette grande distance, on constate que ISON est déjà active, le rayonnement du Soleil réchauffant sa surface en causant la sublimation de ces éléments volatils.
Une analyse fine du halo poussiéreux entourant le noyau solide glacé révèle l’existence d’un puissant jet de particules expulsé du côté du noyau faisant face au Soleil.
ISON (NASA, ESA, J.-Y. Li (Planetary Science Institute), and the Hubble Comet ISON Imaging Science Team)
Les mesures préliminaires issues des images de Hubble indiquent que le noyau de ISON ne fait pas plus de 6 km, ce qui est remarquablement petit au vu de la forte activité observée, d’après les astronomes qui ont déduit ses dimensions. Ils essayent d’estimer à partir de ces données quelle sera l’activité de la comète lorsqu’elle frôlera le Soleil à moins de 1,2 millions de km de sa surface, là où elle sera le plus spectaculaire, le 28 novembre prochain…
La chevelure poussiéreuse de ISON fait actuellement environ 5100 km de large, et sa queue s’étend sur plus de 90000 km, bien au delà du champ de vue de Hubble.

Comme ISON a le potentiel d’être la comète du siècle, la plus brillante depuis celle qui illumina le ciel de la Renaissance, les scientifiques de la NASA ont décidé d’organiser une campagne d’observation sans précédent, en regroupant un très grand nombre d’instruments spatiaux mais aussi des installations sur Terre. Le télescope spatial Hubble n’est qu’un élément parmi les outils les plus performants actuels regroupés dans la CIOC (Comet ISON Observing Campaign), qui s’est formée autour d’un petit comité des plus grands experts des comètes.
Le but de cette organisation est de faciliter, soutenir et encourager la communauté astronomique à mettre en commun leurs moyens dans le but de profiter au maximum de cette comète potentiellement extraordinaire.
Outre le télescope spatial, qui a donc déjà commencé sa part, les autres satellites ou sondes impliqués dans cette campagne d’observations et qui seront donc « détournés » pour la bonne cause sont les suivants :
  • SOHO (étude du soleil)
  • STEREO (étude du soleil)
  • SDO (étude du soleil)
  • Télescope spatial Spitzer (astronomie Infra rouge)
  • Chandra (astronomie X)
  • Télescope spatial Swift (astronomie UV/visible)
  • Deep Impact (étude de comètes)
  • Juno (étude de Jupiter, en route)
  • Messenger (étude de Mercure)
  • Mars Odyssey (étude de Mars)
  • Mars Reconnaissance Orbiter (étude de Mars)
  • Curiosity (étude de  Mars)
On peut constater que les sondes martiennes sont mises à contribution. En effet, avant d’arriver par chez nous en décembre, ISON passera non loin de Mars le 1er octobre, certes quand même à 10,8 millions de kilomètres, mais suffisamment près pour que Curiosity puisse l’apercevoir et prendre un cliché historique…
Ensuite, la comète ne mettra que 58 jours pour atteindre son périhélie, son point le plus proche du Soleil, qu’elle atteindra le 28 novembre.
Sa distance la plus proche de la Terre quant à elle se produira le 26 décembre (à 64,2 millions de km), si ISON existe toujours et ne s’est pas entièrement sublimée … Nous pourrons alors l‘admirer au coucher du soleil.
La Comète au dessus de Rotterdam (Lieve Verchuier, 1680)
Il faut dire que de telles comètes rasantes sont rares, ISON, qui a été découverte l’année dernière, est de celles-là, et étant la première fois qu’elle vient nous rendre visite dans l’intérieur du système solaire, on ne peut pas prédire ce qui se passera fin novembre. Certaines comètes ne survivent pas à leur approche du Soleil.
Il est estimé qu’environ 10% du noyau cométaire peut s’éroder. Toute l’énergie atteignant la comète provoque la sublimation de sa glace, un processus d‘évaporation qui refroidit la surface et l’empêche d’atteindre des températures extrêmes malgré sa proximité au Soleil.
C’est cette furieuse sublimation de matière mélange de glace et de poussière à proximité du Soleil qui devrait produire une chevelure et une queue extraordinaires visibles à l’œil nu en plein jour (d’après les plus optimistes), mais la science des comètes est aussi incertaine que la météo…
Que ISON se révèle être réellement la comète du siècle ou seulement un flop astronomique, les scientifiques ont choisi d’en apprendre le plus possible sur cette visiteuse inhabituelle, quoiqu’il arrive. 

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Un Océan sur Encélade ?

