Genesis (sonde spatiale)

La reconstitution de la composition de la nébuleuse solaire à l'origine de notre système solaire passe par la mesure des ratios isotopiques et la composition en éléments chimiques du Soleil. Cette méthode repose sur un consensus autour d'un modèle standard concernant l'origine des matériaux ayant formé les planètes. Selon ce modèle[2] :

• les matériaux planétaires sont issus d'une nébuleuse solaire de composition homogène ;
• la composition en éléments chimiques de cette nébuleuse a été préservée dans la photosphère c'est-à-dire des couches superficielles du Soleil à l'exception des proportions de deutérium et de lithium ;
• depuis que les planètes du système solaire se sont formées seule une partie pour mille ou moins de la matière qui les compose a subi un fractionnement isotopique, c'est-à-dire un changement dans sa composition isotopique résultant de processus physico-chimiques. Aussi globalement la composition en éléments chimiques est identique dans tout le système solaire et est donc semblable aux valeurs mesurées sur la Terre.

L'analyse de la photosphère peut donc permettre de raffiner le modèle standard de formation du système solaire et également, ce qui est encore plus important, d'en vérifier la justesse[2].

Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés en permanence depuis la haute atmosphère du Soleil au rythme d'un million de tonnes par seconde. On distingue trois régimes de vent solaire caractérisés par des compositions et des régions d'origine différentes[3] - [4] :

• le vent solaire lent relativement constant qui se déplace à la vitesse de 300 km/s et est émis depuis les régions du Soleil situées près du plan de l'écliptique ;
• le vent solaire rapide qui provient des régions situées à des latitudes plus hautes et se déplace à une vitesse comprise entre 500 et 800 km/s. Il est surtout émis lorsque l'activité solaire est importante ;
• un régime transitoire associé aux éjections de masse coronale.

Le matériau du vent solaire qui est éjecté dans l'espace interplanétaire, provient de la photosphère. Or la composition de celle-ci est identique à celle de la nébuleuse solaire à partir de laquelle le système solaire s'est formé. La collecte d'échantillons du vent solaire est donc une méthode pratique pour déterminer à la fois la composition du Soleil et celle de la nébuleuse d'origine. Toutefois les composants du vent solaire subissent un processus de fractionnement lorsqu'ils sont éjectés du Soleil. Celui-ci modifie en partie la composition du vent solaire. L'ampleur des transformations dépend du First Ionization Time (FIT) et peut-être également de la masse et de la charge électrique. Pour déterminer la composition originale de la photosphère, il faut donc appliquer des corrections aux mesures d'abondance en éléments chimiques du vent solaire. La valeur de ces corrections a été établie à l'aide des données recueillies par les observatoires spatiaux solaires Ulysses, WIND, SoHO et ACE. En mesurant de manière différenciée la composition du vent solaire durant ses trois régimes, Genesis devrait permettre de vérifier la validité des corrections apportées aux mesures[4].

Schéma 1 : ratio des isotopes de l’azote ¹⁵N/¹⁴N (en bleu) mesuré en différents endroits du système solaire (Écart par rapport au ratio actuel sur Terre). Les mesures effectuées par les sondes spatiales SoHO et Galileo présentent une incertitude indiquée par les barres inférieure et supérieure[5].

La mesure du ratio des isotopes de l’azote ¹⁵N/¹⁴N illustre l'apport essentiel d'une mission permettant de ramener sur Terre pour analyse des échantillons du vent solaire. Le ratio des isotopes de l’azote a été évalué avant le lancement de la mission Genesis dans plusieurs « réservoirs » d'azote répartis dans le système solaire en utilisant plusieurs méthodes (Schéma 1). Des différences allant de -50 % à +150 % ont été relevées par rapport au ratio mesuré sur Terre (toutefois de nombreuses incertitudes pourraient affecter la précision des résultats). Pour certaines de ces valeurs aucune explication n'est compatible avec le modèle d'une nébuleuse solaire dont la composition isotopique serait homogène[6] :

