Hera (mission spatiale)

Les objets géocroiseurs sont des corps célestes (astéroïde, comète) dont l'orbite autour du Soleil coupe celle de la Terre et qui peuvent donc, dans un délai plus ou moins lointain, s'écraser sur la Terre. Leur impact provoque des dégâts qui dépendent principalement de leur taille, de leur densité, de leur vitesse, de l'incidence de leur trajectoire et de la zone terrestre frappée. La probabilité d'un impact d'astéroïde de taille importante sur la Terre est basse mais ses conséquences sur la société peuvent être particulièrement graves.

Les objets géocroiseurs plus nombreux, qui frappent régulièrement la Terre, ont un diamètre inférieur à 30 mètres et ont une probabilité faible de provoquer une catastrophe. Au-delà d'un diamètre de 30 mètres, l'impact d'un objet géocroiseur peut aller de l'anéantissement d'une ville à celui de la civilisation humaine (objet de plus de 1 000 mètres de diamètre). L'impact d'un objet géocroiseur présentant une menace grave est statistiquement rare (la fréquence d'impact d'un objet de plus de 1 000 mètres est d'environ 1 tous les 500.000 ans).

Depuis qu'elle est identifiée de manière scientifique, la menace des objets géocroiseurs a été négligée par la société car une collision avec la Terre d'un astéroïde de taille conséquente est perçue comme un phénomène très rare. Mais entre le 16 et le 22 juillet 1994 les fragments de la comète Shoemaker-Levy 9 s'écrasent de manière spectaculaire sur la planète géante Jupiter. Un impact du même ordre de grandeur sur la Terre aurait eu des conséquences planétaires aux effets similaires à ceux ayant conduit à l'extinction des dinosaures. La menace est désormais tangible et contemporaine. Ce sont les États-Unis qui vont les premiers la prendre en compte en développant des mesures relevant de ce qui sera baptisé par la suite la défense planétaire (planetary defense)[1].

Le Congrès américain, sensibilisé par l'impact de la comète Shoemaker-Levy 9 sur la planète géante Jupiter et conseillé par plusieurs scientifiques dont Eugene Shoemaker, prend en 1998 une première mesure destinée à évaluer le danger. Il inscrit dans les objectifs de l'agence spatiale américaine (la NASA) la détection de 90% des objets géocroiseurs ayant plus d'un kilomètre de diamètre. La NASA dispose de 10 ans pour les recenser et déterminer leurs trajectoires et leurs principales caractéristiques[1]. En 2005 le Congrès élargit la mission de la NASA en l'étendant aux objets géocroiseurs de plus de 140 mètres de diamètre. La NASA dispose de 15 ans pour atteindre ce but (date butoir 2020) mais le budget accordé par le Congrès est insuffisant pour réaliser cet objectif dans le délai imparti[2] - [3]. Au cours des années suivantes, la NASA finance plusieurs projets de télescopes terrestres (Catalina Sky Survey, Pan-STARRS, LSST...) et spatiaux (NEOWISE) ayant pour objectif d'effectuer ce recensement indispensable pour évaluer la menace et la prévenir. Pour les géocroiseurs plus grands qu'1 km, le but a été atteint mais, pour ceux plus petits, l'objectif calendaire prend beaucoup de retard puisque, en 2019, seuls 1,6 % des géocroiseurs d'une taille supérieure à 30 mètres (16 000 sur un nombre estimé à environ un million) et 31% des géocroiseurs de plus de 140 mètres de diamètre (environ 5 000 sur 16 000) avaient été identifiés[4]. Un télescope spatial destiné à ce recensement, NEO Surveyor, doit être lancé en 2026.

Courant 2021 (avril) aucun des astéroïdes identifiés et dont l'orbite est connue ne présente une menace pour la Terre. La menace viendra donc d'astéroïdes qui n'ont pas encore été découverts[5].

