CASSINI-HUYGENS

• Cassini-Huygens est une mission d’exploration spatiale du système saturnien au moyen d'une sonde spatiale développée par la NASA, avec des participations importantes de l’ESA (15 % du coût) et de l’Agence spatiale italienne (ASI). Lancé le 15 octobre 1997, l'engin se place en orbite autour de Saturne en 2004. En 2005, l’atterisseur européen Huygens, après s'être détaché fin 2004 de la sonde mère, se pose à la surface du satellite Titan et peut transmettre des informations collectées durant la descente et après son atterrissage. L’orbiteur Cassini tourne ensuite autour de Saturne et poursuit l'étude scientifique de la planète géante gazeuse, en profitant de ses passages à faible distance de ses satellites pour collecter des données détaillées sur ceux-ci. La mission, d'une durée initialement prévue de quatre ans, est prolongée à deux reprises : de 2008 à 2010 par la mission Equinoxe, puis de 2010 à 2017 par la mission Solstice. Afin de protéger les lunes de la planète, la sonde spatiale finit son voyage en plongeant dans l’atmosphère de Saturne le 15 septembre 2017.
• la NASA développe l’orbiteur et l'ESA l'atterrisseur

• Mission particulièrement ambitieuse et coûteuse (3,26 milliards de dollars), Cassini-Huygens est rattachée à ce titre au programme Flagship de la NASA. Par sa masse totale de 5,7 tonnes (dont 3,267 tonnes de carburant et 320 kilogrammes pour l'atterrisseur Huygens), il s'agit du plus gros engin spatial lancé vers les planètes externes. L'orbiteur embarque douze instruments scientifiques, dont un radar, tandis que Huygens en emporte six. Cassini est stabilisé sur trois axes et son énergie provient de trois générateurs thermoélectriques à radioisotopes (RTG) utilisant du plutonium.
• La mission Cassini-Huygens remplit tous ses objectifs scientifiques en fournissant une moisson de données sur Saturne, sa magnétosphère, ses anneaux,Titan et les autres satellites de la planète géante. Les caméras de l'orbiteur fournissent également certaines des plus belles images du Système solaire. Cassini permet notamment d'affiner notre connaissance de Titan (lacs de méthane liquide, dunes, composition de l’atmosphère…), de découvrir les geysers d’Encelade, indices d'un océan souterrain hébergeant peut-être une forme de vie, d'obtenir les premières images détaillées de Phœbé, d'analyser en détail la structure des anneaux de Saturne, d'observer les formations étonnantes de l’atmosphère de la planète géante au niveau de son pôle nord et de découvrir une dizaine de nouveaux satellites naturels de petite taille (moins de 10 kilomètres), ce qui porte à plus de 200 le nombre total de satellites saturniens connus à ce jour (2019). Les données collectées sur les anneaux de Saturne au cours des dernières orbites permettent de dater leur apparition : ceux-ci sont créés il y a moins de 100 millions d'années et ils doivent disparaître dans moins de 100 millions d'années.

Titan, Saturne et ses anneaux photographiés par la sonde Cassini.

Saturne en vraies couleurs avec les lunes Téthys, Dioné et Rhéa photographiée par Voyager 2.

Objectifs de la mission

• À l'époque où la mission Cassini-Huygens est développée, trois sondes spatiales — Pionner 11, Voyager1 et Voyager 2 — ont déjà étudié Saturne. Elles fournissent beaucoup d'informations et permettent de découvrir l'importance scientifique de Titan. Mais leur bref survol ne fournit qu'un aperçu de la complexité du monde saturnien. Une étude en profondeur reste à faire. Aussi les objectifs fixés à la mission Cassini-Huygens sont nombreux. Ils portent à la fois sur chacun des types de corps célestes présents dans le système saturnien — Saturne, ses anneaux, Titan, les lunes glacées de Saturne et la magnétosphère de la planète géante — et sur les interactions entre ces différents composants.

Le système de Saturne : dans la partie supérieure, les lunes à l'échelle (Titan domine largement), en bas, position des anneaux et des lunes les plus proches de Saturne.

https://youtu.be/MIgl50ovXWQ

Autour des lunes de Saturne

Titan est le sujet principal de la mission. Il doit être étudié à la fois par l’attérisseur Huygens et l’orbiteur Cassini.

Les objectifs scientifiques le concernant sont :

• déterminer la composition de l'atmosphère de Titan y compris les gaz nobles et les isotopes des composants les plus fréquents ;

• déterminer des scénarios de formation et d'évolution de Titan et de son atmosphère ;

• déterminer la distribution verticale et horizontale des gaz présents à l'état de trace ;

• rechercher les molécules organiques complexes ;

• déterminer les sources d'énergie utilisées par la chimie atmosphérique ;

• modéliser la photochimie de la stratosphère ;

• étudier la formation et la composition des aérosols ;

• mesurer les vents et les températures globales ;

• étudier la physique des nuages, la circulation atmosphérique générale et l'impact des saisons sur l'atmosphère ;

• rechercher les décharges des éclairs ;

• étudier l'atmosphère supérieure de Titan, son ionisation et son rôle dans la production des particules neutres et ionisées de la magnétosphère.

