Téléchargement - Destination Orbite

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ULYSSES
A la Découverte du Soleil
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SOMMAIRE
La présentation de la mission ............................................................................................................................ 4
Les découvertes d’Ulysses .................................................................................................................................. 7
La fiche technique .............................................................................................................................................. 9
L’instrumentation ................................................................................................................................................ 10
La carte d’identité du Soleil ............................................................................................................................. 12
La coupe du Soleil ............................................................................................................................................. 13
Les sources ........................................................................................................................................................... 15
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LA PRESENTATION DE LA MISSION
L
es premières ébauches d’une mission conjointe Europe/Etats-Unis pour l’étude des pôles du
Soleil commencent dès 1974. Trois ans plus tard, la mission OOE (Out Of Ecliptic) est
approuvée par l’agence spatiale européenne et la Nasa qui livreront chacune une sonde. En
1979, année où les travaux débutent, la mission est rebaptisée ISPM (International Solar Polar
Mission) avec comme date butoir un lancement en février 1983. Les restrictions budgétaires dont
est victime la Nasa conduisent l’agence spatiale américaine à annuler sa sonde. Seule reste en
liste l’européenne, baptisée Ulysses, un des héros les plus célèbres de la mythologie grecque. Son
lancement par la navette spatiale américaine est programmé pour mai 1986. Quitter le plan de
l’écliptique demande une énergie colossale. Pour l’y aider, Ulysses sera équipée d’un étage
cryogénique Centaur spécialement adapté pour la soute de la navette.
En décembre 1983, les essais sont terminés sur Ulysses qui est alors entreposée dans un bâtiment en
attendant d’être transférée deux ans plus tard au Kennedy Space Center pour son lancement.
Alors que les choses commencent à s’accélérer pour la sonde, la navette Challenger, celle-là
même qui était désignée pour transporter Ulysses 4 mois plus tard, explose en vol le 28 janvier 1986.
Les vols sont suspendus pendant un peu plus de deux ans et Ulysses est rapatriée au centre
européen de la recherche spatiale à Noordwijk, aux Pays-Bas. En même temps, il faut revoir le
plan de vol de la sonde en raison de l’abandon de l’étage Centaur jugé trop dangereux pour
voler dans la navette. En remplacement, la Nasa lui préfère le moteur à poudre IUS (Inertial Upper
Stage) à deux étages surmontés d’un moteur PAM-D également à poudre.
En janvier 1989, Ulysses subit une
seconde série de tests de
certification pour le vol et est
envoyée à Cap Canaveral en mai
1990. Après bien des péripéties, la
navette Discovery s’élance de son
pas de tir le 06 octobre 1990. Six
heures plus tard, les astronautes
largue la sonde.
Pour quitter le plan de l’écliptique,
la sonde a besoin de beaucoup
d’énergie. Quatre heures après
son largage, les moteurs de l’étage
IUS et le PAM-D s’allumeront
successivement pour imprimer à la
sonde une vitesse de 55 500 km/h
pour rejoindre Jupiter, le seul astre
La sonde Ulysses avant son largage de la soute de la
proche de la Terre capable de
navette Discovery. Photo Nasa.
modifier la trajectoire d’un engin
de façon considérable. Le 08 février 1992, la planète géante incurve la trajectoire de la sonde et
l’expédie sur une orbite qui lui permettra de survoler les pôles du Soleil.
Du 26 juin 1994 au 05 novembre 1994, Ulysses survole le pôle Sud de notre étoile et révèle que le
vent solaire y est deux fois plus rapide qu'à l'équateur. La sonde découvre également que la
quantité de rayons cosmiques s’est moins importante que ce que les scientifiques n'avaient
imaginé. De plus, on découvre que le pole Sud magnétique ne peut être localisé de façon précise
en raison du champ magnétique radial qui est uniforme et turbulent. Lorsque la sonde a survolé le
pole Nord entre les 19 juin 1995 et 29 septembre 1995, les résultats sont analogues que ceux
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obtenus un an plus tôt. Le 26 février 1998, Ulysses a bouclé sa première orbite.
L’orbite accomplie ne signifiait pas la fin de la
mission. Les scientifiques ont décidé de
poursuivre la recherche. Le 17 avril 1998
Plan de l’écliptique : disque invisible sur lequel
débutait la seconde orbite, suivie le 30 juin 2004
tournent toutes les planètes du système solaire
par une troisième. En février 2003, le système
avec en son centre, le Soleil.
principal de transmission de données est tombé
en panne, suivi 5 ans plus tard par le
secondaire. La puissance électrique de la sonde est passée de 285 Watts en début de mission à
195 Watts. La sonde ayant atteint tous ses objectifs, l’Esa et la Nasa ont décidé de mettre fin à la
mission le 01 juillet 2008 après avoir passé 17 ans et 8 mois dans l’espace.
