Un coup d'œil à l'enquête décennale planétaire pour 2023-2032, et vous verrez des propositions de mission audacieuses et avant-gardistes pour la prochaine décennie. Les exemples incluent un orbiteur et une sonde Uranus (UOP) qui étudieraient l'intérieur, l'atmosphère, la magnétosphère, les satellites et les anneaux d'Uranus; et un orbiteur Encelade et un atterrisseur de surface pour étudier les panaches actifs émanant de la région polaire sud d'Encelade. Pour ne pas être en reste, la Chine envisage également un Neptune Explorer à propulsion nucléaire pour explorer le géant de glace, sa plus grande lune (Triton) et ses autres satellites et anneaux.

La mission a fait l'objet d'une étude menée par des chercheurs de l'Agence spatiale nationale chinoise (CNSA), de l'Académie chinoise des sciences (CAS), de l'Autorité chinoise de l'énergie atomique, de l'Académie chinoise des technologies spatiales et de plusieurs universités et instituts. L'article qui décrit leurs découvertes (publié dans la revue SCIENTIA SINICA Technologica ) était dirigée par Guobin Yu, chercheur à l'École d'astronautique de l'Université de Beihang et au Département des sciences, de la technologie et de la qualité du CNSA.

Comme ils l'indiquent dans leur article, les géantes de glace comme Neptune sont un trésor potentiel de découvertes scientifiques. En plus de sa structure intérieure fascinante (qui comprend la pluie de diamants !), Neptune aurait joué un rôle important dans la formation du système solaire. En bref, sa composition comprend de grandes quantités de gaz qui faisaient partie de la nébuleuse protostellaire à partir de laquelle notre système s'est formé. En même temps, sa position indique où les planètes se sont formées (et ont depuis migré vers leurs orbites actuelles).

Il y a aussi les mystères persistants de la plus grande lune de Neptune, Triton, que les astronomes soupçonnent d'être un planétoïde projeté du système solaire externe et capturé par la gravité de Neptune. On pense également que l'arrivée de ce planétoïde a provoqué un bouleversement des satellites naturels de Neptune, les obligeant à se briser et à fusionner pour former de nouvelles lunes. Il est également théorisé que Triton finira par se briser et former un halo autour de Neptune ou entrer en collision avec lui. Fondamentalement, l'étude de Neptune, de ses satellites et de sa dynamique orbitale pourrait fournir des réponses sur la façon dont le système solaire s'est formé, a évolué et comment la vie a commencé.

Malheureusement, en raison des difficultés d'envoi de missions dans l'espace lointain (qui comprend les fenêtres de lancement, l'alimentation électrique et les communications), une seule mission a visité Neptune. Il s'agissait de la sonde Voyager 2, qui a survolé le système en 1989 et a obtenu la plupart de ce que nous savons maintenant sur ce géant de glace et son système. De plus, la nature des instruments scientifiques de Voyager 2 imposait certaines limites à la quantité de données qu'il pouvait acquérir. Ces dernières années, la NASA a proposé d'envoyer une mission pour explorer Neptune et Triton (le vaisseau spatial Trident).

Cependant, cette mission n'a pas été classée prioritaire par le Planetary Science and Astrobiology Decadal Survey 2023-2032 et a été ignorée pour un Uranus Orbiter and Probe (UOP). Mais étant donné les améliorations potentielles et immenses qui ont été apportées aux instruments des engins spatiaux depuis la dernière visite de Neptune, Yu et ses collègues recommandent une autre mission à Neptune. (Remarque :toutes les informations et citations sont traduites de l'article original, rédigées en mandarin).

Considérations de conception

Bien sûr, les défis mentionnés ci-dessus demeurent, qui ont été utilisés pour éclairer la conception du vaisseau spatial et son architecture de mission. En ce qui concerne le problème de l'alimentation électrique, Yu et ses collègues avaient besoin d'une source capable de fournir de l'électricité de manière sûre et fiable pendant au moins quinze ans. Ils ont déterminé qu'un générateur thermoélectrique à radio-isotopes (RTG) d'une capacité de 10 kilowatts d'énergie (kWe) suffirait. Cette batterie nucléaire, similaire à celle utilisée par les rovers Curiosity et Perseverance, convertit l'énergie thermique de la désintégration des matières radioactives en électricité. Comme ils l'indiquent dans leur article :

"Compte tenu de la maturité technique de l'alimentation électrique du réacteur spatial de différents niveaux de puissance, des besoins en puissance des détecteurs et de la propulsion électrique, de la capacité de lancement du lanceur et du financement, de la puissance de sortie de l'alimentation électrique du réacteur spatial pour l'exploration de Neptune mission est déterminée à 10 kWe."