• On appelle gaz nobles, ou gaz rares, les éléments chimiques du groupe 18 du tableau périodique. Ce sont l’hélium ₂He, le néon ₁₀Ne, l’argon ₁₈Ar, le krypton ₃₆Kr, le xénon ₅₄Xe et le radon ₈₆Rn. Ils forment une famille d’éléments chimiques très homogène de gaz monoatomiques incolores et inodores chimiquement très peu réactifs, voire totalement inertes pour les deux plus légers — hormis dans des conditions très particulières
• On appelle isotopes (d'un certain élément chimique) les nucléides partageant le même nombre de protons (caractéristique de cet élément), mais ayant un nombre de neutrons différent.
• Par extension, on appelle souvent isotope un nucléide caractérisé par son nombre de protons Z et son nombre de neutrons N, mais sans distinction concernant son spin ou son état énergétique.

• Magnétosphère de Saturne
• Parmi les objectifs secondaires de la mission, certains concernent la magnétosphère de la géante gazeuse ; il s’agit de :

• déterminer la configuration du champ magnétique de Saturne et sa relation avec la modulation de l'onde radio kilométrique de Saturne ;

• déterminer les systèmes de courant, la composition, les sources et les puits des particules chargées de la magnétosphère ;

• étudier les interactions ondes-particules et la dynamique de la magnétosphère côté jour et de la queue magnétique de Saturne ainsi que ses interactions avec le vent solaire, les lunes et les anneaux ;

• étudier l'effet des interactions de l'atmosphère de Titan avec le vent solaire et le plasma de la magnétosphère ;

• étudier les interactions de l'atmosphère de Titan et de l'exosphère avec le plasma environnant.

• Anneaux de Saturne
• Depuis la découverte des anneaux de Saturne, ceux-ci constituent un des objets les plus étudiés du système solaire ; dans le cas de cette mission, il s’agit de :

• étudier la configuration des anneaux et les processus dynamiques (gravitation, viscosité, érosion, électromagnétisme) responsables de leur structure ;

• cartographier la composition et la distribution par taille des matériaux composant les anneaux ;

• déterminer les relations entre les anneaux et les lunes de Saturne ;

• déterminer la concentration de la poussière et des météorites au voisinage des anneaux ;

• étudier les interactions entre les anneaux, la magnétosphère, l'ionosphère et l'atmosphère de Saturne

• Lunes de Saturne
• Les lunes saturniennes ne sont pas en reste ; il s’agit de :

• déterminer les caractéristiques générales des lunes et leur histoire géologique ;

• déterminer les mécanismes internes et externes à l'origine des modifications de la croûte et de la surface ;

• étudier la composition et la distribution des matériaux en surface, en particulier des matériaux sombres, riches en matière organique, et les volatiles condensés ayant une température de fusion peu élevée ;

• mesurer les caractéristiques ayant un rôle dans la structure interne et la composition des lunes ;

• étudier les interactions avec la magnétosphère, les anneaux et les injections de gaz dans la magnétosphère.

Saturne

• Enfin, concernant Saturne elle-même, il s’agit de :

• mesurer les températures, les propriétés des nuages et la composition de l’atmosphère de Saturne ;

• réaliser des mesures globales des vents, et étudier les propriétés synoptiques des nuages et les processus en jeu ;

• déterminer la structure interne et la vitesse de rotation de l'atmosphère profonde ;

• étudier les variations diurnes et le contrôle magnétique de l'ionosphère de Saturne ;

• obtenir les contraintes découlant des observations (composition des gaz, proportion des isotopes, flux thermique…) qui jouent un rôle dans les scénarios de formation et d'évolution de Saturne ;

étudier l'origine et la structure des éclairs de Saturne.