DICO
ETAPES CLES
06/10/1990 : Lancement par la navette Discovery
08/02/1992 : Survol de la planète Jupiter afin de sortir du plan de l’écliptique
20/06/1994 : Début du premier survol du pôle Sud du Soleil (jusqu’au 05/11/1994)
19/06/1995 : Début du premier survol du pôle Nord du Soleil (jusqu’au 29/09/1995)
06/09/2000 : Début du second survol du pôle Sud du Soleil (jusqu’au 16/01/2001)
31/08/2001 : Début du second survol du pôle Nord du Soleil (jusqu’au 10/12/2001)
17/11/2006 : Début du troisième survol du pôle Sud du Soleil (jusqu’au 03/04/2007)
30/11/2007 : Début du troisième survol du pôle Nord du Soleil (jusqu’au 15/03/2008)
01/07/2008 : Fin officielle de la mission Ulysses
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La mission de la sonde Ulysses en 9 points :
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Déterminer les propriété tridimensionnelles du champ magnétique héliosphèrique et du
vent solaire
Etudier l’origine du vent solaire en mesurant sa composition sous différentes latitudes
héliographiques
En apprendre plus sur les vagues et les chocs dans le vent solaire en échantillonnant les
conditions qui sont différentes de celles près du plan de l’écliptique
En apprendre plus sur les processus affectant le mouvement galactique et les anomalies du
rayonnement cosmique
En apprendre plus sur les origines des rayonnements cosmiques galactiques en mesurant
leur composition isotopique
Etudier l’énergie et le mouvement des particules énergétiques d’origine solaire et
interplanétaire en observant leurs propriétés aux basses et hautes latitudes
En apprendre plus sur l’espace interstellaire local en mesurant directement les atomes
neutres d’hélium qui entrent dans l’héliosphère, aussi bien que la déduction de ses
propriétés provenant de la mesure des ions interstellaires
Améliorer notre compréhension de la poussière interplanétaire et interstellaire
Chercher les sources de rayonnement gamma en alliant les observations d’autres engins
spatiaux et ainsi aider à les identifier avec des objets célestes connus
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LES DECOUVERTES D’ULYSSES
S
ur les 18 ans de mission, on peut citer 8 découvertes majeures mises au crédit de la mission
Ulysses. Elles sont aussi variées que les objectifs de la mission.
Schéma représentant les différentes vitesses du vent solaire. Photo Nasa.
La première découverte majeure concerne la nature et le comportement de l’héliosphère. Selon
les données fournies par la sonde Ulysses, les lignes du champ magnétique ne suivent pas une
spirale ordonnée mais un modèle plus chaotique et s’étendent plus en latitude que prévu.
Pendant le minimum solaire, le vent solaire ne souffle pas à la même vitesse d’une région à l’autre.
Ainsi, le vent issu des régions proches des pôles est plus rapide (750 km/s) que celui issu des régions
proches de l’équateur (350 km/s).
La troisième découverte majeure a des conséquences pour les vols habités dans l’espace. En
effet, elle concerne les tempêtes solaires qui peuvent endommager les circuits électroniques ou
même avoir des conséquences sur l’organisme humain. Il a toujours été considéré que ces
tempêtes étaient une conséquence du pic d’activité solaire. Ulysses a démenti cette théorie en
découvrant une tempête au pôle Sud pendant la période d’accalmie.
Une autre théorie démentie par Ulysses concerne l’accès du rayonnement cosmique à
l’héliosphère. Ulysses a constaté que pendant le minimum d’activité solaire, les rayonnements
cosmiques provenant de notre galaxie n’ont pas, comme cela était pensé auparavant, aussi facile
pour accéder aux régions polaires de l’héliosphère, là où le champ magnétique est
vraisemblablement plus faible et plus radial. Au contraire, leur distribution est presque
sphériquement symétrique. C’est le résultat des vagues se propageant le long des lignes
magnétiques dans le vent solaire et qui s’oppose à cet accès.
