66 SCIENCES SPATIALES ET PRÉPARATION DE L’AVENIR Ob se l’U rver niv et ers étu av die ec r le l’a s l’a stro obje str no ts op m de hy ie e siq t ue "# % L’exobio log la vie es ie ou comment t-elle ap parue ? Co de mpr for end ma re tio le p n d ro u s ces yst sus èm es ola ire ! & ace l’esp pes s n a i le d rinc enta lois et p m a er ond ue f our test ysiq p h p La ' Soleil, héliosphère, magné tosphère... chaîne des relations Soleil-T erre Sciences le vivant en micropesante et la mati u ère à l’étu r : de ir : n ve l’a e d ion ? rat l fait a p -i pré a-t et ser e i in log a no i dem h c o Te qu de $ " rapport d’activité 2010 L’UNIVERS : UN MONDE INFINI À EXPLORER G râce à sa capacité d’innovation, à sa stratégie de coopération et à son rôle de catalyseur au sein de la communauté scientifique, le CNES contribue à la réalisation de projets spatiaux ambitieux, essentiels à la compréhension du cosmos. Les microsatellites du CNES furent à l’honneur en 2010 : le 15 juin a été lancée la mission Picard destinée à l’étude de la variabilité du Soleil et, en décembre, le Conseil d’administration a décidé d’engager le développement de Taranis, qui étudiera les flashs d’énergie qui se produisent dans la très haute atmosphère de la Terre. C’est aussi en 2010 que les satellites Planck et Herschel, lancés en 2009, ont dévoilé leurs premiers résultats scientifiques, comme la détection de vapeur d’eau dans l’espace interstellaire ou les cartes de la distribution à grande échelle de la poussière dans la Voie Lactée. Le télescope spatial CoRoT a, quant à lui, déjà observé près d’une vingtaine d’exoplanètes très diverses. Enfin, après le survol de l’astéroïde Lutetia, la sonde Rosetta s’est préparée à entrer en hibernation pour les dernières années de son long voyage vers la comète Churyumov-Gerasimenko. Acteur majeur du programme scientifique de l’Agence spatiale européenne (ESA), le CNES soutient également les projets soumis par des équipes françaises en compétition pour les premières missions du plan Cosmic Vision pour les années 2015-2020. 67 68 OBSERVER ET ÉTUDIER LES OBJETS DE L’UNIVERS AVEC L’ASTRONOMIE ET L’ASTROPHYSIQUE Le premier ciel complet du satellite Planck révèle notre Galaxie comme nous ne l'avons jamais vu, en avant-plan du rayonnement fossile du Big-Bang. HERSCHEL ET PLANCK, DES OBSERVATOIRES SPATIAUX À PLEINE PUISSANCE Dédiés à l’étude des origines de l’Univers, des galaxies et des étoiles, ces deux satellites de l’Agence spatiale européenne, lancés en mai 2009, fonctionnent remarquablement bien et fournissent des données de très grande qualité. Les premiers résultats d’Herschel ont fait l’objet d’un numéro spécial de la revue européenne Astronomy & Astrophysics. Herschel a détecté un grand nombre de molécules comme de la vapeur d’eau dans les nuages interstellaires, mais aussi des galaxies très lointaines grâce au phénomène de lentille gravitationnelle, une première dans les longueurs d’onde submillimétriques. De son côté, Planck a effectué deux couvertures complètes du ciel et commencé la troisième. Ses instruments ont déjà produit des cartes spectaculaires des poussières de la Voie Lactée et détecté de nouveaux amas de galaxies très lointains. COROT DOUBLE SON TABLEAU DE CHASSE D’EXOPLANÈTES CoRoT, mission de recherche d’exoplanètes et d’étude des étoiles, a doublé son palmarès en 2010 avec la découverte de huit nouvelles planètes hors du système solaire, de caractéristiques très diverses. Parmi elles figurent CoRoT-9b, la première exoplanète tempérée à transits ou encore CoRoT-15b, l’une des plus massives jamais observées. Cette dernière est sans doute une étoile « avortée ». CoRoT sonde aussi l’intérieur des étoiles en mesurant les infimes variations de luminosité produites par leur activité sismique. Le télescope a révélé pour la première fois l’existence, dans une autre étoile, d’un cycle d’activité à longue période comparable à celui du Soleil. rapport d’activité 2010 | Sciences spatiales & préparation de l’avenir La mission d’astrométrie Gaia. GAIA, UNE MISSION POUR CARTOGRAPHIER NOTRE GALAXIE Gaia, dont le lancement est