Un spectro-imageur de nouvelle génération observe Venus

Des formations de l'atmosphère de Vénus vues par Virtis
20 août 2006

Développé pour Rosetta, c’est autour de Vénus que le spectromètre Virtis fait ses premières armes, à bord de la sonde Venus Express.

Depuis sa capture en orbite vénusienne, le 11 avril, la sonde Venus Express de l’ESA a effectué une série de manœuvres pour rejoindre son orbite opérationnelle et assurer une couverture optimale de la planète. La charge utile de la sonde est pleinement opérationnelle depuis le 3 juin.

Sur les sept instruments qui composent cette charge utile, trois ont été développés initialement pour voler sur Mars Express – la sœur aînée de Venus Express qui sonde la Planète Rouge depuis décembre 2003 – et deux proviennent de Rosetta, actuellement vers la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, qu’elle attendra dans neuf ans. Pour ces deux instruments, le spectromètre franco-italien Virtis (Visible/IR Imaging Spectrometer) et l’expérience de radioscience allemande VeRa, Vénus est donc le baptême du feu.

Avec Virtis, cela va même un peu plus loin, puisqu’il s’agit du premier modèle d’une nouvelle génération d’instruments appelée à faire date dans l’histoire de l’exploration interplanétaire. Les équipes sur Terre attendent donc de lui qu’il remplissent parfaitement son office autour de Vénus et escomptent même qu’il leur ménagera quelques surprises scientifiques.

Voir et analyser en même temps

Image "thermique" de la Terre vue par Virtis-M

Virtis est un spectro-imageur, c’est-à-dire qu’il fournit des images et des mesures spectrométriques en même temps. Il dispose de trois voies d’observation. Les deux voies spécialisées en spectro-imagerie (Virtis-M) avec 256 filtres dans les bandes visible (0,3 à1 µm) et infrarouge (1 à 1,5 µm), sont plus particulièrement adaptées aux études minéralogiques – même si ce ne sera pas leur mission principale sur Vénus – tandis que la voie privilégiant la spectroscopie à haute résolution (Virtis-H) permet de sonder l’atmosphère et les gaz. Cette combinaison en fait un instrument très puissant pour l’analyse de tous les objets du Système Solaire.

« Pour réaliser l’instrument monté sur Venus Express, nous disposions d’éléments de rechange de celui de Rosetta, développé par les mêmes équipes sous la responsabilité d’Angioletta Coradini, de L’Institut d’Astrophysique Spatiale et de Physique Cosmique de l’Institut National d’Astrophysique italien (IASF-INAF) à Rome. Il s’agissait notamment de tous les éléments centraux des détecteurs et des miroirs de haute performance en béryllium, qu’il nous a fallu intégrer », raconte Pierre Drossart du Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique (LESIA) de l’observatoire de Paris, principal investigateur de l’instrument avec son confrère Giuseppe Piccioni de l’IASF-INAF. Les deux instruments sont donc très semblables. « L’électronique a dû être modifiée pour éviter la saturation et les surexpositions car Vénus est bien plus éblouissante qu’un noyau cométaire. La diffusion de lumière par l’atmosphère de la planète à 100 millions de kilomètres du Soleil est sans commune mesure avec celle d’un petit corps sombre orbitant à une distance près de cinq fois supérieure. Dans le même temps, il a fallu augmenter la sensibilité de l’instrument pour l’observation de la face nocturne. »

Paradoxalement, alors que la gestion du flux thermique solaire – quatre fois supérieur au niveau de Vénus à ce qu’il est autour de Mars – a été un casse-tête pour la conception de la sonde, les équipements de refroidissement de l’instrument Virtis sont restés, eux, inchangés. « Sur la face anti-soleil, notre radiateur rayonne la chaleur vers l’extérieur de la même manière, quelle que soit la distance », note Pierre Drossart. En revanche, il a fallu revoir les interfaces entre l’instrument et la plate-forme pour éviter tout risque de conduction thermique entre les deux. Cette nouvelle interface a été testée en chambre à vide à Toulouse et les mesures réalisées en vol ont confirmé d’excellents résultats.