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Ulysses a permis également de
mieux comprendre la nature du
nuage interstellaire contenant de la
poussière et des gaz et qui traverse
le système solaire et mieux
appréhender la taille de
l’héliosphère grâce à la mesure
d’hélium interstellaire qui pénètre
dans l’héliosphère. Ulysses a
également constaté que le vent
interstellaire est assez rapide pour
créer une onde de choc où les
franges externes de l’héliosphère
rencontrent le vent interstellaire et
affecte l’accès de ce même vent.
Schéma représentant le vent interstellaire heurtant
l’héliosphère. Photo ESA.
Toujours concernant
l’environnement interstellaire,
Ulysses a détecté pour la première
fois des particules de poussière
minuscules d’origine interstellaire,
prouvant qu’elles peuvent entrer dans l’héliosphère.
Ulysses a étudié l’abondance du rayon radioactif cosmique. La sonde n’en a découvert que de
deux types et a prouvé qu’ils passent la majeure partie de leur vie, qui est estimée entre 10 et 20
millions d’années, dans le halo galactique.
La dernière découverte et non des moindres concerne le devenir de l’Univers. Ulysses a mesuré
l’abondance d’isotope d’hélium dans le gaz interstellaire. Ces mesures, qui sont importantes pour
les scientifiques qui étudient le Big-Bang, renforcent la théorie selon laquelle, la quantité de matière
présente dans l’Univers n’est pas assez importante pour conduire à un effondrement cosmique à la
fin du temps.
DICO
Rayonnement radioactif cosmique : il est produit lorsque le rayonnement cosmique entre en
collision avec les atomes du gaz interstellaire et qu’il perd des neutrons ou protons, laissant la
matière radioactive.
Halo galactique : Secteurs dessus et dessous le disque galactique, là où la matière est
sensiblement inférieure.
Big-Bang : Explosion originelle qui a donné naissance à l’univers tel que nous le connaissons.
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LA FICHE TECHNIQUE
L
a sonde Ulysses a été construite par Dornier Systems, devenu depuis Astrium pour une durée de
vie de 5 ans. La mission était suivie par le réseau de station de poursuite Deep Space Network
de la Nasa. Les résultats obtenus étaient analysés tant par les équipes européennes (ESA)
qu’américaines (Jet Propulsion Laboratory de la Nasa).
DIMENSIONS
Longueur : 3,2 m
Largeur : 3,3 m
Hauteur : 2,1 m
MASSE
Totale : 367 kg
Charge utile : 55 kg
Carburant : 33,5 km d’hydrazine
STABILISATION
Rotation à raison de 5 tours par minute
PUISSANCE
Puissance fournie par un générateur radio isotopique thermoélectrique
Début de mission : 285 W
Fin de mission : 255 W (prévue)
Fin de mission : 195 W (réelle)
COMMUNICATIONS
Antenne parabolique haut gain (1,65 m) plus deux antennes faible gain
Bande X : 20 W (émission vers la Terre)
Bande S : 5 W (émission/réception)
TELEMETRIE
Temps réel : 1024 b/s
Stockage : 512 b/s
BRAS
Antenne radiale dipôle : 72,5 m
Antenne axiale monopôle : 7,5 m
Magnétomètre : 5,6 m
La sonde Ulysses en cours de préparation à l’ESTEC (PaysBas) dans les bâtiments de l’agence spatiale européenne
avant son départ pour le Kennedy Space Center. Photo
ESA.
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L’INSTRUMENTATION
L
a sonde emportait avec elle 10 instruments développés tant aux Etats-Unis qu’en Europe et qui
étaient voués à des domaines de recherche aussi riches que variés tels que l’étude du vent
solaire, le champ magnétique solaire, la poussière et les gaz circulant dans le système solaire
entre autres.
VHM/FGM (Vector Helium
Magnetometer / Flux Gate
Magnetometer)
Maître d’œuvre : GrandeBretagne
Objectifs : Il est conçu pour
mesurer le champ
magnétique dans
l’héliosphère et étudier ses
variations aux différentes
latitudes. Le MAG a
également étudié le champ
magnétique de Jupiter lors
du survol d’Ulysses.
SWOOPS (Solar Wind Plasma
Experiment)
Maître d’œuvre : Etats-Unis
Objectifs : Etudier le vent
solaire à toutes les distances
et latitudes solaires et en 3 dimensions
URAP (Unified Radio and Plasma Wave Instrument)
Maître d’œuvre : Etats-Unis
Objectifs : Etudier les ondes radio provenant du Soleil et les ondes électromagnétiques générées
par le vent solaire proche du vaisseau
EPAC & GAS (Energetic Particle Instrument & Interstellar Neutral-Gas Experiment)
Maître d’œuvre : Allemagne
Objectifs : EPAC était chargé d’étudier l’énergie, les fluctuations et distribution des particules
énergétiques dans l’héliosphère pendant que GAS étudiait les gaz non chargés électriquement
(hélium) d’origine interstellaire.