prévu en 2013, fournira à la communauté scientifique des mesures de position et de vitesse d’une précision sans précédent pour près d’un milliard d’astres de notre galaxie, ainsi que des données spectroscopiques pour l’étude physico-chimique de plusieurs dizaines de millions d’entre eux. Le traitement au sol des données de Gaia constitue un véritable défi. Il a été confié à un consortium européen de laboratoires, le DPAC (Data Processing and Analysis Consortium), piloté par la France et dans lequel le CNES joue un rôle très important. Les phases d’intégration et d’essais système ont débuté en 2010. US C FO La Vision cosmique de l’astrophysique Deux missions d’astrophysique de taille moyenne, candidates au programme scientifique « Cosmic Vision 2015-2025 » de l’Agence spatiale européenne, sont entrées en phase de définition. Il s’agit d’Euclid qui tentera de percer les mystères de l’énergie noire et de la matière noire, et de Plato qui cherchera des exoplanètes de type terrestre tout en étant capable de caractériser leur étoile hôte. Les consortiums à l’origine de ces projets sont pilotés par des scientifiques français. Les équipes sont soutenues financièrement et techniquement par le CNES pour préparer la phase finale de sélection en 2011. Ces missions ont été présélectionnées par l’ESA aux côtés de la mission de physique solaire Solar Orbiter. Deux d’entre elles seulement seront retenues. Vue d’artiste de l’exoplanète CoRoT-9b. 69 70 COMPRENDRE LE PROCESSUS DE FORMATION DU SYSTÈME SOLAIRE ROSETTA : SURVOL DE LUTETIA AVANT LE GRAND SOMMEIL Illustration de la sonde Rosetta. Illustration de Philae, l’atterrisseur de la mission Rosetta. Rosetta, mission de l’ESA lancée en 2004 pour mieux comprendre le processus de formation du système solaire, doit atteindre dix ans plus tard son objectif final, la comète Churyumov-Gerasimenko. Sur son trajet, elle est passée en 2008 à proximité de l’astéroïde Steins et, en juillet 2010, à environ 3 000 km de Lutetia. Les instruments embarqués ont permis d’observer les détails de la surface du plus gros astéroïde jamais survolé par une sonde spatiale. Rosetta embarque un atterrisseur dénommé Philae. Lors du dernier contrôle actif de la charge utile, des modifications de logiciel ont été téléchargées à bord de Philae et testées avec succès. L’atterrisseur est maintenant en configuration nominale avant la phase d’hibernation de la sonde – due à un Soleil de plus en plus lointain – qui commencera en juin 2011 et se terminera cinq mois avant l’arrivée au voisinage de la comète. rapport d’activité 2010 | Sciences spatiales & préparation de l’avenir L’EXOBIOLOGIE OU COMMENT LA VIE EST-ELLE APPARUE ? DES ÉCHANTILLONS DE MATIÈRE ORGANIQUE DANS L’ESPACE Les expériences d’exposition d’échantillons de matière et de mélanges gazeux aux rayonnements solaires se poursuivent sur la Station spatiale internationale avec l’instrument Expose R, installé depuis mars 2009 à l’extérieur du module russe Zarya. Les équipes scientifiques internationales ont décidé, en accord avec l’Agence spatiale européenne, de reporter à mars 2011, après deux ans d’exposition, le retour au sol des échantillons. Pendant l’année 2010, trois laboratoires français sélectionnés par l’ESA ont commencé la préparation des nouvelles expériences qui seront emportées fin 2011 pour être installées sur l’instrument. S CU FO Objectif Mars : la planète rouge a-t-elle un jour été habitable ? La préparation du programme ExoMars, mené en coopération entre l’ESA et la NASA, et constitué de deux missions, se poursuit. Sa vocation : étudier l’environnement martien comme son atmosphère ou la composition de son sol pour rechercher des traces de vie passées ou présentes sur cette planète. Il s’agit également, pour l’Europe, de maîtriser de nouvelles technologies afin de participer à de futures missions comme le retour d’échantillons de Mars vers la Terre. Lancée en 2016, la première mission mettra en orbite un satellite-relais qui larguera un module d’atterrissage européen. En appui à l’ESA, le CNES travaille au contrôle de la phase de descente jusqu’à l’atterrissage