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Des clichés de la comète Chury.
© ESA

Astrophysique

Compte à rebours final pour Rosetta

La sonde spatiale européenne doit atterrir sur la comète Chury ce vendredi. Loin d’enterrer l’aventure, Rosetta ouvre un nouveau chapitre, celui des enseignements scientifiques de cette mission unique

Le 30 septembre, à l’allure d’un marcheur, soit moins d’un mètre par seconde, les quelque 3 tonnes de la sonde Rosetta, de l’Agence spatiale européenne (ESA), devraient s’écraser sur la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, ou «Chury», après une chute d’une douzaine d’heures depuis 20 kilomètres d’altitude environ.

La confirmation du contact est attendue autour de 13h20, le signal radio mettant quarante minutes pour parcourir les plus de 700 millions de kilomètres qui séparent la terre de la comète. Rosetta enverra alors ses dernières images, prises à quelques dizaines de mètres du sol du corps froid et sombre qu’elle survole depuis août 2014. «Ce sera comme la chute d’une Fiat 500 sur le Mont Blanc, cela ne détruira pas la comète», assure Andrea Accomazzo, directeur de la division des missions solaires et planétaires à l’ESA et ancien responsable des opérations de vol de Rosetta.

Un gros frigo

Ce sera la deuxième fois que l’on fait tomber quelque chose sur la comète. La première, le 12 novembre 2014, restera l’épisode le plus spectaculaire de la mission: l’arrivée à sa surface d’un gros frigo de 100 kg bardé d’instruments scientifiques, Philae. Si tout se passe bien, la Fiat 500 chutera sur le plus petit des deux lobes de Chury, celui en forme de tête de canard. Sa zone d’atterrissage, une ellipse de 700 mètres sur 500 mètres, se situe entre deux puits de 130 mètres de large et 50 mètres de profondeur.

Lors de survols précédents, les astrophysiciens y ont repéré de mystérieuses bouffées de poussières. Un autre détail les intrigue: une structure en chair de poule, faite de bosses espacées d’un mètre environ, qui pourrait éclairer la façon dont s’est formée la structure du noyau cométaire.

Les capteurs de la sonde seront donc aux aguets pour cette ultime phase d’une mission particulièrement riche en premières mondiales et en résultats nouveaux. Premier vol au-dessus d’une comète sur une longue période, premier atterrissage d’instruments scientifiques sur un tel astre, premier microscope à force atomique embarqué dans l’espace pour voir des grains inférieurs au micromètre, premier radar géologique pour sonder le cœur d’un tel corps…

La masse de données est fabuleuse. Le vrai travail scientifique commence

«Bien sûr, on est un peu tristes que la mission s’arrête. Mais maintenant, nous allons avoir plus de temps pour analyser les résultats», estime Jean-Baptiste Vincent, responsable, à l’Institut Max-Planck de Göttingen, en Allemagne, du planning scientifique de la caméra Osiris, qui équipe Rosetta. «L’intérêt est que Chury est une sorte de machine à remonter le temps car ses matériaux datent probablement de 100 millions d’années seulement après l’allumage du Soleil», résume Nicolas Altobelli, du centre des opérations scientifiques de l’ESA à Madrid. «La masse de données est fabuleuse. Le vrai travail scientifique commence», poursuit Anny-Chantal Levasseur-Regourd, professeure émérite à l’université Pierre-et-Marie-Curie, à Paris, au laboratoire Atmosphères, milieux et observations spatiales.

Un heureux accident

L’aventure commence le 11 décembre 2002, à Kourou. Un lanceur Ariane 5, dans une nouvelle version, décolle. Et 456 secondes plus tard, à 69 kilomètres d’altitude, il est détruit en vol au-dessus de l’océan Atlantique: sa trajectoire était incorrecte. C’est la consternation. Pourtant, quelques-uns sont soulagés: leur précieux satellite, fruit de près de quinze ans de travail de conviction et de conception, n’était pas à bord.

La mission Rosetta, dont l’idée est née en 1986 et qui a été décidée en 1994, devait en effet prendre le vol suivant, deux mois plus tard. Celui-ci sera reporté jusqu’en mars 2004. Mais le soulagement discret disparaît vite, car il faut en urgence changer la cible visée par la mission. Exit donc la comète 46P/Wirtanen, repérée en 1948, et place à 67P/Churyumov-Gerasimenko. Les plans de vol sont recalculés, mais il est quasi impossible de modifier quoi que ce soit à la sonde et à son atterrisseur, déjà à Kourou. Il faudrait pourtant tenir compte de la plus grande taille de la nouvelle cible et de l’impact plus fort que subiront les 100 kg de l’atterrisseur, qui ne s’appelle pas encore Philae.

