ULYSSES. A la Découverte du Soleil

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2 ULYSSES A la Découverte du Soleil 2

3 SOMMAIRE La présentation de la mission... 4 Les découvertes d Ulysses... 7 La fiche technique... 9 L instrumentation La carte d identité du Soleil La coupe du Soleil Les sources

4 LA PRESENTATION DE LA MISSION Les premières ébauches d une mission conjointe Europe/Etats-Unis pour l étude des pôles du Soleil commencent dès 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 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 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 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. La sonde Ulysses avant son largage de la soute de la navette Discovery. Photo Nasa. 4 En janvier 1989, Ulysses subit une seconde série de tests de certification pour le vol et est envoyée à Cap Canaveral en mai Après bien des péripéties, la navette Discovery s élance de son pas de tir le 06 octobre 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 km/h pour rejoindre Jupiter, le seul astre proche de la Terre capable de 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

5 obtenus un an plus tôt. Le 26 février 1998, Ulysses a bouclé sa première orbite. DICO Plan de l écliptique : disque invisible sur lequel tournent toutes les planètes du système solaire avec en son centre, le Soleil. L orbite accomplie ne signifiait pas la fin de la mission. Les scientifiques ont décidé de poursuivre la recherche. Le 17 avril 1998 débutait la seconde orbite, suivie le 30 juin 2004 par une troisième. En février 2003, le système 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. 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 5

6 La mission de la sonde Ulysses en 9 points : 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 6

7 LES DECOUVERTES D ULYSSES Sur 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. 7

8 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. prouvant qu elles peuvent entrer dans l héliosphère. Toujours concernant l environnement interstellaire, Ulysses a détecté pour la première fois des particules de poussière minuscules d origine interstellaire, 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. 8

9 LA FICHE TECHNIQUE La 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 (Pays- Bas) dans les bâtiments de l agence spatiale européenne avant son départ pour le Kennedy Space Center. Photo ESA. 9

10 L INSTRUMENTATION La 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 : Grande- Bretagne 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. et latitudes solaires et en 3 dimensions SWOOPS (Solar Wind Plasma Experiment) Maître d œuvre : Etats-Unis Objectifs : Etudier le vent solaire à toutes les distances 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) 10

11 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 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. 11

12 LA CARTE D IDENTITE DU SOLEIL POSITION Distance moyenne de la Terre : km (1 U.A.) Distance maximale de la Terre : km (1,017 U.A.) Distance minimale de la Terre : 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 : km Circonférence équatoriale : km Volume : km 3 Masse : 1,989 x kg Densité : 1,409 g/cm 3 Surface : km 2 GRAVITE Gravité à la surface à l'équateur : 274,0 m/s 2 Vitesse d'évasion : km/h Le Soleil photographié par le satellite SOHO. Photo ESA. (26,5 %), autres (2,5 %) COMPOSITION Composition : coeur (+/- 42 %), centre radioactif (+/- 29 %), photosphère (+/- 27 %) Composition gazeuse : hydrogène (71 %), hélium INFORMATIONS COMPLEMENTAIRES Températures : C (en surface) et C (coeur) Type spectral : G2 V Vitesse relative par rapport aux étoiles proches : 19,7 km/s Constante solaire : 1,365-1,369 kw/m 2 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 km. Rotation sidérale : Période durant laquelle un astre réalise un tour sur lui-même. Sur Terre, c est l équivalent d une journée. 12

13 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 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. 13

14 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 pour les régions les plus froides, notamment les taches (ce qui les fait paraître en noir) à C pour les régions les plus chaudes. La chromosphère: couche transparente mais très chaude au-dessus de la photosphère. Sa température passe de à C. Son épaisseur est d'environ 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 km pour une hauteur variant de à 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 km de côté et disparaît après 8 minutes environ, remplacée par de nouvelles granules. 14

15 LES SOURCES 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 15

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