Il n'existe courant 2021 aucune méthode opérationnelle permettant de détourner un objet géocroiseur qui menacerait d'entrer en collision avec la Terre. Plusieurs techniques sont envisagées mais elles nécessitent d'être testées. Généralement il s'agit de modifier légèrement l'orbite de l'objet géocroiseur en appliquant une poussée sur le corps céleste de manière que celui-ci évite la Terre. Si la poussée est ponctuelle, il faut appliquer celle-ci lorsque le corps se trouve près de son aphélie (apogée). On peut également choisir d’exercer une poussée plus faible mais continue. Plus on anticipe la correction de la trajectoire, moins celle-ci a besoin d'être importante. Pour éviter un impact avec la Terre, il faut donc recenser le plus tôt possible l'ensemble des objets géocroiseurs susceptibles de menacer la Terre et estimer avec une très grande précision leurs trajectoires pour les décennies à venir. La deuxième condition de réussite est de pouvoir mettre sur pied une mission spatiale permettant de détourner la menace avec une probabilité de succès très élevée. Les principales méthodes de modification de trajectoire sont les suivantes[6] :

• La première méthode de déviation, déjà mise en œuvre dans un objectif tout autre par la sonde spatiale Deep Impact de la NASA, consiste à lancer un engin spatial contre le géocroiseur. La vitesse de l'astéroïde est modifiée du fait de la loi de la conservation de la quantité de mouvement :

M₁ x V₁ + M₂ x V₂ = (M₁ + M₂) x V₃

avec M₁ masse de l'engin spatial, M₂ masse de la comète, V₁ vitesse de l'engin spatial, V₃ vitesse de la comète après l'impact, M₁ et M₂ masse respective de l'engin spatial et de la comète. Les vitesses sont des vecteurs.

• Une autre méthode consiste à provoquer une explosion nucléaire destinée à fragmenter l’astéroïde. Cette solution est techniquement réalisable mais ses effets sont incontrôlables et son efficacité reste à démontrer. Ce serait une solution à envisager en dernier recours[7].
• Une méthode plus efficace consisterait à faire exploser une charge nucléaire à la surface ou à faible distance du géocroiseur de manière à lui transmettre une impulsion sans le fragmenter.
• Le tracteur gravitationnel est une méthode qui utilise l'attraction gravitationnelle mutuelle entre le géocroiseur et un engin spatial.
• L'utilisation de l'effet Yarkovsky, qui est une force produite par l'écart entre l'absorption solaire et l'émission thermique par rayonnement. Cette force qui contribue en permanence à façonner l'orbite du géocroiseur peut être modifiée par exemple en interposant un écran entre le Soleil et l'astéroïde ou en modifiant l’albédo de celui-ci (par exemple en déposant un revêtement noir ou blanc sur sa surface). L'intensité de cette force est très faible mais elle peut avec le temps permettre d'obtenir la déviation souhaitée. Bien qu'élégante sur le papier, cette solution demeure complexe à mettre en œuvre lors d'une mission spatiale.

L'Agence spatiale européenne (ESA) est la première à se lancer dans l'élaboration d'une mission expérimentale visant à évaluer une méthode de déviation d'un objet géocroiseur. En 2005-2007, suivant les recommandations de son comité NEOMAP (Near-Earth Mission Advisory Panel, soit en français Groupe conseil sur les missions spatiales consacrées aux risques d'impact) constitué de 6 experts européens (Willy Benz, Alan Fitzsimmons, Simon F. Green (en), Alan W. Harris (en), Patrick Michel, Giovanni Valsecchi), elle définit les spécifications de la mission Don Quichotte dont l'objectif est de démontrer qu'il est possible de dévier un astéroïde en utilisant l'énergie cinétique fournie par un impacteur. Le programme ne se concrétise pas pour des raisons de coût et d’absence de programme dédié. Mais la nécessité d'effectuer un tel test est demeurée et les concepts de de Don Quichotte ont servi de référence dans de nombreux rapports consacrés à la défense planétaire[8] - [9].

À compter de 2012, l'Union européenne s'implique dans la défense planétaire et finance quatre études portant sur celle-ci[10] pour un montant total d'environ 16 millions € au cours de la décennie. Leur objectif est de mettre au point les différents aspects d'un système assurant la protection de la Terre contre un impact d'un astéroïde géocroiseur : détection, faisabilité du processus de déviation, modélisation de l'impact, guidage de l'impacteur, méthodes d'observations depuis la Terre, etc. Ces quatre études sont :

• NEOShield (de), littéralement en français « bouclier contre les géocroiseurs » (2012-2015), piloté par l'Agence spatiale allemande (DLR)[11] ;
• NEOShield 2 (de) (2015-2018), pilotée par l'établissement allemand d'Airbus Defence and Space (ADS)[12] ;
• NEO-MAPP (2020-2023), pilotée par le Centre Nationale pour la Recherche Scientifique français (CNRS)[13] ;
• NEOROCKS (2020-2023), pilotée par l'Institut national d'astrophysique italien (INAF)[14].

