Géantes de glace et lunes glacées : une décennie de science planétaire regarde au-delà de Mars, au-delà du système solaire extérieur

La dernière fois que la communauté scientifique planétaire s’est réunie pour mener une étude de dix ans, Mars était en plein essor. La NASA avait effectué plusieurs missions sur Mars et travaillait sur sa curiosité la plus ambitieuse à ce jour, Curiosity. Une décennie de recherche a soutenu la poursuite de la stratégie d’exploration de Mars en soutenant une mission d’échantillonnage, première étape pour ramener ces échantillons sur Terre.

La situation est quelque peu différente dans la dernière étude sur la décennie des sciences planétaires, publiée par le Comité des académies nationales le 19 avril. Bien que Mars soit toujours au cœur de la science planétaire moderne de la NASA, la décennie de la planète montre que l’avenir est plus éloigné dans le système solaire, à la fois parmi les planètes lointaines et sur les lunes glacées qui peuvent avoir la vie.

URANIUM SUR NEPTUNE, ENCALITY SUR EUROPA

Si l’étude décennale dresse un panorama complet des sciences planétaires, depuis un état des lieux des connaissances actuelles dans le domaine jusqu’à l’état de la profession elle-même, ses recommandations pour les prochaines missions phares que la NASA devrait suivre sont les plus explorées. Ces recommandations guident les décisions sur les missions de plusieurs milliards de dollars. Les deux missions phares de la décennie précédente de 2011 – le Mars Wanderer et l’orbiteur Europa stockant la cache d’échantillons – ont pris la forme du Perseverance Wanderer et de l’Europa Clipper actuellement sur Mars, qui doivent décoller sur cette lune glacée de Jupiter en 2024.

Les dirigeants de la Décennie ont déclaré qu’au cours de ces discussions, il est devenu clair que la prochaine grande mission phare devrait se concentrer sur les deux planètes les moins étudiées du système solaire, Uranus et Neptune. Tous deux n’ont été visités que par un seul vaisseau spatial : Voyager 2, qui a volé d’Uranus en 1986 et de Neptune en 1989. Les scientifiques les appellent toutes deux des géantes de glace car elles sont plus petites que les mondes gazeux de Jupiter et de Saturne et peuvent contenir un mélange de roche et de glace à l’intérieur.

Uranus et Neptune sont les planètes les moins étudiées du système solaire. Tous deux n’ont été visités que par un seul vaisseau spatial : Voyager 2, qui a survolé Uranus en 1986 et Neptune en 1989. Auteurs : NASA / JPL-CALTECH

“C’est la seule classe planétaire du système solaire qui n’a pas eu d’orbite spéciale”, a déclaré Robin Canup du Southwest Research Institute, l’un des coprésidents du comité directeur de l’étude. “Soit comprendre la composition et les propriétés révolutionnerait notre compréhension des origines des systèmes de glace géants et du système solaire.”

Un autre facteur est que l’étude d’Uranus ou de Neptune peut fournir un aperçu des exoplanètes, étant donné le grand nombre de géantes de glace découvertes autour d’autres étoiles. “Nous pensons que c’est peut-être la classe de planètes la plus courante dans l’univers”, a-t-il déclaré.

La question clé était alors de savoir s’il fallait envoyer une mission à Uranus ou à Neptune. Ici, la préparation technique a fait pencher la balance en faveur de la mission Uranus. “Pour Uranus Orbiter et Probe, nous avons un concept de mission viable de bout en bout pour les lanceurs actuellement disponibles”, a déclaré Canup. “Aucune nouvelle technologie n’est nécessaire pour cette mission.”

La mission de 4,2 milliards de dollars, qui sera lancée en 2031 avec un Falcon Heavy ou un grand lanceur similaire, placerait un gros vaisseau spatial en orbite d’Uranium pour étudier la planète et ses lunes et anneaux, et pour placer une sonde dans l’atmosphère de la planète. Galileo l’a fait à Jupiter dans les années 1990. Le démarrage en 2031 ou 2032 pourrait profiter de l’assistance gravitationnelle de Jupiter pour atteindre Uranus dans environ 13 ans, tandis qu’un démarrage ultérieur dans les années 2030 nécessiterait une assistance gravitationnelle dans le système solaire interne pour atteindre Uranus environ 15 ans après le démarrage.

La décennie s’est également penchée sur l’orbite de Neptune, mais le problème clé était l’incertitude du lanceur: il nécessiterait une version améliorée du système de lancement Space 2 avec une marche supérieure Centauri supplémentaire. Cela coûterait également environ un milliard de dollars de plus que la mission Uranium.

La mission du deuxième vaisseau amiral vise Encelade, la lune glacée de Saturne, qui a un océan souterrain et des matériaux s’échappant de cet océan dans l’espace. “Il s’agit de la question clé : est-ce qu’Encelade est peuplée ?” dit Canup. Cela se ferait d’abord depuis l’orbite, en testant les matériaux lors de leur lancement dans l’espace, puis depuis la surface.