https://youtu.be/HxzKopiXdp8

Saturne

• Pour remplir la mission Cassini-Huygens, la NASA et l’ESA ont développé la sonde spatiale la plus lourde jamais lancée dans le Système solaire. Avec une masse de 5 712 kg au lancement elle pèse le double de la sonde Galiléo qui tourna autour de Jupiter (1995-2003). L'orbiteur Cassini est équipée au total de 12 instruments scientifiques. Cet orbiteur transporte l'atterrisseur Huygens. Largué à proximité de Titan, l'atterrisseur doit traverser son atmosphère en l'étudiant avant de se poser sur son sol.
• L’orbiteur Cassini est développé par le centre spatial JPL de la NASA, avec une participation de l’ESA pour le module PSE (Probe Support Equipment) servant de relais avec Huygens, et de l’ASI pour l'antenne de communication à haut gain. La sonde spatiale mesure plus de 6,7 mètres de haut pour 4 mètres de large. La sonde spatiale est constituée d'un empilement de 4 compartiments. De haut en bas, on trouve l'antenne parabolique de 4 mètres de diamètre, le module d'équipement supérieur, le module de propulsion et le module d'équipement inférieur. À cet ensemble sont attachés, sur les côtés, une palette regroupant les instruments scientifiques de télédétection comme les caméras, une palette regroupant les instruments scientifiques dédiés à l'étude des champs et des particules, et l'atterrisseur Huygens. Une bôme de 11 mètres, supportant les capteurs du magnétomètre, et trois antennes permettant l'étude du plasma, sont déployées en orbite, perpendiculairement à l'axe de la sonde spatiale.
• La propulsion principale est assurée par deux moteurs fusées à ergols liquides ayant une poussée fixe et non orientable d'environ 445 newtons. Ces propulseurs re-démarrables brûlent un mélange de monométhylhydrazine (MMH) et de peroxyde d'azote qui sont mis sous pression avec de l'hélium.

1 Magnétomètre MAG, 2 Spectromètre visible et infrarouge VIMS, 3 Analyseur plasma et ondes radios RPWS, 4 Caméras ISS, 5 Spectromètre infrarouge CIRS,�6 Spectrographe ultraviolet UVIS, 7 Imageur magnétosphère MIMI, 8 Spectromètre plasma CAPS, 9 Spectromètre de masse ion et atomes neutres INMS, 10 Radar.

Schéma de la sonde Cassini avec l'emplacement des instruments scientifiques et des principaux équipements

• La sonde spatiale Cassini transporte un petit engin spatial de 318 kilogrammes, Huygens, développé par l’ESA. Une fois la sonde spatiale en orbite autour de Saturne, Huygens est largué et descend dans l’atmosphère de Titan, en analysant ses caractéristiques, puis se pose en douceur sur sa surface, et complète alors le recueil des données. La durée de vie de Huygens est limitée, à la fois par sa source d'énergie non renouvelable (batteries) et la nécessité de passer par un relais, constitué par l'orbiteur Cassini, dont la trajectoire ne lui permet d'assurer ce rôle que durant quelques heures.
• Huygens est composé de deux sous-ensembles : le module de rentrée atmosphérique (ENA), et le module de descente (DM). Le premier assure le transport du second, depuis la séparation avec Cassini jusqu'à Titan, le protège à l'aide d'un bouclier thermique de l'énorme élévation de température lors de la rentrée dans l'atmosphère de Titan, et ralentit la sonde à l'aide de ses parachutes, avant de libérer le module de descente. Ce dernier est constitué d'une coquille en aluminium ayant la forme d'un cylindre peu épais, aux contours arrondis, et contient toute l'instrumentation scientifique, ainsi que ses propres parachutes pour la phase finale de la descente, ainsi que le système de contrôle d'orientation de la sonde.

• L'instrumentation de Huygens, située dans le module de descente, comprend les instruments suivants^[:
• HASI (Huygens Atmospheric Structure Instrument) est un ensemble d'instruments chargé d'étudier les propriétés physiques et électriques de l’atmosphère de Titan et la détection d'éventuels éclairs d'orage.
• DWE (Doppler Wind Experiment) est un système de mesure de l’effet Doppler, pour l'étude des vents dans l'atmosphère de Titan, et la reconstitution de la trajectoire suivie par Huygens durant sa descente.
• DISR (Descent Imager/Spectral Radiometer) est un imageur - spectromètre, pour la mesure de la composition chimique de l'atmosphère, l'étude de la structure des nuages, et la réalisation de photographies de la surface.
• ACP (Aerosol Collector and Pyrolyser) est un système de pyrolyse, qui doit permettre l'étude de la composition chimique des aérosols de l'atmosphère de Titan.
• GCMS (Gas Chromatograph and Mass Spectrometer) est composé d'un chromatographe et d'un spectromètre, pour l'analyse des constituants atmosphériques, leur répartition en fonction de l'altitude et leur mode de formation.
• SSP (Surface Science Package) est un ensemble de senseurs pour la caractérisation de l'état et de la composition du site d'atterrissage de Huygens.

https://youtu.be/TgqGeVlfhvA

Cassini Huygens - Un travail de TITAN

https://youtu.be/2I1ugkPfeHs

Qu'a découvert Huygens sur Titan?

Un malin, Dieu, qui nous a ouvert l'espace sans nous donner des ailes.��Jules Renard

CASSINI-HUYGENS