Giotto (sonde spatiale)

Giotto
Sonde spatiale

Étude de la comète de Halley par Giotto (Vue d'artiste).

Données générales

Organisation	Agence spatiale européenne
Domaine	Étude des comètes de Halley et Grigg-Skjellerup
Type de mission	Survol
Statut	Mission achevée
Lancement	2 juillet 1985
Lanceur	Ariane 1
Fin de mission	23 juillet 1992
Identifiant COSPAR	1985-056A
Site	http://sci.esa.int/giotto/31716-summary/

Caractéristiques techniques

Masse au lancement	960 kg (lancement)
Masse instruments	59 kg
Masse ergols	Propergol solide : 374 kg Hydrazine : 69 kg
Contrôle d'attitude	Spinné
Source d'énergie	Cellules photovoltaïques
Puissance électrique	285 watts

Orbite

Orbite	Héliocentrique
Périapside	0,73 U.A.
Apoapside	1.04 U.A.
Période de révolution	304,6 jours
Inclinaison	2,09°

Principaux instruments

HMC	Caméras
NMS	Spectromètre de masse neutre
IMS	Spectromètre de masse ions
PIA	Spectromètre de masse poussière
DID	Détecteur impact poussière
JPA	Analyseur plasma
RPA	Analyseur plasma
EPA	Analyseur particules énergétiques
MAG	Magnétomètre

Giotto est une mission spatiale de l'Agence spatiale européenne (ESA) dont la sonde a survolé la comète de Halley et la comète Grigg-Skjellerup pour en étudier les caractéristiques. Elle faisait partie d'une flotte de cinq sondes spatiales lancées en 1985 pour survoler la comète de Halley au côté de deux sondes soviétiques, Vega 1 et Vega 2, et de deux sondes japonaises, Sakigake et Suisei. Giotto, qui était la première sonde spatiale de l'ESA, a été un succès. Elle a permis de découvrir que la comète de Halley possède un noyau solide beaucoup plus grand que prévu et que la comète fait partie des objets les plus sombres du système solaire. L'analyse des matériaux éjectés a montré une très grande diversité de molécules dont sans doute des composés organiques relevant d'une chimie complexe.

Contexte

Suite aux missions des sondes spatiales Voyager (lancement en 1977) et Pioneer (1972-1973) qui avaient permis d'étudier les planètes externes (Jupiter, Saturne, Neptune et Uranus), le survol d'une comète restait avec celui de Pluton le dernier grand défi de l'exploration du système solaire. Malgré l'intérêt scientifique pour un type de corps céleste dont on ne savait pas grand-chose, aucune agence spatiale n'avait de projet de mission vers cette destination à la fin des années 1970. Le retour prévu en 1986 de la comète de Halley, la plus célèbre des comètes, allait modifier cette situation.

Le retour de la comète de Halley

La comète de Halley circule sur une orbite qui la fait repasser tous les 75 à 76 ans dans le système solaire interne (dont la Terre). D'une luminosité remarquable (elle est visible à l'œil nu depuis la Terre), elle a été étudiée et reconnue très tôt puisque les premières observations fiables rapportées émanant d'une source fiable ont été effectuées en 240 av. J.-C. par les chinois. Le caractère périodique de son orbite a été établi en 1695 par l'astronome anglais Edmund Halley qui prédit son retour en 1758. Des observations astronomiques très poussées ont été effectuées durant son passage en 1835 et 1910 et la communauté scientifique attendait beaucoup de son retour en 1986 malgré une position peu favorable de la Terre par rapport à l'orbite de la comète. Halley est une comète de période courte dont l'apogée se situe 30 Unités Astronomiques du Soleil au-delà de l'orbite de Neptune et qui passe au plus près du Soleil à une distance de 0,587 U.A. Du fait de son orbite très excentrique, sa vitesse au plus près du Soleil est très élevée. Elle circule par ailleurs sur une orbite rétrograde (inverse de celle de la Terre) ce qui accroit sa vitesse relative par rapport à tout engin spatial. Malgré ces circonstances peu favorables pour une mission spatiale de survol, le passage de 1986 de la comète de Halley a immédiatement attiré l'intérêt des agences spatiales pour des raisons factuelles.