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encelade-cassini-cracks
Encélade est un satellite de Saturne. Il fait environ 500 km de diamètre. Découvert par William Herschel l’année où la Bastille tombait, il fut vraiment redécouvert l’année où la place du même nom connut la liesse, lors du passage de Voyager 2 à proximité, qui en montra une image très différente des autres satellites saturniens, avec une surface apparemment très blanche et très lisse. 
La sonde Cassini arrivée autour de Saturne en juin 2004, s’est donc particulièrement intéressée à cette lune saturnienne. Cassini a notamment fait une belle découverte en 2006 en montrant l’existence de sortes de geysers au niveau du pôle sud de Encélade.
Piqués par cette trouvaille indécelable depuis la Terre, les planétologues ont voulu comprendre l’origine du phénomène. La sonde Cassini a donc été utilisée spécifiquement pour inspecter de très près Encélade et ses geysers. Et ce qu’elle a découvert est très intéressant.
La surface de Encélade est couverte de glace d’eau. Il serait tentant de savoir si sous cette eau solide pourrait se trouver de l’eau liquide, et si ces geysers ne seraient pas simplement des projections d’eau. Et il se trouve qu’effectivement, ces geysers sont composés de vapeur à base organique, de l’eau sale en quelque sorte.
Les fissures bleutées qui apparaissent sur Encélade permettraient une évaporation d’un océan profond (crédit : Cassini Imaging Team/SSI/JPL/ESA/NASA)
Lors de la 44èmeLunar and Planetary Science Conférence, fameuse conférence de planétologie qui s’est tenue cette année à Houston, les scientifiques responsables de la mission Cassini en sont venus à presque pouvoir affirmer que sous sa glace, Encélade cache en fait un vaste océan liquide. Presque, car les indices, bien que très insistants, ne sont pas encore suffisamment solides pour que l’océan puisse être admis par tous.
Ce qu’ont montré les planétologues spécialistes des mondes saturniens exploitant Cassini est une image d’Encélade montrant de multiples fissures, qui sont très similaires à des fissures de banquise.
Un premier modèle expliquant les geysers observés sans avoir besoin d’un océan liquide avait été élaboré il y a quelques années. Selon ce modèle, les effets de marées produits par la géante Saturne toute proche, faisaient se mouvoir quatre grandes fissures dans des sens opposés, créant ainsi une friction induisant un échauffement qui faisait fondre la glace, eau qui se trouvait ensuite vaporisée dans l’espace (Encélade ne possède pas d’atmosphère digne de ce nom).
Mais Carolyn Porco, du Space Science Institute de Boulder (Colorado) et ses collaborateurs viennent de présenter un tout autre modèle, qui semble bien plus cohérent avec les dernières observations de Cassini : les jets d’eau vaporisée tendent à apparaître et s’intensifier exactement là où les effets de marée écartent les fissures et non lorsqu’ils produisent des frictions. L’écartement des fissures dans la glace laisserait s’échapper dans l’espace de l’eau liquide. Cette eau liquide se trouverait donc en abondance en dessous de la couche de glace… Un véritable océan d’eau et une eau relativement chaude.
Encélade et ses geysers étonnants (Cassini/JPL/NASA/ESA)

Ce que les chercheurs exploitant les données de Cassini ont pu montrer, c’est qu’il n’existait pas de points chauds distribués sur toute la longueur des fissures, ce qu’on attendrait dans le cas d’un phénomène de friction. Au contraire, de tout petits points chauds sont mesurés par l’imageur infra-rouge de la sonde, pas plus grands qu’une dizaine de mètres.
Ces données tendent à indiquer des fissures très profondes produites par les effets de marée, et laissant s’échapper localement l’eau océanique sous-jacente.
Le planétologue David Stevenson du California Institute of Technology à Pasadena confesse :« Effectivement, l’échauffement par friction ne semble pas marcher. A la place, on peut pomper de la chaleur d’un océan, et il va maintenant falloir comprendre comment  un tel phénomène peut exister depuis des milliers ou des millions d’années. On avance… »
L’idée de la présence d’un océan liquide sur Encélade, même sous plusieurs centaines de mètres de glace, associé au fait que l’eau éjectée comporte des composés carbonés et en soi très intéressant. Elle permet d’ouvrir quelques perspectives que certains vont assurément s’empresser de développer. Il reste encore beaucoup à apprendre sur notre environnement pas si lointain sans être pour autant très proche. La sonde Cassini est un des meilleurs instruments pour le faire.