Badge de la mission DART, de la NASA.

AIDA est le premier programme opérationnel dont l'objectif est de tester une méthode de déviation d'astéroïde géocroiseur. Il est mis sur pied en 2013 conjointement par des scientifiques soutenus par la NASA et l'Agence spatiale européenne (ESA). Son objectif est de tester le recours à un engin de type impacteur pour dévier un astéroïde qui serait susceptible de frapper la Terre. Ce programme prévoit le lancement à destination de l'astéroïde binaire (65803) Didymos de deux engins spatiaux : l'impacteur DART développé par la NASA chargé de s'écraser à grande vitesse sur le plus petit des deux astéroïdes et l'orbiteur AIM développé par l'ESA qui doit mesurer les effets de l'impact. Après une phase d'évaluation dans les deux agences spatiales, l'agence spatiale européenne décide fin 2016 de renoncer à son développement faute d'obtenir un soutien financier suffisant des états membres[15] - [16]. La NASA, de son côté, décide de poursuivre le développement de DART. Dans ce nouveau contexte, des observatoires terrestres sont chargés de reprendre partiellement le rôle de AIM. Le projet DART évoluera par la suite en incorporant le nano-satellite LICIACube, largué avant l'impact et chargé de prendre et de retransmettre les 100 premières secondes de celui-ci.

Écusson officiel de la mission Hera de l'European Space Agency (ESA)

En 2017, à la demande de plusieurs pays membres de l'Agence spatiale européenne, celle-ci reprend les études d'un remplaçant pour AIM qui est nommé Hera (du nom de la déesse grecque du mariage Héra). Hera doit remplir tous les objectifs assignés à AIM, mais en optimisant au maximum tous les composants de la mission. Hera serait lancé en octobre 2024 et étudierait les effets de l'impact de DART sur Dimorphos, le satellite de Didymos, 4 ans après que celui-ci se soit produit[8]. La mission Hera est approuvée par le conseil ministériel de l'ESA en novembre 2019[17]. En septembre 2020 l'agence spatiale européenne confie la construction de l'engin spatial à un consortium d'entreprises menés par OHB, dans le cadre d'un contrat de 129,4 millions euros[18]. Elle formalise l’équipe scientifique de la mission, constituée d’un investigateur principal, d’un conseil scientifique, de quatre groupes de travail couvrant tous les aspects de la mission et des responsables scientifiques des instruments[19].

Le satellite Hera est de forme cubique de 1,6 × 1,6 × 1,7 mètre et d'une masse d'environ de 1128 kg. Son énergie est fournie par des panneaux solaires d'une superficie de 13 m²[25] - [26]. Il comprend une liaison inter-satellitaire afin de communiquer avec les deux nano-satellites.

Le satellite est stabilisé sur 3 axes. L'attitude est maintenue par 4 roues de réactions, des gyroscopes, des viseurs d'étoiles, des capteurs solaires ainsi que deux Asteroid Framing Cameras (AFC) - des caméras de cadrage astéroïdes[27]. Le guidage de l'attitude passe par le Planetary Altimeter (PALT) - un altimètre planétaire[28].

Les instruments principaux de Hera sont les deux caméras AFC (Asteroid Framing Cameras), développées par la société JenaOptronik. Identiques et redondantes, elles disposent chacune d'un capteur panchromatique FaintStar de 1020 x 1020 pixels avec un téléobjectif. Le champ de vue est de 5,5 x 5,5 degrés et la résolution spatiale atteint un mètre à une distance de 10 kilomètres. Ces caméras doivent fournir des caractéristiques physiques de la surface de l'astéroïde Didymos et de Dimorphos ainsi que du cratère créé par DART et de la zone d'atterrissage de Juventas[29] - [30] - [31].

Hyperscout-H (Hyperspectral Imager) est un imageur hyperspectral qui doit fournir des images dans une plage spectrale comprise entre 665 et 975 nm (visible et proche infrarouge). L'instrument fait ses observations dans 25 bandes spectrales distinctes. Il est développé par la société Cosine[30] - [31]. Il s'agit d'une version spécifique développée pour Hera, différente de l'Hyperscout standard.