• le ratio des isotopes sur Terre, avant que le processus d'échappement originel ne se produise, est déduit de mesures du ratio des isotopes du néon ²²Ne/²⁰Ne du vent solaire. Ces dernières données résultent d'une expérience effectuée par les équipages du programme Apollo sur le sol lunaire (cf. paragraphe suivant). Le ratio des isotopes de l'azote est déduit de celui du néon en partant de l'hypothèse que le taux d'échappement du néon et de l'azote sont étroitement corrélés. En partant de cette hypothèse, la valeur du ratio de l'azote à l'origine serait de -25 % inférieure au ratio actuel avec toutefois de grandes incertitudes sur la précision ;
• les différents échantillons du régolite lunaire ramenés par les équipages du programme Apollo présentent des ratios très différents entre eux (de -20 % à +20 % par rapport au ratio terrestre moderne) qui seraient le reflet selon certaines théories d'une évolution dans le temps du ratio isotopique du vent solaire. Le ratio le plus bas correspondrait à des sols anciens tandis que les ratios élevés seraient le reflet du vent solaire actuel ;
• le ratio dans l'atmosphère de Jupiter a été mesuré par la sonde spatiale Galileo. Compte tenu des incertitudes de la mesure, il est au minimum de 30 % inférieur au taux actuel sur Terre.

Les ratios de l'ancienne Terre, des terrains anciens de la Lune et de l'atmosphère de Jupiter sont compatibles avec le modèle d'une nébuleuse à la composition homogène (autour de -30 % par rapport au ratio actuel de la Terre). Mais les mesures effectuées sur le vent solaire (reflets donc de la nébuleuse originelle) réalisées par la sonde spatiale SoHO aboutissent à un ratio proche de +20 % par rapport à celui de la Terre. Cette mesure pourrait être le résultat de l'évolution séculaire du ratio expliquant la disparité des valeurs relevées dans le régolite lunaire. Mais aucune théorie ne permet de rendre compte de cette évolution du ratio isotopique du vent solaire. Si Genesis confirme les mesures de SoHO, il faudrait donc envisager que les matériaux des planètes solaires internes et externes étaient très hétérogènes. Une très grande amplitude des ratios est également observée dans les météorites (jusqu'à +150 %). Ces variations ne peuvent s'expliquer par la présence de matériaux dont l'origine serait antérieure à la formation de la nébuleuse solaire car ceux-ci ne représentent qu'une toute petite fraction de l'azote présent[7].

Pour ramener des échantillons du vent solaire il faut pouvoir capturer une quantité significative de ces particules dans des conditions permettant de préserver les proportions des différents éléments qui le composent. Malgré leur vitesse élevée, les ions du vent solaire peuvent être capturés par des collecteurs avec une déperdition réduite qui peut être évaluée avec précision. L'utilisation de ce type de collecteur a déjà été testée avec succès dans le cadre des missions du programme Apollo. Mais le manque de pureté des collecteurs utilisés à l'époque ainsi que le temps d'exposition très court (deux jours à la surface de la Lune), n'ont permis d'obtenir des résultats que pour quelques éléments chimiques (hélium, néon ainsi que l'isotope 36 de l'argon). Avec une durée d'exposition 100 fois plus longue et des collecteurs réalisés dans des matériaux plus purs, Genesis devrait permettre d'améliorer la précision de la mesure de la composition isotopique et l'étendre à de nombreux autres éléments chimiques[8].

La plateforme comprend l'interface avec le lanceur, les batteries, les viseurs d'étoiles et capteurs solaires, les propulseurs et deux réservoirs sphériques contenant en tout 142 kg d'hydrazine utilisé pour les corrections de trajectoire et d'orientation. Deux panneaux solaires déployés dans l'espace s'étendent de part et d'autre de la plateforme et portent l'envergure de la sonde spatiale à 6,5 mètres. Ils fournissent en moyenne 281 watts de puissance électrique. La sonde spatiale dispose de deux jeux de propulseurs. La première série est constituée de deux ensembles de moteurs-fusées de 0,88 newton de poussée. Ils sont utilisés pour les petites corrections orbitales et pour maintenir la rotation de la sonde autour de son axe. Le deuxième jeu de moteurs-fusées est constitué de 4 propulseurs de 22 newtons de poussée qui sont utilisés pour les corrections de trajectoire les plus importantes. Lorsque ces derniers sont mis en œuvre, la capsule est fermée pour éviter toute contamination des collecteurs. Tous ces propulseurs brûlent de l'hydrazine mis sous pression par de l'hélium[16]. Le système de télécommunications de Genesis est constitué d'un émetteur-récepteur radio fonctionnant en bande S et d'un second fonctionnant en bande UHF. Ce dernier est situé dans la capsule et permet à celle-ci de signaler sa position lors de son retour sur Terre. L'émetteur récepteur principal utilise une antenne moyen gain en forme de spirale et 3 antennes patch faible gain situées sous la sonde spatiale[16].