Entre Rosetta et Venus Express, le structure de la coopération franco-italienne sur l’instrument a changé. Tandis que pour l’instrument de Rosetta, la responsabilité principale était italienne et que les Français se chargeaient plus particulièrement du canal Virtis-H à haute résolution spectrale, sur Venus Express, les deux équipes, du LESIA à l’observatoire de Paris et de l’IASF à Rome travaillent en tandem. Pour la réalisation technique, le partage des tâches du Virtis de Rosetta a été conservé : tandis que la France a fourni le canal Virtis-H, l’Allemagne s’est chargée de l’électronique de bord et l’Italie du canal Virtis-M et de l’intégration.

De multiples énigmes à résoudre

Double vortex at Venus South pole
Double vortex au pôle sud de Vénus

« Avec Venus Express, nous nous re-intéressons à une planète qui avait été quasiment abandonnée depuis la fin de la mission Magellan, de la NASA, en 1994 » rappelle Håkan Svedhem, responsable scientifique de la mission à l’ESA.

En fait avant Venus Express, Vénus a été visitée par 23 sondes depuis 1962. Elles ont permis de brosser un premier portrait et de lever de nombreuses incertitudes laissées par les observations astronomiques depuis la Terre. Au passage, ces missions nous ont laissé avec un nombre de questionnements encore plus grand. « Aujourd’hui, avec l’évolution des technologies, nous pouvons tenter de répondre à un grand nombre d’entre eux ».

Autour de Vénus, Virtis peut désormais se livrer à une cartographie systématique en trois dimensions de la structure atmosphérique, depuis le sol jusqu’aux plus hautes couches. L’objectif est de détailler la dynamique de cette atmosphère et en particulier sa « super-rotation » qui l’amène à faire le tour de la planète en 4 jours (alors que la planète elle-même tourne en 243 jours dans le sens rétrograde). Pour cela, l’instrument suit également la circulation de certains composés en suspension dans l’atmosphère : des aérosols mais aussi du monoxyde de carbone ou du sulfure de carboxyl. Ceux-ci ont été détectés dans l’infrarouge et l’on soupçonne un cycle de variation en rapport avec une météorologie vénusienne qui reste bien mystérieuse.

« L’étude comparée des atmosphères planétaires peut nous apprendre beaucoup sur notre propre environnement sur Terre », estime Håkan Svedhem. « Vénus et la Terre se sont peut être ressemblées au début de leur histoire et nous ne savons pas pourquoi Vénus a évolué aussi différemment, ni quand le changement a eu lieu. L’effet de serre actuel n’explique pas à lui seul la situation actuelle. Il y a des théories contradictoires et il nous faut des données pour les affiner. »

« Sur Vénus nous avons une atmosphère épaisse et en rotation qui présente de fortes analogies avec Titan, » renchérit Pierre Drossart. « Pour mieux comprendre comment fonctionnent des atmosphères de ce type et nourrir nos modèles, il nous faut un corpus de données auquel Virtis doit largement contribuer. »

Virtis doit également lever le voile sur d’autres mystères de Vénus. Ainsi, une émission thermique inexpliquée a été observée depuis la Terre sur la face nocturne de Vénus et confirmée lors du survol de la planète par la sonde Galileo, en route pour Jupiter en 1990. « Grâce à Virtis, nous pouvons étudier ce phénomène sur la durée et avec une bien meilleure résolution », s’enthousiasme Pierre Drossart.

Le rôle de Virtis ne s’arrête d’ailleurs pas à l’atmosphère et on attend également de lui des informations sur l’activité de la planète elle-même. Virtis devrait ainsi être capable de détecter le panache d’une éventuelle éruption volcanique. Pierre Drossart pense même qu’il pourrait détecter les effets secondaires d’un séisme vénusien.