PALT (Planetary Altimeter) est un altimètre micro-Lidar utilisant un laser émettant un rayon lumineux infrarouge à 1,5 microns. Sa trace au sol est de 1 mètre à une altitude de 1 kilomètre (1 milliradian). La précision de la mesure d'altitude est de 0,5 mètre. Sa fréquence est de 10 Hertz[30].

TIRI (Thermal InfraRed Imager) est un imageur fonctionnant dans l'infrarouge thermique qui est fourni par l'agence spatiale japonaise. La plage spectrale observée est comprise entre 7 et 14 microns et il dispose de 6 filtres. Son champ de vue est de 13,3 x 10,6°. La résolution spatiale est de 2,3 mètres à une distance de 10 kilomètres[30] - [31].

La masse des deux astéroïdes composant le système binaire, les caractéristiques de leur champ de gravité, leur vitesse de rotation et leurs orbites seront mesurées en utilisant les perturbations des ondes radio provoquées par l'effet Doppler. Les mesures portent sur les échanges radio entre Hera et les stations terriennes mais également entre Hera et les CubeSats. Du fait de l'orbite basse sur lesquels circuleront les CubeSats, ces dernières mesures sont cruciales pour déterminer la gravité de Didymos[30] - [31].

Deux nano-satellites de type CubeSat, baptisés Milani et Juventas, sont transportés par Hera et largués avant l'arrivée dans le système astéroïdal (65803) Didymos. Ils sont chargés d'effectuer des investigations qui viennent compléter celles de leur vaisseau porteur.

Les deux CubeSats sont construits autour d'une plateforme similaire. Ce sont des CubeSats 6U-XL d'une masse (ergols compris) d'environ 12 kilogrammes. Ils sont stabilisés 3 axes et disposent d'un système de propulsion à gaz froid. Ils communiquent avec le vaisseau mère en bande S. L'effet Doppler affectant les liaisons radio est utilisé pour mesurer les caractéristiques du champ de gravitation du système binaire. Ils disposent d'une caméra en lumière visible et de viseurs d'étoiles qui sont utilisés pour déterminer les variations dynamiques de Didymos. Enfin les deux CubeSats sont équipés d'accéléromètres qui seront utilisés pour déterminer les propriétés de la surface de Dimorphos si les CubeSats se posent à sa surface comme cela est envisagé à la fin de leur mission. Juventas est développé par la société Gomspace tandis que Milani est réalisé par Tyvak International[32] - [33]

Le CubeSat Milani a pour objectif de réaliser des images et de mesurer les caractéristiques de la poussière potentiellement présente. Il doit cartographier les deux astéroïdes formant l'astéroïde binaire (65803) Didymos, caractériser leur surface, évaluer les effets de l'impact de DART, contribuer aux mesures du champ gravitationnel des astéroïdes et déterminer les caractéristiques des nuages de poussière potentiellement situés autour des astéroïdes[32]. Son nom est un hommage à Andrea Milani Comparetti, mathématicien et astronome[34].

Pour remplir ces objectifs il emporte deux instruments[35] - [32] :

• Le spectromètre imageur hyperspectral ASPECT est l'instrument principal. Il fonctionne en lumière visible et proche infrarouge (0,5 à 2,5 microns). Sa résolution spatiale est de 2 mètres à 10 kilomètres et sa résolution spectrale est inférieure à 40 nanomètres (20 nanomètres dans le visible). Il dispose en tout de 72 canaux.
• Le thermogravimètre VISTA est chargé de détecter la poussière (5 à 10 microns), les volatiles (comme l'eau) et les matériaux organiques légers.

Juventas a pour objectif de déterminer les caractéristiques géophysiques de Dimorphos. Il doit cartographier son champ de gravité et déterminer sa structure interne ainsi que les caractéristiques de sa surface[33].

Pour remplir ces objectifs il emporte les instruments suivants[36] - [37] - [33] :

• Le radar JuRa fonctionnant dans le fréquence 50-70 MHz avec une résolution spatiale de 10 à 15 mètres. C'est le premier instrument à effectuer un sondage des couches internes d'un astéroïde. Il utilise deux antennes dipôles dont chaque branche mesure 1,5 mètre. Chaque séance de mesures peut durer jusqu'à 45 minutes. Il occupe un volume inférieur à 1U et sa masse est inférieure à 1 300 grammes.
• Le gravimètre GRASS dont la plage dynamique est de 5 * 10^-4 et la sensibilité est de 5 * 10^-7. Sa masse est inférieure à 380 grammes.
• Une caméra.
• La liaison radio avec le vaisseau mère (mesure de l'effet Doppler).

