Anomalie de survol planétaire

Les explorations du système solaire ont systématiquement recours à l’assistance gravitationnelle. Le succès de ces manœuvres de survol dépend des paramètres précis de la trajectoire, c’est pourquoi la position et la vitesse du vaisseau sont relevées en permanence pendant le survol d’une planète par le Deep Space Network (DSN, réseau de communications avec l'espace lointain).

Représentation des anomalies pendant le survol terrestre de NEAR

On a observé une première anomalie de survol grâce à une étude attentive des données DSN par Doppler peu après le survol de la Terre par la sonde Galileo le 8 décembre 1990. Alors que ce qui est appelée différence Doppler (valeur observée moins valeur calculée par ordinateur), devait être nulle, l’analyse a révélé une différence inattendue de 66 mHz ce qui correspond à une augmentation de vitesse de 3,92 mm/s au périgée. Les recherches menées sur cette anomalie par le Jet Propulsion Laboratory (JPL), le Centre de vol spatial Goddard (GSFC) et par l’Université du Texas n’ont encore débouché sur aucune explication satisfaisante.

Aucune anomalie de ce type n'a été détectée après le deuxième survol de la Terre par la sonde Galileo, en décembre 1992, où la diminution de la vitesse mesurée correspondait à celle attendue du fait de la traînée atmosphérique à la plus basse altitude de 303 km. Cependant, les estimations de traînée avaient de grandes barres d'incertitude, et une accélération anormale ne pouvait donc pas être exclue[2].

Le 23 janvier 1998, la vitesse de la sonde spatiale NEAR (Near Earth Asteroid Rendezvous) a augmenté anormalement de 13,46 mm/s après sa rencontre avec la Terre. La sonde Cassini–Huygens a gagné environ 0,11 mm/s en août 1999 et Rosetta, 1,82 mm/s après son survol de la Terre en mars 2005.

Une analyse de la sonde spatiale MESSENGER (qui étudie Mercure) n'a révélé aucune augmentation significative de la vitesse attendue. Cela peut être dû au fait que MESSENGER s’est approché et a quitté la Terre de manière symétrique par rapport à l’équateur (voir les données et l’équation proposée ci-dessous). Ceci suggère que l'anomalie pourrait être liée à la rotation de la Terre.

En novembre 2009, l'engin spatial Rosetta de l'ESA a été suivi de près pendant son survol terrestre en mesurant précisément sa vitesse, ceci afin de rassembler des données supplémentaires sur l'anomalie, mais aucune anomalie significative n'a été trouvée[3] - [4].

Le survol terrestre de Juno en 2013, en chemin pour Jupiter, n'a donné aucune accélération anormale[5].

En 2018, une analyse minutieuse de la trajectoire de l’astéroïde interstellaire 1I/ʻOumuamua a révélé un léger excès de vitesse lorsqu’il s’éloignait du Soleil. Les spéculations initiales ont suggéré que l'anomalie était due au dégazage, bien qu'aucun n'ait été détectée[6].

Un résumé pour quelques engins spatiaux ayant survolé la Terre est présenté dans le tableau ci-dessous[3] - [7].

BepiColombo et ses survols terrestres, prévus pour avril 2020, font partie des missions à venir à ce sujet.

Certaines missions conçues pour étudier la gravité, telles que STEP, effectueront une mesure de la gravité extrêmement précise et pourraient éclaircir l'anomalie[11].

Une équation empirique pour le changement anormal de vitesse de survol a été proposée par JD Anderson et al .:

${\displaystyle {\frac {dV}{V}}={\frac {2\omega _{\text{E}}R_{\text{E}}(\cos \varphi _{\text{i}}-\cos \varphi _{\text{o}})}{c}},}$

où ω_E est la fréquence angulaire de la Terre, R_E est le rayon de la Terre et φ_i and φ_o sont les angles équatoriaux entrant et sortant de l'engin spatial[12]. Cette formule a été dérivée plus tard par Jean Paul Mbelek de la relativité restreinte, conduisant à l’une des explications possibles de l’effet[13]. Cela ne prend toutefois pas en compte les écarts relevés par l'USSSN - voir "Explications possibles" ci-dessous.

Un certain nombre d'explications ont été proposées concernant l'anomalie de survol, notamment :

• L'effet Doppler transversal non pris en compte - c'est-à-dire le décalage vers le rouge de la lumière reçue due une vitesse radiale nulle et une vitesse tangentielle non nulle[13]. Cependant, cela ne peut pas expliquer l'anomalie dans toute la gamme des données disponibles.

• Un halo de matière noire autour de la Terre[14].

• Une modification de l'inertie résultant d'un effet Casimir, liée à l'effet Unruh et à la Quantized inertia[15].

• L'impact de la relativité générale, sous sa forme linéarisée et à champ faible, produisant des phénomènes gravitoélectriques et gravitomagnétiques dus à l'Effet Lense-Thirring, a également été étudié[16] : cela n'a pas expliqué les anomalies de survol.

• L'explication classique de la gravité retardée proposée par Joseph C. Hafele[17].

Plage des écarts pour le survol de NEAR relevés par le USSSN

• L'excès de retard proportionnel à la portée du signal de télémesure révélé par les données de distance du réseau de surveillance spatiale des États-Unis lors du survol de NEAR[18]. Ce retard, qui tient compte de l'anomalie dans les données Doppler et de distance, ainsi que des oscillations Doppler restantes, à 10-20% près, indique des modes de modulation de fréquence en réception dus au taux Doppler, prédisant une anomalie positive uniquement lorsque le suivi par DSN est interrompu autour du périgée, et une anomalie nulle ou négative si le suivi est effectué en continu. Aucune anomalie ne devrait survenir en Doppler suivi par des stations non DSN[19].

• L'action d'un courant de torsion topologique prédisant des anomalies de survol dans la direction rétrograde, mais avec effet nul lorsque des engins spatiaux s'approchent de la planète dans une direction posigrade par rapport au sens de rotation de la planète[20].

• L'étude du survol de Juno a permis d'examiner les erreurs d'analyse qui pourraient potentiellement ressembler à une anomalie du survol. Ils ont constaté qu'un champ de gravité de haute précision (au moins 50×50 degrés/ordre [ préciser ]) était nécessaire pour des prévisions de survol précises. L'utilisation d'un champ de gravité de moindre précision générerait une erreur de vitesse de 4,5 mm/s[5].

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Flyby anomaly » (voir la liste des auteurs).