La mission Enceladus Orbilander, d’un coût de 4,2 à 4,9 milliards de dollars, sera lancée à la fin des années 2030 avec soit SLS, soit Falcon Heavy. Cela permettrait aux engins spatiaux d’atterrir au début des années 2050, lorsque les conditions d’éclairage sont favorables, dans les régions polaires sud d’Encelade, où l’on trouve de nombreux étalons de ce type.

La NASA a déjà enquêté sur la mission d’atterrir sur la lune glacée, mais pas sur Encelade. Il y a plusieurs années, l’agence a enquêté sur des enquêtes préliminaires sur la mission Europa Lander, commandées par John Culberson, alors président du sous-comité des crédits de la Chambre des représentants de la NASA et ardent défenseur de l’enquête européenne. La nouvelle mission d’atterrissage d’Europa figurait parmi les fleurons de l’enquête décennale, mais elle n’a pas abouti à des coupes.

Un autre coprésident, Philip Christensen de l’Université d’État de l’Arizona, a déclaré que les prunes proéminentes d’Encelade et l’environnement plus bénin là-bas ont aidé la mission à gagner Europe. Les prunes d’Europe sont plus aléatoires et l’environnement de rayonnement difficile signifie que l’atterrisseur ne peut fonctionner à Encelade que pendant des semaines au lieu d’années. “Nous avons juste pensé que si nous avions une chance d’explorer le monde océanique avec une mission phare, Encelade offrirait la meilleure opportunité”, a-t-il déclaré.

“Encelade est la bonne option pour le moment”, a ajouté Canup. “J’espère que nous serons en Europe pendant un certain temps.”

MARS APRÈS LE RETOUR DE L’ÉCHANTILLON

Mars n’a été inclus dans aucun des autres concepts de la mission phare examinés en détail au cours de la décennie. Cependant, le rapport a confirmé la campagne de retour d’échantillons de Mars en cours de la NASA, qui comprend Persévérance et maintenant deux atterrisseurs pour récupérer les échantillons collectés par l’orbite, et une orbite dirigée par l’Europe pour ramener les échantillons sur Terre.

“Notre recommandation est que le retour des échantillons est la priorité scientifique la plus élevée pour la mission robotique de la NASA, et le retour des échantillons sur Mars devrait être achevé dès que possible sans changer sa conception actuelle”, a déclaré Christensen.

Cependant, il a déclaré que la NASA devrait surveiller de près le coût de la mission. Le rapport indique qu’il en coûterait 5,3 milliards de dollars pour renvoyer des échantillons de Mars au cours de la prochaine décennie, ce que la NASA n’avait pas divulgué auparavant et est encore plus cher que les autres produits phares étudiés au cours de cette décennie.

Cela fait craindre que la hausse des coûts n’affecte d’autres missions sur la planète. “En regardant en arrière sur les 20 à 30 dernières années, l’exploration de Mars est clairement très importante dans le programme de recherche planétaire de la NASA”, a-t-il déclaré, représentant 25 à 35% du budget de la planète. Il a déclaré que les revenus de l’échantillon de Mars représenteraient 20% du budget prévu de la planète pour la prochaine décennie, il y a donc de la place pour des augmentations de coûts. Cependant, le rapport recommandait à la NASA de demander une augmentation du budget si les revenus de l’échantillon de Mars dépassaient ses coûts prévus de 20 % ou plus.

Encelade Orbilander est représenté en orbite et dans sa configuration d’atterrissage par son laboratoire de physique appliquée depuis la mission prévue vers la sixième lune de Saturne. Auteur : Laboratoire de physique appliquée de l’Université Johns Hopkins

Cela laisse très peu de place dans les budgets des autres missions martiennes, même si les missions existantes se terminent dans la prochaine décennie. La seule nouvelle mission sur Mars approuvée au cours de la décennie était un explorateur terrestre appelé Mars Life Explorer, à la recherche de preuves de la vie moderne près de la surface. Cette mission de 2,1 milliards de dollars ne sera lancée qu’au milieu des années 2030, en partie parce que les travaux n’ont pu commencer que lorsque les revenus du modèle de Mars auront dépassé son pic de dépenses au cours de cette décennie.

D’ici là, la NASA portera son attention sur les missions humaines vers Mars, et les responsables de l’agence prédisent aujourd’hui que les premières missions habitées sur Mars pourraient être lancées à la fin des années 2030. Au cours de la prochaine décennie, il y aura un chevauchement entre l’exploration humaine et robotique de la Lune, alors que la NASA envoie à la fois un train d’atterrissage robotique et des missions avec l’équipage d’Artemis à la surface de la Lune.