Reference:
R. Kerr
More Support for an Ocean in Enceladus
Science 12 April 2013: Vol. 340 no. 6129 p. 139
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Pluie d’Anneaux Sur Saturne

Le   par
saturn_from_cassini_orbiter_2004-10-06
Les anneaux de Saturne sont composés d’une myriade d’objets de toutes dimensions, allant de grains submicrométriques jusqu’à des blocs de plusieurs kilomètres.
Ces grains formés presque entièrement d’eau pure ont une masse totale équivalente à celle d’une sphère de glace de 500 km.
Bien que de nombreux progrès aient été faits dans la compréhension de la dynamique du système d’anneaux de Saturne depuis l’exploration in situavec des sondes, de grandes questions restent toujours en suspens : Comment les anneaux se sont-ils formés ? Sont-ils anciens datant de la formation de Saturne, ou bien plutôt jeunes ? 
Une observation inédite effectuée grâce au télescope Keck (1) montre un phénomène étonnant : les anneaux de Saturne subissent une érosion magnétique qui siphonne littéralement de grandes quantités de masse des anneaux pour en faire une pluie sur la haute atmosphère Saturnienne. Ce processus pourrait permettre d’expliquer certaines structures observées sur les anneaux et leur histoire.
Il faut savoir que la multitude d’objets composant les anneaux sont très bien décrits par la dynamique classique, ils ont une orbite képlérienne. Les caractéristiques des anneaux peuvent être décrites par la dynamique d’un ensemble de particules interagissant mutuellement par gravitation et collisions, en orbite ensemble  autour d’un corps central massif.

Jeu d’ombres des anneaux de Saturne vue par Cassini (JPL/NASA)
Toutes ces particules de glace se comportent en fait comme un gaz dense, caractérisé par une viscosité, une température et une pression. En revanche, le mouvement des particules très petites, celles dont la taille est inférieure au micromètre, va montrer une différence notable lorsqu’elles acquièrent une charge électrique suffisamment grande.
Ces petits grains de poussière de glace peuvent en effet subir des phénomènes de photoionisation ou être exposées à des plasmas denses produits par des impacts de micrométéorites, qui vont leur arracher (ou apporter) quelques électrons.
Il suffit seulement d’une charge d’électron en plus ou en moins pour un grain de 1000 molécules d’eau pour que ce grain commence à subir les effets gyromagnétiques dans un champ magnétique, dus à la force de Lorentz bien connue. 
Les grains chargés subissent à la fois un mouvement de rotation autour des lignes de champ ainsi qu’un mouvement associé à l’évolution spatiale des lignes de champ magnétiques elles-mêmes.
Ces grains chargés vont littéralement glisser le long des lignes de champ en réponse aux autres forces auxquelles ils sont soumis : gravitation, force centrifuge, force de gradient magnétique.
Mais là où n’importe quelle autre planète de notre système solaire possédant un champ magnétique aurait très vite dispersé ces petits grains chargés, Saturne ne le fait pas. Saturne possède en effet la caractéristique unique (dans notre système solaire, restons modestes) d’avoir son champ magnétique exactement symétrique par rapport à son axe de rotation. Cette spécificité, fait que les grains chargés électriquement ont seulement deux directions de mouvement possibles : soit ils sont conduits vers le dessus du plan de l’anneau, soit ils se retrouvent dans la direction opposée, mais dans les deux cas, ils se retrouvent plongés dans la haute atmosphère de Saturne.
C’est ce phénomène que l’on appelle une érosion magnétique.

Saturne capturée en 2009 par Hubble presque dans le plan des anneaux (avec Titan en transit, accompagné de Mimas, Dioné et Encelade)  (NASA/HST)
Pour mesurer la quantité de tels grains de glace tombant sur l’atmosphère saturnienne, O’Donoghue et ses collègues anglais, qui signent cet article paru dans Nature, ont utilisé une méthode indirecte : les molécules d’eau injectées dans l’atmosphère de la planète géante facilitent la recombinaison rapide des ions présents, savoir des ions H3+. Il suffit alors d’observer la déplétion de cet ion via la baisse d’intensité de ses raies d’émission spécifiques (situées dans l’infra-rouge) pour en déduire la quantité d’eau présente.
Les auteurs montrent clairement la présence de quantités d’eau importantes tombant des anneaux en suivant les lignes de champ magnétique : une pluie d’anneaux…
L’étude indique également que le taux d’érosion annulaire observé en fonction du rayon n’est pas celui auquel on s’attendrait pour expliquer la formation sur plusieurs dizaines de millions d’années d’évolution de la frontière entre anneau C et anneau B ainsi que la transparence de l’anneau B. Mais le taux d’érosion est connu avec encore assez peu de précision, on ne sait par exemple pas encore déterminer la proportion d’eau qui est transportée par de simples ions ou par des grains submicroniques (qui est le plus efficace).
La technique novatrice utilisée est pleine de promesses pour améliorer notre compréhension de la formation et de l’évolution de ces anneaux, qui ressemblent probablement très peu à ce qu’ils étaient originellement.
L’érosion magnétique est un des processus qui façonne les anneaux que nous admirons aujourd’hui et une clé de leur formation passée. La pluie d’anneau nous annonce du beau temps en perspective…
Référence :
(1) The domination of Saturn’s low-latitude ionosphere by ring ‘rain’
      J. O. Donoghue et al. 
      Nature 496, 193–195
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