HI-SCALE (Heliosphere Instrument for Spectra, Composition & Anisotropy at Low Energies)
Maître d’œuvre : Etats-Unis
Objectifs : Etudier l’énergie, les flux et distribution des particules énergétiques dans l’héliosphère.
COSPIN (Cosmic Ray and Solar Particle Instrument)
Maître d’œuvre : Etats-Unis
Objectifs : Etudier l’énergie, les flux et distribution des particules énergétiques et rayons cosmiques
galactiques dans l’héliosphère
GRB (Solar X-ray and Cosmic Gamma-Ray Burst Instrument)
Maître d’œuvre : Etats-Unis
Objectifs : Etudier les sursauts gammas et les rayons X provenant du rayonnement solaire
DUST (Dust Experiment)
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Maître d’œuvre : Allemagne
Objectifs : Destiné à la mesure directe des grains de poussière interplanétaires et interstellaire dans
le but d’examiner leurs propriétés en fonction de la distance du Soleil et latitudes solaires.
Variations de la température coronale mesurée par l’instrument SWICS de la sonde Ulysses
entre décembre 1990 et janvier 2007. Le vent solaire provenant des trous coronaux est
caractérisé par des grandes vitesses de vent solaire (700 à 800 km/s) et une température
coronale basse ( 1 à 1,3 MK). Photo ESA.
SWICS (Solar Wind Ion Composition Instrument)
Maître d’œuvre : Etats-Unis, Suisse
Objectifs : Déterminer la composition, la température et la vitesse des atomes et ions contenu dans
le vent solaire.
Si la plupart des expériences que transporte la sonde Ulysses sont américaines, la structure de
l’engin est entièrement européenne. Ainsi les pièces, qui ont servi à l’assemblage de la sonde chez
Dornier (Allemagne), ont convergé à travers toute l’Europe (Suisse, Espagne, Pays-Bas, Italie,
Belgique, France, Suède, Royaume-Uni, Danemark, Autriche). Le générateur nucléaire servant à
alimenter électriquement Ulysses provient des Etats-Unis.
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LA CARTE D’IDENTITE DU SOLEIL
POSITION
Distance moyenne de la Terre : 149 597 890 km (1 U.A.)
Distance maximale de la Terre : 152 100 000 km (1,017 U.A.)
Distance minimale de la Terre : 147 100 000 km (0,983 U.A.)
ORBITE
Période de rotation sidérale : 25 jours 9:36
Inclinaison sur l'écliptique : 7° 25'
Inclinaison de l'équateur sur l'orbite : 3° 12'
MESURES
Rayon équatorial : 695 500 km
Circonférence équatoriale : 4 379 000 km
Volume : 1 142 200 000 000 000 000 km3
Masse : 1,989 x 1030 kg
Densité : 1,409 g/cm3
Surface : 6 087 799 000 000 km2
GRAVITE
Gravité à la surface à l'équateur : 274,0 m/s2
Vitesse d'évasion : 2 233 720 km/h
Le Soleil photographié par le satellite SOHO.
Photo ESA.
COMPOSITION
Composition : coeur (+/- 42 %), centre radioactif
(+/- 29 %), photosphère (+/- 27 %)
Composition gazeuse : hydrogène (71 %), hélium
(26,5 %), autres (2,5 %)
INFORMATIONS COMPLEMENTAIRES
Températures : 6 000° C (en surface) et 15 000 000° C (coeur)
Type spectral : G2 V
Vitesse relative par rapport aux étoiles proches : 19,7 km/s
Constante solaire : 1,365 - 1,369 kW/m2
Durée de vie estimée : 10 milliards d'années
Age estimé : 5 milliards d'années
DICO
U.A. : Abréviation du terme Unité Astronomique. Unité de distance équivalente à la distance
moyenne entre la Terre et le Soleil, soit 149 597 870 km.
Rotation sidérale : Période durant laquelle un astre réalise un tour sur lui-même. Sur Terre, c’est
l’équivalent d’une journée.
