sciences spatiales et préparation de l`avenir

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SCIENCES SPATIALES
ET PRÉPARATION
DE L’AVENIR
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Soleil, héliosphère, magné
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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C
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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.
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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.
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