La capsule de Genesis contenant les collecteurs et les échantillons de vent solaire se présente sur le plan géométrique comme deux cônes attachés par leur base. La capsule a un diamètre de 1,62 mètre et une masse de 205 kilogrammes. Elle comprend 5 sous-ensembles : le bouclier thermique recouvrant la coque avant, la coque arrière, le boitier scientifique contenant les collecteurs de vent solaire, le système de parachutes et l'avionique. La capsule comporte un couvercle articulé : à l'intérieur le boitier scientifique qui contient les collecteurs dispose lui-même d'un couvercle articulé. Quatre des collecteurs y sont empilés et pivotent sur un axe commun : le collecteur le plus haut est systématiquement exposé au vent solaire tandis que l'un des trois autres est déployé en fonction de la vitesse du vent solaire pour pouvoir analyser la composition du vent solaire en fonction de son régime. La structure de la capsule est réalisée en composite carbone-carbone et recouverte d'un matériau ablatif baptisé SLA-656 qui forme un bouclier thermique durant la rentrée atmosphérique. 99 % de la chaleur créée par la traversée de l'atmosphère à grande vitesse est dissipée par évaporation du SLA-656. La capsule dispose de deux parachutes : le premier dit pilote a un diamètre de 2,1 mètres et est déployé alors que la capsule a encore une vitesse supersonique. Le second, qui est de type parafoil, fait 10,5 mètres de large sur 3,1 mètres et doit réduire la vitesse de 12 m/s à 4 m/s[17].

Schéma 3 : les principaux composants de la sonde spatiale.

Un des cinq collecteurs principaux des particules de vent solaire avant son installation.

La charge utile, sous-ensemble de la sonde spatiale chargé de remplir les objectifs scientifiques, comprend plusieurs collecteurs de particules de différents types contenus dans une capsule qui doit revenir sur Terre. Par ailleurs deux spectromètres sont chargés de déterminer le régime du vent solaire et de collecter des données sur celui-ci qui seront exploitées pour différentes études postérieures à la mission.

Les collecteurs utilisent des matériaux d'une très grande pureté qui sont exposés au vent solaire pour recueillir les ions qui constituent celui-ci avant d'être ramenés sur Terre pour que ces particules soient analysées. Durant la mission les collecteurs sont exposés face à la direction du vent solaire et les ions viennent frapper leur surface avant de pénétrer à plus ou moins grande profondeur. Quinze types de matériau ont été utilisés pour permettre la capture de la majeure partie des éléments chimiques. La moitié de la surface des collecteurs est faite de silicium. Les collecteurs sont installés à différents endroits dans la capsule. Certains collecteurs ne sont exposés que pour certains régimes de vent solaire. Tous les collecteurs, sauf un, fonctionnent de manière passive[18] :

• les cinq collecteurs principaux, de la taille d'une roue de bicyclette, sont constitués d'une structure supportant 54 à 55 galettes de forme hexagonale de 10 cm de diamètre réalisés dans 15 différents types de matériau purifié dont l’aluminium, le corindon, le silicium, le germanium, l'or et le carbone dans une forme amorphe adamantine (en). Chaque type de galette a la capacité de capturer certains des ions du vent solaire : ainsi la galette en corindon est utilisée pour capturer les atomes de sodium tandis que les galettes contenant du silicium (la moitié des galettes environ) ne retiennent pas le sodium mais capturent de nombreux autres éléments chimiques dont le magnésium. Deux des collecteurs sont exposés en permanence tandis que les trois autres ne sont déployés que pour un des trois régimes de vent solaire[19] ;
• le concentrateur de vent solaire est un collecteur actif qui concentre le flux d'ions lourds (masse atomique 4 à 25) d'un facteur 20 en utilisant les forces électromagnétiques puis les projette sur une cible de 6,2 cm de diamètre. Celle-ci est constituée d'un matériau contenant moins de 10 % des atomes lourds qui doivent être collectés et qui est notamment appauvri en oxygène. De forme hémisphérique le concentrateur utilise des grilles en matériau conducteur très fines sur lesquelles est appliquée une tension électrique élevée. Ce dispositif permet à la fois de faire converger les atomes dont la collecte est souhaitée et de rejeter les atomes les plus légers (hydrogène et hélium) qui constituent 90 % du vent solaire[20] - [21] ;
• le collecteur à feuillet en or est utilisé pour tous les régimes de vent solaire[22] ;
• le collecteur en aluminium ;
• le collecteur en verre métallique[23].