Heureusement, lorsque les lancements de cette version musclée d’Ariane reprennent, le 2 mars 2004, tout se passe bien. Un an plus tard, Rosetta survole une première fois la terre, puis Mars, puis encore la terre afin de profiter de l’effet de fronde gravitationnel.

En 2009, elle photographie deux astéroïdes, Steins et Lutetia, entre Mars et Jupiter. Le voyage est paisible. Oubliées les secousses du projet qui, en 1995, voient les Etats-Unis abandonner l’Europe, ce qui oblige les équipes à faire entrer plus d’instruments dans un seul atterrisseur. Autre péripétie: «Lors du troisième survol de la terre, en 2009, à cause d’un bogue, la sonde est brusquement passée en mode de sauvegarde. C’est comme ça que j’ai appris à mieux gérer mon stress!», témoigne Sylvain Lodiot, actuel pilote en chef de la sonde à l’ESA.

Berceuse allemande

Cette anomalie corrigée, un nouveau stress met les équipes à rude épreuve. «En 2011, quelques mois avant la phase cruciale de l’hibernation, on a découvert sur un des propulseurs un problème qu’on a réglé au bout de plusieurs semaines en changeant la manière de le commander», se souvient Andrea Accomazzo. «A la fin 2011, nous étions sur la bonne trajectoire, prêts pour l’hibernation, car, la sonde s’éloignant du Soleil, nous n’avions plus suffisamment d’énergie pour communiquer. On en gardait juste assez pour empêcher le carburant de geler, indique Sylvain Lodiot. En salle de contrôle, un des membres de l’équipe a alors chanté à Rosetta une berceuse allemande. Une dernière commande a été envoyée et nous n’avons plus eu aucun contact pendant deux ans et demi.»

Si la sonde dort, Andrea Accomazzo et ses équipes restent sur le qui-vive. «Entre 2011 et 2013, c’est là qu’il y a eu le plus gros travail. Nous avons pris conscience qu’on ne pourrait pas voler trop près de la surface. A 10 kilomètres au mieux plutôt qu’à 4, comme prévu pour Wirtanen. Il y avait aussi des hypothèses faites dans les années 1990 qu’il fallait corriger», précise le pilote.

Une dernière commande a été envoyée et nous n’avons plus eu aucun contact pendant deux ans et demi.

Le 20 janvier 2014, il attend dans la salle de contrôle de l’ESA, à Darmstadt, en Allemagne. C’est la date programmée du réveil de Rosetta. «Si nous n’avions rien, tout aurait pu s’arrêter là!», rappelle-t-il. A 19h18, un tweet du compte de l’ESA annonce le réveil. Andrea Accomazzo exulte, le poing serré. Ensuite, tout s’enchaîne. Le 20 mars, la première photo prise par la caméra haute résolution Osiris arrive sur les écrans: un tout petit point lumineux au milieu d’étoiles. Fin juillet, à 12 000 kilomètres de la cible, un autre cliché précise la vue: Chury n’est pas une sphère! La comète est bilobée et ressemble pour les uns à un grain de pop-corn, pour les autres à un canard, avec tête, corps et cou. Rien à voir avec le caillou, certes un peu biscornu, qui servait alors de modèle aux illustrations de l’ESA.

A partir d’août, les détails se précisent très vite. «Dès le début, j’ai été bouleversée par ces paysages», confie Anny-Chantal Levasseur-Regourd. Un relief torturé apparaît: montagnes, plaines, puits, dépressions, falaises, blocs isolés… A Darmstadt, les équipes n’ont pas le temps de goûter la beauté des sites. Il s’agit désormais d’apprendre à piloter au voisinage de ce corps d’environ 4 km dans sa plus grande dimension. «Selon moi, c’est notre plus grande réussite. En six semaines, nous avons été capables de diriger correctement Rosetta», souligne Andrea Accomazzo.

Le pilotage se fait en effet à vue, c’est-à-dire grâce aux images prises par les caméras et à des repères topographiques sur le noyau (de l’ordre d’un millier à la fin de la mission). Le plus important pour la navigation est la position relative de la sonde par rapport à la comète. La position absolue dans l’espace, connue grâce aux étoiles, est utile seulement pour la communication radio avec la terre. «Cette navigation à vue, c’est une première pour l’Europe!», s’exclame le pilote en chef.

