Double Etoile, double chance

Cluster, qui étudie la magnétosphère terrestre depuis 2000. C’est comme si un cinquième satellite avait été ajouté à la constellation. Une aubaine pour les chercheurs européens, et parmi eux pour deux équipes françaises.

Depuis l’été 2000, les quatre satellites de la constellation Cluster volent en formation sur une orbite polaire, étudiant pour la première fois la structure de la magnétosphère terrestre en trois dimensions. Lancé dès décembre 1997, le petit satellite allemand Equator-S aurait dû apporter un complément de mesures en orbite équatoriale, mais il est tombé en panne en mai 1998 avant d’avoir pu entamer l’exploration de la « queue » de la magnétosphère qui s’étire à l’opposé du Soleil.

Toutefois, en 1997 également, l’Agence Spatiale Nationale Chinoise proposait à l’ESA de participer au programme Double Etoile et offrait mieux qu’un simple complément au programme Cluster : la possibilité d’embarquer des instruments identiques à ceux des satellites européens, ce qui facilitera grandement l’intégration des résultats. Deux fois plus petits qu’un satellite Cluster, les satellites chinois n’emportent que huit instruments européens, pour la plupart des modèles de rechange gardés en réserve par les laboratoires participant au programme, lorsque ceux-ci étaient disponibles. Huit autres instruments sont fournis par les scientifiques chinois.

Deux instruments français

Parmi les huit instruments (dont cinq européens) qui ont pris place à bord du premier satellite, placé en orbite équatoriale, deux ont été développés par des laboratoires français.

L’instrument HIA (Hot Ion Analyzer) du Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements (CESR) de Toulouse n’est en fait qu’un seul des deux capteurs de l’instrument CIS (Cluster Ion Spectrometry) de Cluster.

« Il s’agit d’un de nos deux modèles de réserve qu’il a fallu adapter avec de nouvelles interfaces et davantage de protection contre les radiations, car ce satellite passe beaucoup plus de temps dans les ceintures de radiation que ne le font les satellites Cluster », commente Henri Rème, responsable de l’instrument.

Ce petit capteur mesure la distribution des ions en fonction de leur vitesse et de leur direction. Sur Cluster, il était complété par un capteur effectuant la discrimination des masses de ces ions.

L’instrument STAFF (Spatio Temporal Analysis of the Field Fluctuations) du Centre d'étude des Environnements Terrestres et Planétaires (CETP) a été lui aussi réalisé à partir d’équipements de rechange déjà disponible. Il mesure les fluctuations du champ électromagnétique. Pour des raisons techniques, outre les capteurs magnétiques, seul le module d’analyse des basses fréquences (0,1 à 10 Hz) de l’instrument de Cluster a pu être intégré sur Tan Ce 1. Les hautes fréquences (10 Hz à 4 kHz) sont analysées à bord par l’instrument DWP (Digital Wave Processor), de l’Université de Sheffield, en Grande-Bretagne.

Un cinquième Cluster

Véritable cinquième membre de la constellation Cluster, Tan Ce 1 a été placé sur une orbite « phasée » avec celle des satellites européens afin qu’il puisse étudier avec eux la même face de la magnétosphère. « Quand les quatre Cluster seront à poste sur la face diurne, où le vent solaire frappe la magnétosphère, Tan Ce 1 y sera aussi, et six mois plus tard, tout le monde sera du côté nocturne », explique Philippe Escoubet, responsable scientifique de programme pour l’ESA.

« La magnétosphère terrestre est un système extrêmement complexe dont l’exploration in-situ n’a commencé qu’en 1958 avec la découverte des ceintures de radiations par l’équipe du physicien James Van Allen et le tout premier satellite américain, Explorer 1, » rappelle Henri Rème. « C’est un milieu naturel, donc les expériences n’y sont pas directement reproductibles », complète Nicole Cornilleau-Wehrlin, responsable de l’instrument STAFF.

« Avec les satellites Cluster, qui volent en formation à des distances de 100 à 5 000 km les uns des autres, nous effectuons des zooms locaux sur la magnétosphère. Avec Double Etoile, nous assurons une couverture à grande échelle » se félicite Philippe Escoubet.

Orages et sous-orages

Parmi les phénomènes qui intéressent le plus les scientifiques, figurent les interactions entre la magnétosphère et les particules du vent solaire et notamment les orages géomagnétiques, qui sont de loin les événements les plus violents à se produire dans la magnétosphère, capables d’entraîner des interférences radio voire des pannes d’électricité, mais aussi et surtout les « sous-orages » magnétosphériques. Moins intenses mais plus fréquents, ces derniers sont encore relativement mal connus. Ils se produisent dans la queue de la magnétosphère, lorsque l’accumulation d’énergie provoque un étirement des lignes de champs, entraînant un véritable « court-circuit ». Lorsque le champ retrouve sa dipolarité, l’expulsion de particules énergétiques vers la Terre déclenche des aurores.

« Il existe encore de très grosses incertitudes sur le déclenchement de ce phénomène, principalement en ce qui concerne la localisation de son origine » note Nicole Cornilleau-Wehrlin, « Tan Ce 1 nous donnera un point de mesure supplémentaire ». Car le satellite Chinois étudiera ce phénomène à mi-distance entre la Terre et les satellites Cluster. Le fait que les observations soient conduites par les mêmes instruments permettra de mettre en regard des mesures directement comparables, et un bon étalonnage dans le temps donnera des premières mesures de propagation du phénomène pour localiser la région source.

Nicole Cornilleau-Wehrlin attend également beaucoup des mesures de STAFF du côté diurne, notamment sur le rôle des ondes électromagnétiques à la magnétopause (la frontière entre la magnétosphère terrestre et l’environnement interplanétaire) pour la pénétration des particules du vent solaire.

« Les ondes ont une importance cruciale car nous sommes dans un milieu très peu dense et donc non-collisionnel, c’est-à-dire qu’il n’y a pas d’échange direct d’énergies ». Grâce à une méthode d’analyse des données mise au point par le Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement (LPCE) d’Orléans, les observations de STAFF sur Cluster, ont permis aux chercheurs du CETP et du LPCE de mettre en évidence les « modes » de propagation de ces ondes. L’instrument STAFF sur Tan Ce 1 devra valider les modèles dans les zones de faibles latitudes.

En juin 2004, un second satellite chinois viendra compléter la constellation sur une orbite polaire plus basse que celle des satellites Cluster et permettra d’affiner l’étude des « cornets polaires », où les lignes de champs de la magnétosphère se rejoignent, au voisinage des pôles magnétiques.

Tandis que la mission Double Etoile ne durera qu’un an et demi, les satellites Cluster poursuivront leur propres observations au moins jusqu’à fin 2005, voire 2009.

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Philippe Escoubet
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Nicole Cornilleau-Wehrlin
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Henri Rème
Responsable de l’instrument HIA
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