Une étude de dix ans a incité la NASA à inclure la science planétaire dans ses plans de recherche humaine. “Les plans Lune-Mars de la NASA sont de véritables promesses d’apporter d’énormes avantages aux gens et au monde”, a déclaré Christensen. “Cependant, nous croyons fermement qu’un programme de recherche solide est la clé pour fournir une base motivante pour un programme humain véritablement durable.”

Cela a contribué à une autre mission recommandée par la décennie, l’Endurance-A Moonwalker. Le voyage est transporté par terre robotisée vers les régions polaires sud de la Lune, couvrant plus de 1 000 kilomètres et collectant 100 kilogrammes d’échantillons en cours de route. Le vagabond livrerait des échantillons aux astronautes de la mission d’Artemis pour revenir sur Terre avec leur train d’atterrissage.

“Cela révolutionnerait vraiment notre compréhension non seulement de la lune mais aussi du système solaire primitif”, a-t-il déclaré. “Cela mettrait vraiment les gens et les robots au travail pour atteindre un objectif vraiment remarquable.”

FAIRE PLUS AVEC PLUS

Un programme de mission ambitieux n’est pas bon marché. Le “programme recommandé” pour les missions dans le rapport suppose que les budgets de science planétaire de la NASA augmenteront de 17,5% au cours de la décennie. Un “programme de niveau” alternatif qui suit le rythme de l’inflation (ou au moins 2% d’anticipations d’inflation au moment de la rédaction du rapport) retarderait le début de la mission Uranium jusqu’à la fin de 2020 et reporterait les missions Encelade Orbilander et Mars Life Explorer. totalement.

Une autre raison des budgets plus élevés est de refléter les coûts réels des missions plus petites, y compris les programmes Discovery et New Frontiers. Christensen a déclaré que bien que la limite de dépenses officielle du programme Discovery soit de 500 millions de dollars, hors lancement et opérations, le coût total des missions récentes est deux fois plus élevé.

“Ce coût total est parfaitement proportionnel aux avantages scientifiques attendus”, a-t-il déclaré. “Cependant, le grand écart entre le plafond des dépenses et les coûts réels du cycle de vie sape la planification budgétaire et crée un décalage potentiel entre les attentes et la réalité du budget.” Au lieu de cela, le rapport recommande une limite de dépenses révisée de 800 millions de dollars, y compris les opérations mais pas de lancement.

Il en va de même pour le programme plus vaste New Frontiers. Lors de la dernière course, la limite de coût était de 850 millions de dollars, hors démarrage et exploitation. Le gagnant de la mission de Dragonfly sur Titan, la lune de Saturne, a plus du double du coût estimé du cycle de vie.

“C’est le genre de mission que nous voulons voir dans les Nouvelles Frontières”, a déclaré Canup Dragonfly, mais a déclaré que cela montrait la nécessité de meilleures limites de dépenses. Le rapport recommandait une limite de dépenses révisée de 1,65 milliard de dollars pour le programme New Frontiers, qui comprend les opérations mais pas le lancement. 30 millions de dollars par an seraient également alloués aux phases de “croisière tranquille” d’une mission en route pour ne pas pénaliser les missions long-courriers. “Vous concourez sur un pied d’égalité pour les instruments scientifiques et les engins spatiaux et pour la science que vous faites après l’avoir réalisée.”

PROCHAINES ÉTAPES

Le rapport est maintenant en possession de la NASA. “Nous sommes tous très excités”, a déclaré Lori Glaze, directrice du département des sciences planétaires de la NASA, qualifiant le rapport d'”incroyablement convaincant, passionnant et inspirant”.

À ce moment-là, l’inspiration et l’excitation des plans de mise en œuvre prennent du temps. “Notre plan est de prendre 90 jours pour adopter ce document vraiment complet”, a-t-il déclaré lors d’une réunion du Conseil de recherche de la NASA le jour même de la publication du rapport. Il a déclaré que la NASA prévoyait de fournir une réponse initiale par le biais d’autres réunions publiques d’ici la mi-juillet, avec un plan plus détaillé plus tard cette année.

Jusqu’à présent, le rapport a reçu une réponse positive, avec plus de souci de financement que de choix des missions. “Cette étude particulière est un plan ambitieux, inspirant et pragmatique pour la NASA que la Planetary Society espère aider à réaliser”, a déclaré Bethany Ehlmann, scientifique planétaire et présidente de la Planetary Society à propos de la Décennie.

Les auteurs du rapport estiment que le plan définit une stratégie pour répondre à certaines des questions les plus importantes en sciences planétaires et ailleurs. Canup a déclaré: “Il y a un réel désir de progresser cette décennie, non seulement dans la recherche sur l’habitabilité, mais aussi en essayant de voir s’il y a de la vie ailleurs dans notre système solaire.”

Cet article a été initialement publié dans le numéro 2022 de SpaceNews.

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