Une mission vers une comète nécessite de connaitre parfaitement sa trajectoire ce qui implique qu'elle ait déjà effectué récemment plusieurs passages près du Soleil (périodicité courte). Une comète est d'autant plus intéressante qu'elle émet de grandes quantités de gaz et d'eau caractéristique des comètes ayant effectué peu de passages près du Soleil. Halley est à l'époque la seule comète sur les 1000 cataloguées présentant ces deux caractéristiques. Par ailleurs son importance historique n'est pas un facteur négligeable dans sa sélection.

Historique du projet

Premières études

Le retour de la comète de Halley prévu en 1986 commence à susciter des études à la NASA dès 1967. En 1973 l'agence spatiale européenne, l'ESRO, souligne que son futur programme scientifique doit inclure une mission vers Halley. La NASA étudie le recours à une immense voile solaire pour permettre à la sonde spatiale d'aligner sa vitesse sur celle de la comète. Mais devant le manque de maturité de cette technologie, la NASA se tourne vers la propulsion électrique à l'étude depuis plus de 15 ans.

Le projet ICM américano-européen

Schéma du projet International-Comet-Mission : A Sonde fille développée par l'agence spatiale uropéenne - B Antenne grand gain - C Panneaux solaires - D Moteurs ioniques - E Alimentation de la propulsion- F Instrumentation scientifique.

La NASA propose en 1979 de développer une mission de rendez-vous avec une autre comète à courte période Tempel 2 (Halley Flyby/Tempel 2 Rendezvous ou HBF/T2R). Celle-ci est relativement brillante, a une périodicité courte (5 ans) et son orbite est bien connue. Tempel a été choisie parce que c'est l'une des comètes dont la trajectoire permet un survol à faible vitesse durant la décennie 1980. La NASA prévoit que la sonde principale à destination de Tempel emportera une sonde spatiale secondaire chargée d'effectuer un survol à grande vitesse de la comète de Halley. Le développement de cette dernière sonde, dont l'importance semble de second plan pour les scientifiques américains, est confié à l'Agence spatiale européenne. La mission est baptisée International Comet Mission (ICM). La sonde spatiale américaine de 2,7 tonnes est propulsée par des moteurs ioniques expulsant du mercure dont elle emporte 870 kg. Les panneaux solaires d'une envergure de 64 mètres fournissent 25 kW à une Unité Astronomique du Soleil. De son côté la sonde développée par l'agence spatiale européenne d'une masse comprise entre 150 et 250 kg est basée sur le satellite ISEE-2 et emporte 7 instruments dont un magnétomètre, un analyseur de poussière et un photomètre optique. Comme elle est stabilisée par rotation, elle n'emporte pas de caméra. La mission devait être placée sur une orbite basse par la Navette spatiale américaine. Un étage Interim Upper Stage (IUS) devait fournir la vitesse additionnelle nécessaire pour échapper à l'attraction terrestre. 15 jours avant le survol de Halley, la sonde européenne devait être mise en rotation puis larguée par la sonde américaine. Mais le coût de développement de la navette spatiale américaine ne laisse aucune ressource budgétaire pour ce projet proposé en 1979, date limite compte tenu de la nécessité de lancer ICM dès 1982. La NASA renonce à développer la mission en 1980. Ses partenaires européens découvrent cette décision en lisant un article sur le sujet dans un magazine économique.

Lancement du projet européen Giotto

La fresque de l'Adoration des mages de Giotto dans laquelle figure ce qui est peut-être la comète de Halley est à l'origine du nom donné à la mission.