Pour naviguer correctement, la difficulté est de tenir compte à la fois des variations de gravitation locale, de la pression radiative du Soleil sur les panneaux solaires, qui agit comme un vent sur des voiles, ainsi que de l’activité de la comète. Même si la fameuse queue n’est pas visible en permanence, Chury émet constamment des gaz et des poussières qui, comme un vent local, perturbent la trajectoire. «On ne savait rien de l’environnement de la comète avant d’y arriver. Les premières approches de la comète ont permis à la sonde de mesurer sa masse et son champ de gravitation. Ces données ont ensuite servi dans notre simulation de trajectoire», résume Andrea Accomazzo. «L’effet de l’activité de la comète a été plus difficile à estimer, car elle est très changeante. On devait sans cesse adapter nos modèles», ajoute-t-il. Tout était donc prêt pour l’étape la plus spectaculaire de la mission: l’atterrissage du robot Philae.

On s’est posés sur une comète

Le 12 novembre, toujours en salle de contrôle, Andrea Accomazzo jubile à nouveau. Philae, après sept heures de chute libre, a touché le sol et est en contact radio avec Rosetta. Mais très vite un doute s’empare des équipes. Tout ne s’est pas passé comme prévu. Les harpons destinés à arrimer le robot ne se sont pas déclenchés. Le moteur supplémentaire qui devait pousser l’engin vers la surface n’a pas fonctionné non plus. Un constat s’impose: Philae a rebondi et a touché au moins deux fois la surface!

Des analyses plus précises détailleront plus tard l’acrobatie. Un premier rebond envoie le robot à près de 100mètres d’altitude pour le faire atterrir 600 mètres plus loin, quarante-cinq minutes plus tard. Un second, d’une heure, l’éjecte à 200 mètres de hauteur; il retombe à 1,3 km du premier contact. Malgré ces sauts périlleux et le fait qu’il garde un pied en l’air, Philae fonctionne.

Le 13 novembre au matin, l’atterrisseur envoie la photo du rocher très sombre en face de lui. Immédiatement, comme prévu par le programme, les autres instruments se mettent en marche. Le forage de la surface ne fonctionnera pas à cause de la position inconfortable de l’engin. Après deux jours et demi, à court de batterie, Philae cesse son activité. Pendant des mois, les équipes tenteront de reprendre contact pour relancer les expériences prévues. «Nous restions optimistes car la comète s’approchait du Soleil et les batteries allaient pouvoir être rechargées, indique Stephan Ulamec, responsable de Philae à l’Agence spatiale allemande. Lorsque nous avons eu enfin un signal, le 19 juin 2015, j’étais enthousiaste. Je pensais possible une nouvelle série d’expériences.»

Ce que nous apprenons sur cette comète est très éloigné de ce que nous imaginions. C’est à cela que l’on reconnaît les découvertes importantes

Hélas, la communication est trop mauvaise entre Rosetta et Philae, posé dans un trou. Sa fin est annoncée officiellement en juillet 2016. Le 5 septembre, après des mois de traque, une image est publiée: elle montre le pauvre robot coincé sous un gros caillou, un pied levé. Il était là où on l’attendait, mais connaître sa localisation exacte va permettre d’améliorer certaines mesures, notamment celle du radar Consert qui a sondé le cœur du petit lobe de Chury.

«Pour un ingénieur, lorsque deux systèmes ne fonctionnent pas, c’est évidemment décevant. Il faut cependant se rendre compte que cette partie de la mission était très risquée et qu’on a eu des résultats. C’est quand même fantastique», souligne Andrea Accomazzo. «On a même eu de la chance», estime Stephan Ulamec. En effet, lors des rebonds, des poussières du sol ont été capturées dans des compartiments d’un instrument de Philae, ce qui a permis leur analyse.

Avalanche de résultats scientifiques

Une moisson de résultats de Philae et de ses dix instruments tombe le 31 juillet 2015 sous forme de sept articles dans la revue «Science». Quelques jours avant a eu lieu un autre feu d’artifice: le passage au plus près du Soleil et la forte activité résultante (qui oblige d’ailleurs à éloigner Rosetta à des centaines de kilomètres afin d’éviter que l’engin, désorienté, échappe aux pilotes). Cette récolte s’ajoute aux premiers éléments fournis par Rosetta dès la fin 2014. «Ce que nous apprenons sur cette comète est très éloigné de ce que nous imaginions. C’est à cela que l’on reconnaît les découvertes importantes», expliquait au «Monde» Jean-Pierre Bibring, professeur à l’université Paris-Sud et responsable scientifique de Philae, le 1er août 2015.