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LA COUPE DU SOLEIL
Le noyau: C'est le siège de l'une des plus formidables forces de la nature puisque la chaleur
engendrée par la transformation de l'hydrogène en hélium crée des températures de l'ordre de 15
millions de degrés Celsius. On peut estimer la pression exercée à l'intérieur du noyau de l'ordre de
250 000 bars.
La zone radiative: une zone très large si on la compare aux autres. On l'appelle zone radiative
parce que l'énergie produite à l'intérieur du noyau est transportée par rayonnement.
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La zone convective: zone entourant la zone radiative. Après être sortie du noyau, l'énergie est
passée par la zone radiative puis la voilà dans la zone convective. La lumière contenue dans cette
zone est opaque et la seule façon de propager l'énergie produite par le noyau est la convection.
Entre la zone convective et la zone radiative, un frottement se crée, donnant naissance à un
courant électrique qui est à l'origine du champ magnétique du Soleil. Les boucles magnétiques
remontent à la surface, visibles sous la forme de taches solaires.
La photosphère: tout comme la zone radiative, l'énergie produite est transportée par rayonnement.
C'est ce qui est visible à "l'oeil nu". Les astronomes estiment que cette zone est épaisse de 200 à 500
km. La température passe de 4 500° pour les régions les plus froides, notamment les taches (ce qui
les fait paraître en noir) à 6 000°C pour les régions les plus chaudes.
La chromosphère: couche transparente mais très chaude au-dessus de la photosphère. Sa
température passe de 4 500° à 50 000°C. Son épaisseur est d'environ 10 000 km. Dans cette région
sont visibles les protubérances, les spicules, facules et éruptions solaires, vents solaires.
Les vents solaires: dans la couronne solaire, des flux de particules chargées principalement de
protons et d'électrons s'échappent vers l'espace. Ces flux sont contrôlés par le champ magnétique
du Soleil. Pendant leur voyage dans l'espace interplanétaire, ils peuvent rencontrer le champ
magnétique des planètes. Ils sont alors aspirés dans les cônes magnétiques et donnent naissance
aux aurores dans les pôles magnétiques.
La couronne solaire: zone très peu visible dans "l'atmosphère solaire". Les gaz y sont très peu ionisés
de fait de la température très élevée (de 1 à 2 millions de degrés), les atomes perdant leurs
électrons. Du fait de sa transparence, elle est très difficile à étudier. Les astronomes profitent des
éclipses solaires, au moment où la Lune cache totalement le Soleil, pour l'étudier, car elle se
dégage admirablement bien dans le ciel noir.
Spicules: jets de matière provenant de la chromosphère et se dirigeant vers la couronne à la
vitesse de 30 km/s. Leur diamètre est d'environ 1 000 km pour une hauteur variant de 6 000 à 10 000
km. Leur durée de vie ne dépasse pas les 10 minutes.
Protubérances: arcs de gaz d'origine magnétique reliant 2 taches proches l'une de l'autre. Elles sont
constituées d'un nombre important de lignes magnétiques entrelacées, créant de gigantesques
arcs. Leur durée de vie peut aller jusqu'à quelques jours.
Eruption: sur la photosphère, localisés très localement, les gaz peuvent voir leur température monter
jusqu'à 5 millions de degrés avant d'exploser dans de gigantesques panaches. L'éruption dure
quelques minutes. Il faut compter plusieurs heures avant que les gaz n'atteignent l'orbite de la
Terre.
Taches solaires: ces points noirs à la surface du Soleil sont des régions fortement magnétiques. Ce
magnétisme est provoqué par le frottement de la zone convective sur la zone radiative. En
fonction de l'activité solaire, qui s'étend sur une période de 11 ans, le nombre de ses taches varie.
Plus le nombre augmente et plus l'activité est forte. On les retrouve par petits groupes et par paire.
La couleur noire est due à aux températures beaucoup plus basses que les régions les entourant.
La durée de vie de ces taches peut aller de quelques jours à quelques mois.
Granules: la photosphère est une zone très active du Soleil et convective divisée en cellules
convectrices individuelles appelées granules. Chacune d'elle mesure 1 000 km de côté et disparaît
après 8 minutes environ, remplacée par de nouvelles granules.
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LES SOURCES
http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=14351
http://ulysses.jpl.nasa.gov/
Space Connection 32 – Le Soleil, tout feu tout flammes
Space Connection 6 – Dossier relations Soleil-Terre
Une histoire couronnée de succès – 30 découvertes au crédit du programme scientifique de l’ESA
Ulysses – A la découverte de l’inconnu
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www.destination-orbite.net
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FT-04/06-2008