Des ingénieurs et des scientifiques européens travaillent à la même époque sur un autre projet de mission conçu par le professeur Giuseppe Colombo de l'université de Padoue. Ce projet baptisé HAPPEN (Halley Post Perihelio Encounter) propose de lancer deux missions distinctes : HAPPEN 1 doit étudier durant deux ans la queue de la magnétosphère terrestre puis quitter le champ gravitationnel de la Terre et survoler Halley au niveau de son nœud descendant (par rapport au plan de l'écliptique) en mars 1986 tandis que HAPPEN 2 emporte sur un vaisseau mère trois petites sondes chargées également de survoler Halley. Ce projet est conçu initialement comme une solution de rechange de la mission développée avec la NASA. Avec le retrait de celle-ci l'Agence spatiale européenne abandonne le développement de la sonde spatiale secondaire associée à l'intérêt scientifique trop limité. HAPPEN est activé quelques mois plus tard et débouche sur la décision de développer d'une part un satellite destiné à étudier la magnétosphère (celui-ci sera abandonné par la suite) et une mission de survol de Halley qui doit pénétrer dans la chevelure de la comète constituée d'un nuage de particules et de molécules pour réaliser des photos de son noyau. La mission est baptisée Giotto à l'initiative du professeur Giuseppe Colombo : celui-ci avait attiré l'attention sur un article publié un an plus tôt qui émettait l'hypothèse que l'étoile figurant dans une fresque de Giotto réalisée vers 1305 faisait référence au passage de la comète de Halley de 1301.

Développement de la sonde spatiale

Le 8 juillet 1980, le comité scientifique de l'Agence spatiale européenne donne son accord pour le développement de la mission Giotto malgré les critiques des représentants de la France. La date de lancement est fixée à juillet 1985. La NASA propose de lancer la sonde spatiale avec sa navette spatiale mais les européens décident d'utiliser leur propre lanceur. La participation américaine se composera de quelques instruments scientifiques et de la mise à disposition de son réseau de grandes antennes paraboliques pour les communications. Pour limiter le coût et réduire le délai de développement, les responsables du projet décident d'utiliser la même plateforme que le satellite européen GEOS d'étude de la magnétosphère développé par la société British Aerospace. Giotto, qui a une masse au lancement de près d'une tonne, doit être lancé comme charge utile secondaire par une fusée Ariane 3 chargée par ailleurs de placer un satellite de télécommunications sur une orbite géostationnaire. Un moteur d'apogée à propergol solide doit fournir l'accélération de 1,4 km/seconde nécessaire pour placer la sonde sur une orbite héliocentrique. Mais on ne trouve aucun satellite de télécommunications acceptant les contraintes sur la fenêtre de lancement de Giotto. L'agence spatiale décide d'utiliser un lanceur dédié Ariane 1 moins puissant.

Coopération internationale

Giotto n'est pas la seule sonde spatiale développée pour étudier Halley à l'occasion de son passage près du Soleil en 1956. L'Union soviétique prévoit de lancer deux missions à destination de Vénus - Vega 1 et Vega 2 - qui, une fois leur mission principale remplie (largage d'un ballon-sonde et d'un atterrisseur dans l'atmosphère de Vénus, doivent survoler à faible distance le noyau comète. Ces sondes spatiale emportent des instruments pratiquement similaires à ceux de Giotto. L'Agence spatiale japonaise, de son côté, développe Sakigake et surtout Suisei qui doivent également survoler la comète. Un comité est mis en place - l'Interrnal Halley Watch - sous l'égide des Nations unies pour coordonner les opérations de ces différentes sondes spatiales et de Giotto et limiter les observations redondantes. La décision la plus importante prise par cette commission est d'affiner la trajectoire de Giotto, qui est la dernière mission à survoler Halley, à l'aide des informations fournies par les sondes spatiales Vega. En effet, compte tenu de la vitesse de la comète, des jets de gaz émis et des difficultés soulevées par l'observation d'un objet aussi proche du Soleil, il était difficile de déterminer la trajectoire de Halley avec une précision inférieure à 3 000 km. Les mesures prises par les sondes spatiales Vega permettaient de réduire cette valeur à 125 km.

Objectifs de la mission

À l'époque du lancement de la mission Giotto, on sait très peu de choses sur les comètes. Par exemple on en était réduit aux hypothèses en ce qui concernait l'existence et la taille du noyau cométaire. Aussi, des mesures in situ même très simples étaient suffisantes pour répondre à un grand nombre d'interrogations. Les objectifs fixés à la mission Giotto étaient les suivants :

• existe-t-il un noyau solide au cœur de la comète ?
• quelle est sa taille, sa forme, son albédo, sa composition, la température de sa surface, sa vitesse et son axe de rotation ?
• existe-t-il des régions actives dans le noyau ?
• quelles sont les molécules à l'origine de la chevelure de la comète ?
• quels sont les processus chimiques à l’œuvre dans la chevelure ?
• quelle est la composition élémentaire et isotopique de la poussière produite par les comètes ?
• quelle est la quantité de poussière autour de la comète, quelle est sa distribution en masse/taille ?
• quelles sont les quantités relatives de poussière et de gaz à proximité de la comète ?
• comment interagissent la comète et les particules chargées du vent solaire ?