« La propagation de celui-ci dans l’atmosphère entraînerait un chauffage sensible qui pourrait être détecté dans l’infrarouge. L’atmosphère de Vénus étant plus épaisse que celle de la Terre, le couplage devrait être meilleur. Il faudra juste avoir la chance de regarder au bon endroit et au bon moment. »

Le règne des spectro-imageurs

Plusieurs vues du pôle sud de Vénus observé par Virtis

Virtis est d’une certaine manière le descendant de l’instrument Omega - développé par l’Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS) d’Orsay et le LESIA - qui orbite aujourd’hui autour de Mars à bord de Mars Express. En quelques mois, Omega a révolutionné notre vision de la planète en révélant notamment que ses calottes polaires sont essentiellement composées de glace d’eau recouverte d’une couche de glace carbonique ou en détectant des concentrations de carbonates et sulfates qui pourraient être les traces d’évaporation d’anciennes étendues d’eau. Conçu initialement dans le cadre d’une coopération européenne à la mission russe Mars 96 (détruite au lancement le 16 novembre 1996), « Omega est toutefois le fruit d’une technologie de détecteurs linéaires datant de la fin des années 1980 » rappelle Pierre Drossart. « Depuis cette époque, cette technologie a bien évolué et Virtis dispose désormais de détecteurs en deux dimensions qui offrent une plus grande sensibilité et une plus grande rapidité de répétition de prise de vue. »

Car une image hyperspectrale est en fait en trois dimensions, puisqu’il s’agit à la fois d’un image en deux dimensions avec un spectre associé à chaque pixel. Avec un détecteur linéaire en barrette, il faut à la fois un balayage géométrique et un balayage spectrométrique. Avec un détecteur en surface, un seul balayage suffit.

« Ces instruments constituent désormais un outil idéal pour toutes les nouvelles missions planétaires, un peu comme les caméras vidéo sur les toutes premières missions d’exploration, » estime Pierre Drossart. « Aujourd’hui, nous ne partons plus découvrir d’autres planètes, mais nous voulons approfondir nos connaissances, tenter de répondre aux questions soulevées par la première phase d’exploration afin de mieux comprendre les systèmes auxquels nous sommes confrontés. »

Après une série d’instruments pionniers - ISM (Imaging Spectrometer) développé par le LESIA pour la mission soviétique Phobos autour de Mars en 1988 et NIMS (Near-Infrared Mapping Spectrometer) sur la sonde Galileo de la NASA, qui a survolé Vénus en 1990 avant de rejoindre Jupiter - la seconde génération d’instruments comprenait Omega sur Mars 1996 puis Mars Express et VIMS (Visible & Infrared Mapping Spectrometer) sur Cassini. Outre Virtis, la toute nouvelle génération actuelle comprend également CRISM (Compact Reconnaissance Spectrometer for Mars) sur l’orbiteur MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) de la NASA, en orbite autour de la Planète Rouge depuis le 10 mars dernier.

Après Rosetta et Venus Express, Virtis devrait voler sur une troisième mission. Il s’agira de Dawn, une sonde de la NASA dédiée à l’étude des gros astéroïdes Cérès et Vesta. « Comme il n’y aura pas d’atmosphère à étudier, nous nous contenterons des deux canaux Virtis-M », note Pierre Drossart. Un temps menacée d’annulation, la mission a été confirmée en avril et son lancement est aujourd’hui annoncé pour 2007.

Au-delà de Virtis, les scientifiques imaginent une nouvelle génération d’instruments spectro-imageurs à haute résolution spectrale intégrée, à la fois plus performants et plus légers. De tels instruments permettraient d’étendre le champ d’observation à de nombreux objectifs nouveaux, selon Pierre Drossart : « Au lieu d’étudier simplement la signature de la haute atmosphère, nous pourrions étudier certaines zones réputées “invisibles”, telles que la couche d’interface avec le vent solaire, aussi bien autour de Vénus qu’autour de la Terre. Pour la question du méthane martien, nous pourrions trancher sur son origine biologique ou non et même déterminer où se situe la zone productrice. »

De tels instruments pourraient être disponibles dans 10 ou 20 ans. Pour Pierre Drossart, « il s’agit plus d’une question de financements que de technologies ».

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Håkan Svedhem
Responsable scientifique Venus Express
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Pierre Drossart
Principal Investigateur Virtis/SOIR
LESIA, Observatoire de Paris
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