Les spectromètres GIM (Genesis Ion Monitor) et GEM (Genesis Electron Monitor), qui sont fixés sur la plateforme, ont pour objectif principal de déterminer les caractéristiques du vent solaire afin d'adapter les dispositifs collecteurs. Ils déterminent le spectre énergétique des particules incidentes. La tension électrique appliquée au concentrateur de vent solaire (décrit ci-dessous) est modifiée en fonction de cette mesure. Celle-ci est également utilisée pour déterminer lequel des trois collecteurs mobiles doit être déployé. Enfin un objectif secondaire est de fournir des données de grande qualité sur les caractéristiques du vent solaire utilisables pour des études scientifiques. GIM permet de mesurer l'énergie des ions ayant une énergie comprise entre 100 eV et 14 keV avec une précision de 5,2 %. GEM mesure l'énergie des électrons lorsque celle-ci est comprise entre 1 et 1 400 eV avec une précision de 14 %[25] - [26].

• Charge utile
• 
  Instrument GEM.
• 
  Instrument GIM.
• 
  Gros plan sur un des cinq collecteurs.

La sonde spatiale Genesis est lancée par une fusée Delta II 7326, le 8 août 2001 depuis la base de Cap Canaveral, en Floride[27]. Après un transit de 1,5 million de km durant lequel les instruments et équipements de la sonde sont testés[28], Genesis se place le 16 novembre sur une orbite de halo autour du point de Lagrange L₁ entre la Terre et le Soleil. Dans cette région de l'espace les attractions terrestre et solaire s'équilibrent[29]. Le 3 décembre la sonde spatiale déploie pour la première fois ses collecteurs et commence à récolter les particules solaires[30]. La sonde effectue cinq révolutions du 3 décembre 2001 au 1^er avril 2004, soit durant 884 jours, les différents collecteurs sont exposés au vent solaire. Ils collectent 10²⁰ ions, soit environ 0,4 mg de matière[31].

Le 22 avril 2004, Genesis réalise la première des cinq manœuvres destinées à ramener la sonde spatiale à proximité de la Terre[32]. La phase de 30 jours qui précède le retour de la capsule d'échantillons sur Terre débute le 9 août. Pour que la capsule puisse être récupérée, il faut qu'elle pénètre dans l'atmosphère de la Terre le 8 septembre à 16 h 55 UT à 125 km d'altitude en visant une ellipse de 33 km de long pour 10 km de large. Quelques heures avant cet événement, l'équipe chargée de la conduite des opérations estime que la sonde spatiale est sur une trajectoire correcte et transmet une série de commandes qui doit aboutir à la séparation de la sonde spatiale et de la capsule 4 heures avant la rentrée atmosphérique[33]. La sonde spatiale pénètre dans l'atmosphère terrestre à une vitesse de 11 km/s. Après avoir survécu à la phase de décélération violente, la sonde fortement ralentie doit déployer un parachute pilote puis le parachute principal. Mais ni l'un ni l'autre ne s'ouvrent et la capsule s’écrase dans le désert de l'Utah, percutant le sol à la vitesse de 311 km/h. La capsule est retrouvée à moitié enfoncée dans le sol : elle a été éventrée par le choc et le boitier scientifique s'est lui-même ouvert exposant les collecteurs à l'air libre. Ceux-ci sont contaminés à la fois par des fragments du sol avoisinant et par des morceaux du bouclier thermique ainsi que d'autres composants de la capsule[34]. La sonde allégée de la capsule poursuit sa trajectoire vers le point de Lagrange L₁. Tous les équipements sont en parfait état de marche et la sonde s'oriente automatiquement de manière que ses panneaux solaires lui fournissent l'énergie dont elle a besoin. Les deux spectromètres, bien qu'en parfait état de marche, sont éteints. Une dernière correction de trajectoire est effectuée le 6 novembre pour s'assurer que la sonde spatiale échappe à l'attraction du système Terre-Lune. Aucun prolongement de mission n'ayant été financé, la sonde spatiale est depuis le 1^er février 2005 sur une orbite héliocentrique à une distance plus proche du Soleil que la Terre[35].