• (en) Michel, P., Cheng, A., Küppers, M., Pravec, P., Blum, J., Delbo, M., Green, S.F., Rosenblatt, R., Tsiganis, K., Vincent, J.B., Biele, J., Ciarletti, V., Hérique, A., Ulamec, S., Carnelli, I., Galvez, A., Benner, L., Naidu, S.P., Barnouin, O.S., Richardson, D.C., Rivkin, A., Scheirich, P., Moskovitz, N., Thirouin, A., Schwartz, S.R., Campo Bagatin, A., Yu, Y. 2016. Science case for the Asteroid Impact Mission (AIM): a component of the Asteroid Impact & Deflection Assessment (AIDA) Mission. Advances in Space Research 57, 2529-2547.
• (en) Michel, P., Kueppers, M., Sierks, H., Carnelli, I., Cheng, A.F., Mellab, K., Granvik, M., Kestilä, A., Kohout, T., Muinonen, K., Näsilä, A., Penttilä, A., Tikka, T., Tortora, P., Ciarletti, V., Hérique, A., Murdoch, N., Asphaug, E., Rivkin, A., Barnouin, O.S., Campo Bagatin, A., Pravec, P., Richardson, D.C., Schwartz, S.R., Tsiganis, K., Ulamec, S., Karatekin, O. 2018. European component of the AIDA mission to a binary asteroid: characterization and interpretation of the impact of the DART mission. Advances in Space Research 62, 2261-2272.
• (en) Michel, P., Küppers, M., Topputo, F., Karatekin, Ö. et et l'équipe d'Hera « Session 1: Hera » (26 avril 2021) (lire en ligne) [PDF]
  —7th IAA Planetary Defense Conference (lire en ligne) — Présentation détaillée de la mission (objectifs, caractéristiques techniques, déroulement) à l'UNOOSA en 2021 (powerpoint).
• Michel, P., Küppers, M., Campo Bagatin, A., Carry, B., Charnoz,S., De Leon, J., Fitzsimmons, A., Gordo,P., Green, S.F., Hérique, A., Jutzi, M., Karatekin, Ö., Kohout, T., Lazzarin, M., Murdoch, N., Okada, T., Palomba, E., Pravec, P., Snodgrass, C., Tortora, P., Tsiganis, K., Ulamec, S., Vincent, J.-B., Wünnemann, K., Zhang, Y., Raducan, S. D., Dotto, E., Chabot, N., Cheng, A. F., Rivkin, A., Barnouin, O., Ernst, C., Stickle,A., Richardson, D. C., Thomas, C., Arakawa, M., Miyamoto, H., Nakamura, A., Sugita, S., Yoshikawa, M., Abell, P., Asphaug, E., Ballouz, R.-L., Bottke, Jr., W. F., Lauretta, D. S., Walsh, K. J., Martino, P. and Carnelli, I. 2022. The ESA Hera Mission: Detailed Characterization of the DART Impact Outcome and of the Binary Asteroid (65803) Didymos. The Planetary Science Journal, Volume 3, Number 7 (en accès libre).

• DART.
• AIDA.
• Objet géocroiseur.
• Astéroïde géocroiseur.
• (65803) Didymos et Dimorphos - astéroïde double qui doit être percuté par DART.
• Impacteur.
• Protection planétaire.
• NEO-MAPP, projet financé par l'Union Européenne partageant de nombreux membres avec la mission Hera.

• (en) « Hera mission », Observatoire de la Côte d'Azur (consulté le 4 novembre 2021) — Site officiel scientifique
• (en) « Hera », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le 4 novembre 2021)
• (en) Page de l'Agence spatiale européenne consacrée à Hera
• (en) Présentation de la mission (septembre 2019)
• site du projet NEO-MAPP, financé via le programme cadre Horizon 2020

• (en) Hera and Planetary Defense, COSPAR 2021, P. Michel, Feb 4, 2021.
• (en) Science return of Hera, COSPAR 2021, P. Michel, Feb 2, 2021.