«On n’avait jamais vu une telle forme!», constate ainsi Nicolas Altobelli à propos des deux lobes, probablement dus à l’agglomération de deux morceaux plus petits. «On pensait, depuis notamment le survol de la comète de Halley par la sonde Giotto [1986], qu’il y avait à peu près autant de glaces que de poussières dans les comètes. Mais pas du tout: sur Chury, il peut y avoir quatre à six fois plus de poussières!», observe Anny-Chantal Levasseur-Regourd. «Ce n’est pas une boule de glace sale, comme on le pensait, mais plutôt du sable glacé», estime Nicolas Altobelli. «En plus, ce noyau cométaire évolue bien plus qu’une planète», ajoute Anny-Chantal Levasseur-Regourd. Ainsi, en quelques mois, les chercheurs ont vu des dépressions peu profondes se déplacer d’une cinquantaine de mètres au milieu d’une plaine lisse, baptisée Imhotep. Et le 19 février 2016, un énorme jet de poussières a soudainement jailli d’une paroi.

Portrait-robot d’une comète

Un portrait-robot s’affine. Le noyau de la comète est riche d’une matière organique solide et complexe, constituée de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote. Elle forme une matrice piégeant de la glace d’eau ou d’oxyde de carbone. Peu de molécules nouvelles sur une comète ont été précisément identifiées, même si un acide aminé, la glycine, a été repéré, ainsi que de l’acétone ou de l’isocyanate de méthyle.

La surface, très sombre, réfléchit environ 5% de la lumière du Soleil. La température est très fraîche, environ – 70 °C. L’eau contenue dans le noyau sous forme de glace n’a pas la même composition que celle des océans terrestres, ce qui exclut que ce type de comète ait apporté l’eau à notre planète; rien n’interdit cependant que d’autres aient pu le faire.

Sa structure est poreuse, faite de 80% de vide. Un volume d’un mètre cube a une masse de 500 kilogrammes: il flotterait sur l’eau. Aucune grosse cavité, pas de plus de 3 mètres en tout cas, n’a été trouvée dans sa «tête», comme l’a montré le radar Consert, qui a sondé l’intérieur du noyau. Sa surface n’est pas si molle, comme en témoignent les rebonds de l’atterrisseur. Au plus proche du Soleil, à 186 millions de kilomètres, elle a perdu environ 100 000 tonnes de matière par jour.

Plus subtil, cette matrice est constituée d’agrégats de grains minuscules dont les tailles vont d’un dixième de microns à plusieurs millimètres, comme mesuré par divers instruments. «C’est différent du processus d’usure conduisant aux plages de galets ou de sable fin, pour lesquelles les constituants ont des tailles comparables. Cette formation remonte aux origines du système solaire», indique Anny-Chantal Levasseur-Regourd. Il manque cependant des modèles pour construire un noyau de plusieurs kilomètres à partir de ces grains micrométriques.

Lieu de naissance inconnu

L’activité a également surpris les chercheurs. «Les poussières semblent venir des parois de certains reliefs et pas, comme on le pensait, de la surface», indique Nicolas Altobelli, qui précise que la chute de Rosetta permettra aussi, en mesurant les vitesses des poussières près de la surface, d’essayer de mieux saisir le mécanisme de leur éjection. «Il faut également comprendre ces bouffées ponctuelles, différentes de l’activité régulière que nous avons pu identifier», indique Jean-Baptiste Vincent. Autre zone d’ombre, la détection, par Rosetta, de gaz comme l’argon, l’azote et même l’oxygène montre que la comète est différente de Jupiter.

Le noyau de Chury se serait donc formé plus loin que la géante gazeuse. Mais où et quand? Dans le milieu interstellaire, très ancien, ou plus «récemment», il y a quelque 4,5 milliards d’années, dans ce qu’on appelle le nuage protosolaire, au centre duquel est né notre Soleil? «Je doute qu’on puisse répondre de manière univoque à cette question», estime Olivier Mousis, au Laboratoire d’astrophysique de Marseille, qui a participé aux mesures de ces gaz rares sur l’instrument Rosina de Rosetta. Un retour d’échantillons aurait pu aider à trancher, mais il n’est pas envisagé. Le chercheur propose d’ores et déjà une mission avec la NASA, HERA, dans l’atmosphère de Saturne, afin de mesurer ses marqueurs chimiques de composition et de les comparer à ceux de Jupiter et de Chury.