Ils recommandent en outre que le système d'alimentation électrique soit basé sur un schéma d'utilisation d'un caloduc, d'un ensemble d'unités de conversion thermoélectrique et d'un ensemble de dissipateurs de chaleur comme une seule unité de production d'énergie. Plusieurs unités de production d'énergie, où l'énergie thermique est convertie en énergie électrique, peuvent ensuite être connectées en parallèle pour alimenter l'engin spatial. Ce système, écrivent-ils, pourra fournir à la mission "8 ans de fonctionnement à pleine puissance de 10 kWe et 7 ans de fonctionnement à faible puissance de 2 kWe, ce qui peut assurer efficacement la fiabilité et la sécurité du système pendant toute la mission".

L'équipe a également identifié plusieurs processus clés essentiels au fonctionnement sûr et fiable de ce système. Parmi eux, le générateur doit assurer une génération de chaleur continue et contrôlable à partir de la fission nucléaire, un transfert de chaleur fiable dans le réacteur, une conversion thermoélectrique efficace et une évacuation de la chaleur perdue. Pour ce faire, la conception de leur réacteur fait appel à des barres d'uranium 235, des alliages monolithiques d'uranium-molybdène et des éléments céramiques en forme de barres qui permettent un transfert élevé efficace avec un noyau léger et compact.

Le vaisseau spatial transporterait également plusieurs instruments pour étudier la planète, son système et les objets en cours de route. Cela comprend une sonde atmosphérique Neptune (NAP) pour étudier l'intérieur de la planète et une sonde de pénétration Triton (TPP) qui examinerait la croûte de la lune. Un complément de satellites plus petits (CubeSats ou nanosatellites) serait également déployé en cours de route pour explorer un astéroïde de la ceinture principale et un astéroïde Centaur.

Profil de mission

Pour commencer, l'équipe a exploré plusieurs méthodes possibles pour explorer Neptune (télédétection, survols, observation orbitale, atterrissage en douceur, etc.). La télédétection et les survols ont été immédiatement exclus car ils ne permettraient pas à la mission de mesurer efficacement la composition profonde et la structure interne de Neptune. "Les exigences sont élevées, et l'échelle des tâches, la difficulté technique et les besoins de financement sont extrêmement importants", déclarent-ils. "Sur la base des objectifs scientifiques, du niveau technique et de l'échelle de financement, la méthode de détection est déterminée comme étant la détection en orbite polaire."

Une autre considération était que compte tenu des distances impliquées (une moyenne de 30 UA du soleil) et de la capacité de charge d'une mission dans l'espace lointain, la vitesse de vol de la sonde devrait être augmentée autant que possible au cours de la phase initiale. Ils ont en outre conclu que la meilleure façon de le faire (et de décélérer pour atteindre une orbite autour de Neptune) était d'effectuer un lancement vers 2030, ce qui permettrait une assistance gravitationnelle avec Jupiter et une date d'arrivée de 2036. D'autres opportunités de lancement incluent 2028, 2031 et 2034, mais tous les vols devront arriver à Neptune avant 2040.

Après avoir effectué quelques orbites, le vaisseau spatial libérerait une série de petits satellites et deux sondes pour explorer l'atmosphère de Neptune et la surface de Triton (respectivement).

Objectifs scientifiques

Selon Yu et ses collègues, il y a quatre objectifs scientifiques majeurs qu'un explorateur de Neptune devrait étudier. Ceux-ci incluent la structure interne et la composition de Neptune, sa magnétosphère et son ionosphère, ses lunes et ses anneaux, et ses populations de chevaux de Troie et de centaures (petites familles d'astéroïdes qui partagent son orbite). En termes de structure/composition, les astronomes espèrent faire la lumière sur les étranges propriétés thermiques de Neptune, qui seraient le résultat de ses "modèles météorologiques". Comme ils écrivent :

"Les sources de chaleur internes de Neptune (effondrement gravitationnel, force de marée, chaleur de désintégration isotopique, etc.) sont considérées comme l'une des sources importantes pour maintenir la température de surface de Neptune. Il existe un écart entre le résultat de détection infrarouge calculé 57K et le résultat réel 47K, donc la mesure du rayonnement infrarouge dans une bande de fréquences plus large est utile pour comprendre le mécanisme de fonctionnement du taux de dégagement de chaleur à l'intérieur de Neptune."

L'examen de l'intérieur de Neptune expliquerait également pourquoi la planète est beaucoup plus petite que Saturne mais a plus de deux fois la densité de masse moyenne. En savoir plus sur la composition atmosphérique de Neptune révélera également en quoi elle diffère de l'atmosphère d'Uranus (semblablement bleue mais plus claire). Ces recherches révéleront également de nouvelles informations sur la composition des nuages ​​protostellaires à partir desquels la géante de glace s'est formée et la formation du système solaire par extension.