de ce module. La seconde mission lancée en 2018 aura pour objectif la pose en douceur, sur le sol martien, de deux véhicules, l’un américain et l’autre européen. Les laboratoires français consolident la conception des instruments d’analyse destinés au véhicule européen. Leur réalisation doit être décidée en 2011. Le CNES a aussi livré à l’ESA, dans le cadre de l’assistance à maîtrise d’ouvrage, les premiers algorithmes qui assureront la navigation autonome de ce véhicule. L’exploitation des données du programme ExoMars est préparée par des collectes de roches terrestres de référence, soutenues par le CNES. Le véhicule de surface américain ou « rover » Mars Science Laboratory doit s’envoler vers Mars fin 2011. Une intense activité, coordonnée par le CNES, a précédé la livraison par le CESR (Centre d’Etude Spatiale des Rayonnements), le Latmos (Laboratoire Atmosphères Milieux Observations Spatiales) et le LISA (Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques), des contributions françaises aux expériences ChemCam (Chemistry Camera) et Sam (Sample Analysis at Mars). La première effectuera des analyses par ablation laser de la composition des roches de Mars et la seconde des analyses minérales et atmosphériques. 71 72 LA PHYSIQUE FONDAMENTALE DANS L’ESPACE POUR TESTER LOIS ET PRINCIPES LA GRAVITATION ET L’ESPACE-TEMPS PASSÉS AU CRIBLE Instrument Pharao au Centre spatial de Toulouse. Les missions spatiales de ce domaine cherchent à pousser dans leurs retranchements les lois de la physique en réalisant des mesures extrêmement précises à base d’horloges, d’interféromètres, d’accéléromètres. L’horloge Pharao à atomes de césium refroidis par laser, associée à un maser à hydrogène et à deux liens de transfert de temps micro-onde et optique, sera au cœur de l’ensemble Aces de l’ESA, embarqué à l’extérieur de la Station spatiale internationale à l’horizon 2014. L’objectif d’Aces est une précision de l’ordre de la seconde sur 300 millions d’années. En comparant les signaux d’horloges atomiques au sol, il effectuera des tests de la relativité d’Einstein avec une précision inégalée. La construction du modèle de vol de Pharao progresse comme prévu. La revue critique de définition s’est déroulée en octobre 2010. Une démonstration de transfert de temps par voie optique a été réalisée avec l’instrument T2L2 (Transfert de Temps par Lien Laser) développé par le CNES et l’OCA (Observatoire de la Côte d’Azur) et installé à bord du satellite Jason 2. Les performances du transfert de temps à la picoseconde ont été validées et l’expérience a été prolongée jusqu’en juin 2012. Le projet Microscope vise à tester le principe d’équivalence entre masse pesante et masse inerte, à la base de la relativité générale. Les masses d’épreuve en chute libre sont contrôlées par un accéléromètre électrostatique développé par l’Onera. Les essais de qualification de cet instrument ont donné satisfaction. Le CNES et l’ESA s’étant mis d’accord sur un nouveau type de micropropulsion, l’architecture du microsatellite a évolué. La réalisation du modèle de vol sera soumise à décision en 2011, après la revue de définition. rapport d’activité 2010 | Sciences spatiales & préparation de l’avenir SOLEIL, HÉLIOSPHÈRE, MAGNÉTOSPHÈRE... CHAÎNE DES RELATIONS SOLEIL-TERRE TARANIS À LA POURSUITE DES ELFES Derrière des noms aussi poétiques que « elfes », « sylphes », « sprites » ou « blue jets », se cachent des phénomènes énergétiques qui se produisent à l’interface de l’atmosphère terrestre, de la thermosphère et de l’ionosphère, entre 20 et 100 km au-dessus de la Terre. Microsatellite de la filière Myriade, Taranis a pour objet de mieux comprendre ces processus transitoires appelés TLE (Transient Luminous Events), découverts il y a un peu plus de dix ans. Le Conseil d’administration du CNES du 9 décembre 2010 a décidé le passage en phase de réalisation de cette mission originale, qui devrait être lancée en 2016. Taranis, microsatellite, du programme Myriade du CNES. S CU FO Une place au Soleil pour le microsatellite Picard Le diamètre du Soleil varie-t-il en fonction de son activité ? L’activité du Soleil a-t-elle une influence sur le climat terrestre ? La mission Picard lancée le 15 juin 2010 apportera des éléments de réponse à ces questions. Ce microsatellite de la filière Myriade embarque trois instruments pour mesurer simultanément les variations géométriques et énergétiques du Soleil. Ces données sont essentielles à la modélisation tant du climat terrestre que de la physique interne de notre étoile. Des mesures devenues réalisables. Picard a été développé dans le cadre d’un partenariat entre le CNES, le laboratoire Latmos, le PMOD (Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos) suisse et l’IRMB (Institut Royal de Météorologie Belge), qui fournissent respectivement les instruments Sodism, Premos et Sovap. Le premier prend des images du Soleil à haute résolution pour mesurer les variations de son diamètre avec une précision de quelques millisecondes d’arc. Les deux autres mesurent les variations de la puissance rayonnée par le Soleil à certaines longueurs d’onde, mais aussi sur l’intégralité du spectre lumineux. Le satellite Picard a été lancé avec la mission de test en orbite du vol en formation franco-suédoise Prisma et placé avec une excellente précision sur une orbite héliosynchrone, à 725 km d’altitude. Les données produites par le Centre de mission scientifique Picard, implanté à Bruxelles, seront mises progressivement à la disposition de la communauté scientifique. Toujours plus près du Soleil. Les missions suivantes s’approcheront au plus près du Soleil pour mieux l’observer. À 42 millions de km (la distance moyenne Soleil-Terre est de 150 millions de kilomètres) pour Solar Orbiter, la prochaine grande mission d’observation du Soleil de l’ESA menée en collaboration avec la Nasa. Encore plus audacieuse, la mission Solar Probe Plus de la Nasa s’en approchera à moins de 7 millions de km. Des scientifiques français participeront à ces deux missions. 73 74 SCIENCES EN MICROPESANTEUR LE VIVANT ET LA MATIÈRE À L’ÉTUDE Le programme de sciences en micropesanteur étudie en particulier l’impact de la micropesanteur sur la matière inerte et sur les organismes vivants. La micropesanteur est donc tout à la fois un outil de recherche et un environnement auquel doivent s’adapter les technologies spatiales et le corps humain. LES ASTRONAUTES… ET LES SOURIS SOUS SURVEILLANCE MÉDICALE Deux programmes sont dédiés au suivi médical des astronautes : Cardiomed assure le suivi médical des spationautes en direct depuis la Station spatiale internationale. Il a été intégré dans l’équipement de suivi médical russe en février 2010 et son exploitation a commencé en décembre ; Cardiospace, mené en coopération avec l’agence spatiale chinoise, prépare la spatialisation d’instruments médicaux pour les futures missions ShenzhouTiangong. L’étude de faisabilité a commencé en décembre 2010. US C FO Affecté par le séjour en micropesanteur, le système cardiovasculaire mérite une attention particulière. En l’absence de suivi en continu de la pression artérielle et de la fréquence cardiaque des astronautes au cours d’un vol spatial, le CNES a conçu le système MTB (Mice Telemetry in BION) pour effectuer ces mesures chez la souris. Le modèle de qualification a été livré en décembre 2010. Expérience Seve (Suivi Expérimental Vasculaire et cardiaque en vol). Le corps à l’épreuve Sur Terre, sous l’effet de la pesanteur, notre cœur doit fournir un travail important pour alimenter les organes supérieurs. En micropesanteur, ce fonctionnement reste inchangé mais les fluides corporels ne redescendent plus aussi simplement et s’accumulent au niveau du cerveau. C’est le syndrome de la « tête pleine », conséquence d’une brusque variation de pesanteur. Ces désagréments éprouvés par les spationautes en orbite disparaissent en général au bout de deux ou trois jours, le temps pour l’organisme de s’acclimater. Ils souffrent aussi, lors de leurs sorties extravéhiculaires et de leur retour sur Terre, de problèmes cardio-vasculaires liés à l’apesanteur. Le principal symptôme est une diminution de la tolérance à la station debout. Les données fournies