Et pourquoi pas la vie

Et la vie? «Techniquement, cette ultime phase de la mission pour faire atterrir Rosetta sera plus difficile que celle de 2014 pour Philae», indique Sylvain Lodiot. Pendant plusieurs jours avant la chute, jamais le vaisseau n’aura rasé d’aussi prêt sa cible, parfois à moins de 2 km de la surface. Autant dire que la trajectoire est sensible aux faibles variations de relief, et donc de gravité, de la comète. Tout comme aux jets de poussières dégagés par le noyau. «Sur une orbite de trois jours, la trajectoire peut être allongée de dix-sept heures. Nous devons alors envoyer des commandes pour corriger le vol et programmer la séquence suivante», complète Sylvain Lodiot, dont les équipes n’ont que quelques heures pour réaliser l’opération et éviter de perdre Rosetta. Cette dernière expérience, malheureusement, ne permettra pas de répondre à la lancinante question de l’origine de la vie dans le Système solaire.

Certes, avec ses reliefs changeants et ses bouffées de vapeur plus ou moins imprévisibles, la comète est plus «vivante» qu’attendu. Mais les chercheurs n’ont pour l’instant pas mis la main sur des preuves directes du lien entre ce noyau sombre et froid et la «vraie» vie telle qu’elle est présente sur terre. «Ce qui domine dans cette comète, ce sont des grains faits principalement de matière carbonée, organique. Ils datent d’avant même la croissance des planètes, fabriqués lors de l’effondrement du nuage qui a donné naissance au Système solaire. Les ingrédients de la vie sont probablement là!», indique Jean-Pierre Bibring. «Nous les avons même touchés!», sourit Anny-Chantal Levasseur-Regourd, évoquant le microscope à force atomique Midas dont la pointe a probablement caressé ces grains en les observant. Vus, touchés, mais pas identifiés complètement. Seul un acide aminé a été trouvé, la glycine, le plus simple que le vivant utilise sur terre. Trouver des chaînes de carbone plus longues, comme l’espéraient les scientifiques de Philae, aurait été une belle surprise.

«Notre plus grande frustration»

Mais l’expérience n’a pu être menée à cause des rebonds de l’engin et de sa chute dans un trou, à l’ombre. Tout comme une autre, elle aussi prévue au départ: mesurer la chiralité de cette matière primitive. Deux molécules sont dites chirales si elles sont de formule identique, mais de forme spatiale différente, image l’une de l’autre dans un miroir (comme la main gauche et la main droite). Or les acides aminés, les sucres et d’autres biomolécules possèdent sur terre cette propriété, qu’il s’agissait de repérer sur la comète. «Ce devait être la première expérience après que Philae eut rechargé ses batteries. Ne pas avoir pu la réaliser restera notre plus grande frustration», estime Jean-Pierre Bibring, qui imagine cependant un scénario.

Dans une zone très froide de l’espace, loin du Soleil mais sous l’effet de son rayonnement, une chimie très particulière a fabriqué une matière organique complexe et riche, qui s’est agglomérée en grains de plus en plus gros. Piégée dans une gangue rigide, cette matière est tombée sur terre, où d’autres conditions chimiques ont permis sa transformation pour aboutir jusqu’au vivant… «Lors des bombardements sur terre, la couche dure en surface de la comète a protégé la matière organique, qui sans cela aurait été détruite. L’ensemencement par ces ingrédients des océans terrestres a ainsi été possible, indique le chercheur. Le vivant, c’est la mise en commun, permise par l’eau, des ingrédients de base, évoluant vers des structures stables par des processus de sélection autocatalytiques. Cette mission contribue à modifier la vision du rôle des comètes dans l’histoire du Système solaire et, tout spécifiquement, de ce qu’est le vivant».

Mais pour confirmer ce scénario, là aussi, un retour d’échantillons serait idéal. «Le consensus mettra plusieurs années à se construire. Pour l’instant, chaque instrument a exposé ses résultats. Il manque des synthèses globales mariant toutes ces données», estime Nicolas Altobelli. «On en a pour des dizaines d’années!», appuie Anny-Chantal Levasseur-Regourd. Le crash du 30 septembre ne sera pas la fin de l’aventure Rosetta.

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