Architecture de la mission

Trajectoire de la sonde Giotto.

Caractéristiques techniques de la sonde spatiale

La sonde spatiale avec le bouclier Whipple en bas.

La sonde spatiale Giotto est construite à partir des plans du satellite scientifique européen GEOS (étude de la magnétosphère) construit par British Aerospace pour réduire son coût et le délai des développements. Le satellite est modifié par l'ajout d'une antenne parabolique grand gain et d'un bouclier destiné à le protéger lors du survol de la comète. La sonde spatiale a la forme d'un cylindre de 1,86 mètre de diamètre et de 1 mètre de haut (2,96 mètres hors tout avec l'antenne grand gain) et d'une masse totale au lancement de 985 kg dont 374 kg pour le propergol solide utilisé pour l'injection sur sa trajectoire héliocentrique, 69 kg d'hydrazine utilisée pour les corrections d'orbite et le contrôle d'attitude et 59 kg d'instrumentation scientifique. À l'époque, c'est le plus gros engin spatial lancé par l'Agence spatiale européenne.

Giotto est construite autour d'un tube central en aluminium qui supporte trois plateformes circulaires : la plateforme supérieure sur laquelle est fixée l'antenne grand gain, la plateforme intermédiaire qui accueille l'avionique et quatre réservoirs d'hydrazine pour le contrôle d'attitude et la plateforme inférieure sur laquelle sont fixés les instruments scientifiques ainsi que le viseur d'étoiles utilisé pour déterminer l'orientation de Giotto. À l'intérieur du tube se trouve un moteur d'apogée à propergol solide MAGE 1S chargé d'injecter la sonde spatiale peu après son lancement sur son orbite héliocentrique. Après un usage unique, la tuyère du moteur est obturée par un couvercle pour empêcher des poussières cométaires de se frayer un chemin dans le corps du satellite lors du survol de Halley. Pour le protéger des micro-particules lors du survol de la comète Halley, un bouclier Whipple est ajouté : celui-ci, inventé par l'astronome américain Fred Whipple est constitué d'une première feuille d'aluminium de 1 mm puis, à une distance de 23 cm, d'une feuille de mylar de 1,2 cm d'épaisseur.

L'antenne parabolique grand gain est positionnée au sommet du satellite en faisant un angle de 44,3° avec l'axe du satellite pour pouvoir être pointée exactement vers la Terre (à 1° près pour ne pas rompre la liaison) au moment du survol de Halley. L'antenne est montée sur un cardan motorisé qui contrebalance exactement le mouvement de rotation de la sonde spatiale pour maintenir l'antenne pointée vers la Terre. L'antenne grand gain est surmontée d'une structure supportant une des deux antennes faible gain de la sonde spatiale ainsi que le magnétomètre. Les échanges de données avec la Terre se font en bande S et X avec un débit maximum au moment du survol de Halley de 29 kilobits par seconde. Il y avait une probabilité non négligeable que, malgré le bouclier, la sonde spatiale ne survive pas au survol, aussi les données recueillies étaient-elles transmises en temps réel et aucun système d'enregistrement n'était-il prévu. Le contrôle d'attitude est assuré par mise en rotation (satellite spinné). La vitesse de rotation est de 90 tours par seconde jusqu'à l'insertion du satellite sur sa trajectoire puis réduite à 15 tours par seconde. Le corps de la sonde spatiale est recouvert de cellules solaires qui fournissent 285 W en début de mission.