par Cardiomed permettront aux médecins de mettre au point les mesures de prévention adaptées. rapport d’activité 2010 | Sciences spatiales & préparation de l’avenir L’astronaute allemand Hans Schiegel lors d’une sortie à l’extérieur du laboratoire européen Columbus. Suivi de l'expérience Déclic depuis le CADMOS, au Centre spatial de Toulouse. DE L’EAU À LA FOIS LIQUIDE ET GAZEUSE Installé à bord de la Station spatiale internationale en septembre 2009, l’instrument Déclic (Dispositif d’Étude de la Cristallisation et des Liquides Critiques) a été développé par le CNES. Il a déjà accumulé plus de 3 500 heures d’expériences pilotées par le Cadmos (Centre d’Aide au Développement des activités en Micropesanteur et des Opérations Spatiales) à Toulouse, et il a donné ses premiers résultats en 2010. Parmi ces résultats figure la mesure ultra précise de la température à laquelle l’eau sous pression se transforme en eau supercritique, autrement dit devient liquide et gazeuse à la fois. Les chercheurs s’intéressent à l’eau supercritique car il s’agit d’un état de la matière encore mal connu et très prometteur : elle peut, par exemple, dissoudre et « brûler » efficacement des déchets organiques sans émettre de polluants. 75 76 TECHNOLOGIE ET PRÉPARATION DE L’AVENIR DE QUOI DEMAIN SERA-T-IL FAIT ? Le programme de Recherche et Technologie du CNES a pour vocation la réalisation de sauts technologiques, la préparation des projets futurs et le développement de capacités d’expertise nationales. Cette activité implique, aux côtés du CNES, des laboratoires de recherche scientifique et technologique, les maîtres d’œuvres de satellites, les grands équipementiers du spatial ainsi que des PME et des sociétés de services. Quatre exemples illustrent la variété des activités conduites dans ce domaine. DE NOUVEAUX DÉTECTEURS POUR L’ASTROPHYSIQUE En partenariat avec le Laboratoire de Photonique et de Nanostructures du CNRS (Centre national de la recherche scientifique), le laboratoire Lerma de l’Observatoire de Paris a développé et fabriqué des bolomètres à électrons chauds fonctionnant à quelques degrés au-dessus du zéro absolu. Leurs performances, stabilité et reproductibilité sont au meilleur niveau mondial. Ces nouveaux détecteurs fonctionnant dans l’infrarouge lointain pourraient équiper des télescopes embarqués sous ballon ou un futur observatoire spatial. MESURE DE RÉFLECTOMÉTRIE À PARTIR DE SIGNAUX GNSS Est-il possible de détecter et de localiser des bateaux à partir de signaux d’émission radiofréquence opportunistes GNSS (Global Navigation Satellite System) et de capteurs dédiés passifs ? Le développement d’un simulateur de mission a démontré qu’un système de réflectométrie radar, captant simultanément deux signaux GNSS, fournissait des capacités d’imagerie et de localisation compatibles avec les besoins de la sécurité et de la surveillance maritime. rapport d’activité 2010 | Sciences spatiales & préparation de l’avenir SOURCES HYPERFRÉQUENCES À BASE DE MICRORÉSONATEURS TÉLÉPHONIE MOBILE À TRÈS HAUT DÉBIT L’oscillateur ultra stable est un élément indispensable pour un instrument comme l’horloge atomique Pharao. Il sera tout aussi utile pour des applications futures de navigation par satellite. Mais les performances de la technologie actuelle à base de quartz deviennent insuffisantes. Une des solutions de remplacement pourrait être un oscillateur ultra stable miniature aux fréquences micro-ondes comme celui que les laboratoires ENSSAT, FEMTO-ST et LAAS ont conçu. L’évolution des services de télécommunication vers des services multimédia large bande requiert une bonne compréhension des propriétés du canal de propagation pour concevoir les futurs systèmes. Un outil de simulation physique-statistique des effets de l’environnement (bâtiments, arbres, caténaires...) et de la troposphère (nuages, gaz, pluie, scintillation...) a été développé par l’Onera et l’Université de Vigo pour faciliter les applications de téléphonie mobile par satellite. Il s’agit d’une première puisque qu’il n’existe pas de logiciel de ce type pour des fréquences supérieures à 10 GHz. 77