L'étude de la magnétosphère et de l'ionosphère de Neptune pourrait aider à résoudre le mystère de l'axe magnétique par rapport à l'axe de rotation de Neptune. Comme Uranus, l'axe magnétique de Neptune est fortement incliné par rapport à son axe de rotation (47 °) et décalé de 0,55 rayon (13 500 km; 8388,5 mi) du centre de la planète. Avant le survol de Voyager 2, on supposait que cela était le résultat de la rotation latérale de Neptune, mais on pense maintenant que c'est dû à un effet dynamo à l'intérieur. D'autres objectifs incluent la cause des puissants ouragans de la planète et la raison de la formation et de la présence à long terme de la grande tache sombre de Neptune.

En ce qui concerne les lunes et les anneaux de Neptune, le potentiel de découvertes scientifiques comprend l'orbite rétrograde, la révolution et la migration dynamique de Triton (la plus grande lune de Neptune). Le fait que Triton orbite dans le sens opposé à la rotation de Neptune est l'un des principaux arguments expliquant pourquoi Triton pourrait être une planète naine qui s'est formée dans la ceinture de Kuiper, l'autre étant sa composition, qui est similaire à celle de Pluton. Selon cette théorie, Triton a été éjecté de la ceinture de Kuiper et capturé par la gravité de Neptune, ce qui a provoqué l'éclatement des satellites existants de Neptune et la formation de nouveaux satellites plus petits.

Essentiellement, l'étude de la dynamique orbitale de Triton pourrait éclairer l'histoire du système solaire primitif, où les objets éjectés et les planétoïdes s'installaient encore sur leurs orbites actuelles. Cela pourrait être complété par une analyse comparative de 2014 MU69 (aka. Arrakoth), le KBO que la sonde New Horizons a étudié lors de son survol rapproché en juillet 2015, et d'autres KBO pour en savoir plus sur l'origine de Triton.

Il y a aussi l'activité cryovolcanique de Triton, résultant de la flexion des marées à l'intérieur causée par l'attraction gravitationnelle de Neptune. Cependant, cette activité augmente lorsque Triton est le plus proche du soleil (périhélie), ce qui entraîne de plus grandes éruptions de l'intérieur. Cela laissera des concentrations plus élevées d'azote et d'autres gaz dans l'atmosphère ténue de la lune, qui pourraient être étudiées pour en savoir plus sur sa composition et sa structure intérieures. Quant aux anneaux, l'équipe y a noté plusieurs objectifs :

"Établir une liste complète des anneaux planétaires et de leurs satellites intérieurs Shepherd, étudier les caractéristiques, le mécanisme de formation, l'échange de matière et le transport de gaz des anneaux planétaires de différents types d'orbites, analyser l'origine de différents corps célestes et détecter d'éventuelles matières organiques... plusieurs anneaux planétaires de Neptune ne sont pas uniformément répartis en longitude. Au lieu de cela, il présente une structure discrète en forme d'arc. Pourquoi ces structures en arc peuvent exister, et si elles existent de manière stable sans s'étendre, sont tous des problèmes dynamiques intéressants.

L'agence spatiale chinoise a pris des mesures assez impressionnantes ces dernières années qui illustrent comment la nation est devenue une puissance majeure dans l'espace. Il s'agit notamment du développement de fusées de lancement lourdes comme la Longue Marche 9, du déploiement de stations spatiales (le programme Tiangong) et de leur succès avec les programmes Chang'e et Tianwen qui ont envoyé des explorateurs robotiques sur la Lune et sur Mars. Une mission comme celle-ci, qui volerait vers le système solaire externe et l'un des corps les moins étudiés, indique comment la Chine espère étendre son programme spatial dans les années à venir.

Cela compléterait également le plan de la NASA d'envoyer une sonde robotique à Uranus, un autre des corps les moins étudiés du système solaire. Comme le Neptune Explorer proposé, cette mission étudierait l'atmosphère, la structure intérieure, les lunes et les anneaux d'Uranus à l'aide d'un vaisseau spatial en orbite et d'une sonde déployable. Les données qui en résulteraient occuperaient les astronomes et les planétologues pendant des décennies et pourraient révéler des choses vraiment révolutionnaires sur le système solaire extérieur, notamment son histoire et la façon dont cela a permis l'émergence de la vie ici sur Terre. + Explorer plus loin

Les anneaux d'Uranus et de Neptune pourraient aider à cartographier leurs intérieurs