Instruments scientifiques

Les onze instruments scientifiques de Giotto

Instrument	Description	Objectifs	Performances	Masse	Puissance
HMC (Halley Multicolour Camera)	Caméra couleur		Caméra couleur longueur focale f/7,68 Télescope Ritchey-Chrétien résolution spatiale 22 m à une distance de 1 000 km	13,5 kg	11,5 W
NMS (Neutral Mass Spectrometer)	Spectromètre de masse neutre		Énergie et masse des atomes d'une masse atomique comprise entre 1 et 36. Énergie comprise entre 20 et 2 110 eV 62 μrad/pixel Résolution spectrale : λ/δλ ∼ 240 – 550	12,7 kg	11,3 W
IMS (Ion Mass Spectrometer)	Spectromètre de masse		Énergie et masse des ions	9 kg	6,3 W
PIA (Dust Mast Spectometer)	Spectromètre de masse	Masse et composition (1 à 110 masses atomiques) des particules de poussière		9,9 kg	9,1 W
DID (Dust Impact Detector)		Distribution de la masse des particules de poussière		2,3 kg	1,9 W
JPA (Johnstone Plasma Analyser)			Ions du vent solaire et de la comète de 10 eV à 20 keV, ions cométaires de 100 eV à 70 keV ayant une masse atomique de 1 à 40	4,7 kg	4,4 W
RPA (Rèle Plasma Analyser)			Ions du vent solaire et de la comète de 10 eV à 30 keV, ions de 1 à 200 masses atomiques	3,2 kg	3,4 W
EPA (Energetic Particles Analyser)		Image tridimensionnelle des protons (15-20 MeV), électrons (15–140 keV) et particules alpha (140 keV-12,5 MeV).		1 kg	0,7 W
MAG (MAGnetometer)	Magnétomètre		0,004-65 536 nanotesla	1,4 kg	0,8 W
OPE (Optical Probe Experiment)	Photo-polarimètre	Mesure de la brillance des bandes de la poussière et de gaz		1,32 kg	1,2 W
GRE (Radio Science)	Radio science

Déroulement de la mission

Lancement et transit

• lancement par une fusée Ariane 1 le 2 juillet 1985, depuis Kourou.
• trajet 150 millions de km parcourus en 8 mois.

Survol de la comète de Halley

• rencontre avec le noyau cométaire de Halley dans la nuit du 13 au 14 mars 1986 à 596 km.
• 12 000 impacts sont enregistrés au moment de la traversée de la chevelure. L'impact le plus violent, 7 secondes et demie avant que la sonde n'atteigne le point le plus rapproché de la comète, enverra celle-ci tournoyer sur elle-même et perdre momentanément le contact avec la Terre. La vitesse relative par rapport au noyau cométaire avoisinait alors les 68 km/s.
• mise en hibernation le 2 avril 1986.

Survol de la comète Grigg-Skjellerup

• sonde réactivée le 19 février 1990.
• retour le 2 juillet 1990 vers la Terre, que la sonde rase à une distance de 22 730 km, afin de changer son orbite par assistance gravitationnelle.
• remise en hibernation.
• rendez-vous le 9 juillet 1992 avec une seconde comète : 26P/Grigg-Skjellerup à 215 millions de km de la Terre.

Résultats scientifiques

timbre de l'Allemagne de l'Ouest émis en 1986 pour célébrer le survol de la comète par la sonde Giotto.

Les images permirent de constater que le noyau de la comète avait la forme d'une cacahuète sombre, longue de 15 km dont la largeur était comprise entre 7 et 10 km. Seuls 10 % de la surface étaient actifs avec 3 jets de dégazage du côté du Soleil. Les analyses montrèrent que la comète formée il y 4,5 milliards d'années était composée de volatils (essentiellement de l'eau) qui s'étaient condensés sous forme de poussière interstellaire. La comète était restée pratiquement inchangée depuis sa création.

Le matériau éjecté par la comète était composé de :

• 80 % d'eau ;
• 10 % de monoxyde de carbone ;
• 2,5 % d'un mélange de méthane et d'ammoniac ;
• d'autres hydrocarbures, du fer, et du sodium furent trouvés sous forme de traces.

Giotto permit de découvrir que le noyau était plus sombre que du charbon ce qui était sans doute dû à l'épaisseur de la couche de poussière.

La surface du noyau était accidentée et poreuse avec une densité du noyau faible de l'ordre de 0,3 gramme/cm³. L'équipe de Sagdeev l'estima à 0,6 g/cm³ mais SJ Peale précisa que toutes les estimations comportaient de telles erreurs de mesure qu'elles ne pouvaient pas être considérées comme fiables.

La quantité de matériel éjecté était de 3 tonnes par seconde par l'intermédiaire de 7 jets ce qui déclenchait une oscillation de la comète avec une longue périodicité.