Malgré le choc très violent qui a brisé la majeure partie des différents collecteurs et les a contaminés, les scientifiques décident de tenter de récupérer les échantillons de vent solaire. La première tâche de l'équipe projet est d'identifier les débris, d'évaluer le niveau de contamination jusqu'au niveau moléculaire et de fournir une description détaillée des dommages induits par l'abrasion physique, les réactions chimiques et d'autres processus[34] :

• les cinq grands collecteurs sont particulièrement endommagés. Sur les 270 galettes qui s'y trouvaient, seule une galette en corindon est récupérée intacte, à laquelle s'ajoutent quelques moitiés de galette. La plupart d'entre elles ont été brisées en multiples fragments dont beaucoup ont moins de 5 mm de côté. Quelques fragments sont restés attachés à leur structure mais la majeure partie d'entre eux ne peuvent plus être associés à leur support ;
• la cible du concentrateur a particulièrement bien supporté le choc : sur les quatre quadrants, trois sont intacts. Le quatrième, fait de silicium, est partiellement brisé avec quatre fragments représentant 85 % de la surface, le solde ayant été pratiquement entièrement identifié parmi les débris des autres collecteurs. De plus la cible est faiblement contaminée ;
• le collecteur en or est également pratiquement intact et faiblement ou pas du tout contaminé ;
• le collecteur en aluminium a subi des dommages physiques très importants et a été fortement contaminé par le sol du désert. De plus ce collecteur a peut-être subi une contamination dans l'espace ;
• le petit collecteur en verre métallique a été récupéré pratiquement intact.

• L'évaluation des dommages
• 
  Les collecteurs déformés par le choc sont extraits de la capsule après leur retour sur Terre.
• 
  Fragments des collecteurs rassemblés par type de matériaux.
• 
  La cible du concentrateur qui est pratiquement intacte est désassemblée après son retour sur Terre.

L'équipe projet s'est retrouvée avec 15 000 morceaux de galette dont de nombreux particulièrement petits[Note 3]. Les échantillons de vent solaire sont enfouis à une faible profondeur dans les galettes des collecteurs (à partir de 20 nanomètres) mais celle-ci est jugée suffisante pour obtenir des résultats non perturbés par la contamination subie à l'atterrissage. Il faut toutefois parvenir au préalable à éliminer les saletés qui ont recouvert la surface. Plusieurs méthodes sont testées sur des échantillons considérés comme perdus comme l'utilisation d'ondes acoustiques à très haute fréquence. Ce travail de nettoyage s'est poursuivi sur plusieurs années[36].

: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• (en) D.S. Burnett et al., « The Genesis Discovery mission : return of solar matter », Space Science Reviews, vol. 105,‎ 2003, p. 509-534
  Présentation des caractéristiques de la mission par l'équipe scientifique
• (en) Jane E. Nordholt et al., « The Genesis solar wind concentrator », Space Science Reviews, vol. 105,‎ 2003, p. 561–599
  Présentation du concentrateur des ions du vent solaire
• (en) A.J.G. Jurewicz et al., « The Genesis solar wind collector materials », Space Science Reviews, vol. 105,‎ 2003, p. 535–560
  Présentation du collecteur des particules de vent solaire
• (en) B.L. Barraclough et al., « The plasma ion and electron instruments for Genesis mission », Space Science Reviews, vol. 105,‎ 2003, p. 627-660
  Présentation des détecteurs de ions et électrons du plasma

• (en) R.C. Wiens et al., « Solar and Solar-Wind Composition Results from the Genesis Mission », Space Science Reviews, vol. 130,‎ 2007, p. 161-171
  Présentation des résultats obtenus début 2007

• (en) NASA, Genesis Launch : press kit, 2001, 1-42 p. (lire en ligne)
  Dossier de presse pour le lancement de Genesis.
• (en) NASA, Genesis sample return : press kit, 2004, 1-41 p. (lire en ligne)
  Dossier de presse pour le retour de la capsule de Genesis.
• (en) NASA, Genesis : Mishap investigation board report volume I, 2005, 1-231 p. (lire en ligne). 
  Rapport de l'enquête sur la défaillance de la capsule de Genesis.

• (en) Paolo Ulivi et David M Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 3 Wows and Woes 1997-2003, Springer Praxis, 2012, 529 p. (ISBN 978-0-387-09627-8, lire en ligne). 
  Description détaillée des missions (contexte, objectifs, description technique, déroulement, résultats) des sondes spatiales lancées entre 1997 et 2003.

• Vent solaire
• Isotope, fractionnement isotopique, abondance naturelle
• Formation et évolution du Système solaire, nébuleuse solaire
• Mission de retour d'échantillon
• Abondance d'un élément chimique
• Soleil
• Stardust : mission de retour d'échantillon de comète et de poussières interstellaires

• (en) Site officiel