La poussière éjectée avait la taille de particules de fumée de cigarette, dont la masse était comprise entre 10 × 10⁻²⁰ kg et 40 × 10⁻⁵ kg. Bien que la masse de la particule qui envoya la sonde tournoyer n'ait pas été mesurée, elle fut estimée entre 0,1 et 1 gramme d'après les effets produits.

Il existait deux types de poussière :

• l'une composée d'un mélange de carbone, d'hydrogène, d'azote et d'oxygène ;
• l'autre avec du calcium, du fer, du magnésium et du sodium.

La distribution statistique des éléments légers à l'exclusion de l'azote (hydrogène, carbone et oxygène) était la même que celle du Soleil. En conséquence, la comète était composée des éléments les plus primitifs du système solaire.

Le spectromètre de masse à plasma et à ions montra que la surface de Halley était riche en carbone.

Premières

La sonde Giotto a à son actif plusieurs premières :

• première mission spatiale européenne en espace lointain ;
• premières photographies rapprochées d'un noyau cométaire, celui de la comète de Halley ;
• première sonde spatiale dont l'orbite a été modifiée par appui gravitationnel terrestre ;
• record de passage à proximité d'un noyau cométaire : à 200 km de 26P/Grigg-Skjellerup ;
• seule sonde à avoir croisé deux comètes ;
• a trouvé des traces de matière organique dans le noyau cométaire ;
• première sonde à être réactivée après avoir été placée en sommeil.

Les suites du programme Giotto

Giotto a apporté de nombreuses réponses mais a également soulevé de nouvelles questions. Quelques semaines avant le lancement de Giotto, les planétologues européens se sont réunis à Zurich pour préparer le programme scientifique à long terme de l'Agence spatiale européenne baptisé Horizon 2000. Parmi les projets sélectionnés figuraient une mission de retour d'échantillons de comète baptisée Comet-Nucleus Sample Return (CNSR) qui devait constituer la suite de Giotto. Le projet devait être développé avec la NASA mais après le retrait de cette agence spatiale au milieu des années 1990, les caractéristiques de la mission, désormais uniquement européenne et rebaptisée Rosetta, changent. Il s'agit désormais d'un orbiteur avec un petit atterrisseur. La mission est lancée en 2004 et se place en orbite autour de la comète 67P/Tchourioumov-Guérassimenko en 2014. La NASA développe de son côté trois missions à coût réduit dans le cadre de leur programme Discovery : Stardust, lancée en 1999, survole à 240 km la comète Wild 2 en 2004 et ramène sur Terre des échantillons de sa queue en 2006. CONTOUR, chargée de survoler au moins deux comètes, est victime d'une défaillance de sa propulsion principale peu après son lancement en 2002. Enfin, Deep Impact lancée en 2005 envoie un projectile sur la comète Tempel 1 pour étudier les débris soulevés par l'impact.

Origine du nom

Giotto rappelle le peintre florentin (Italie) Giotto di Bondone qui, sur une fresque représentant l'« Adoration des mages », a illustré "l'étoile de Bethléem" sous forme d'une comète. Il fut inspiré par le passage en 1301 de la comète de Halley.

Notes et références

Sources

• (en) Paolo Ulivi et David M. Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 2 Hiatus and Renewal 1983-1996, Springer Praxis, 2009 (ISBN 978-0-387-78904-0)
  Historique des missions interplanétaires de 1982 à 1996

Voir aussi

Articles connexes

Comète

• Comète de Halley
• Comète

Missions spatiales

• Vega 1, Vega 2, Sakigake et Suisei les autres engins spatiaux formant "l'armada" de Halley
• Rosetta Mission européenne successeur de Giotto

Liens externes

• (en) Site officiel (ESA)
• (en) Article tiré du bulletin de l'ESA de février 2006
• (en) Fiche sur la mission (ESA)
• (en) Liste d'articles scientifiques publiés dans Nature sur les résultats scientifiques des missions
• (fr) La brève mais incroyable rencontre de Giotto, sur le site de l'ESA, le 13 mars 2006
• [vidéo] GIOTTO - Le PARI FOU de l'ESA ! LDDE sur YouTube chaîne de Hugo Lisoir.