DRAGONFLY:
À LA DÉCOUVERTE DE TITAN

Depuis la découverte de Titan, le deuxième plus gros satellite de notre système solaire ne cesse de surprendre les scientifiques, et je vous propose aujourd’hui de retracer l’histoire de son exploration pour comprendre comment la mission Dragonfly retournera sur Titan pour tenter de percer le mystère des origines de la vie.

Depuis la découverte de Titan, le deuxième plus gros satellite de notre système solaire ne cesse de surprendre les scientifiques, et je vous propose aujourd’hui de retracer l’histoire de son exploration pour comprendre comment la mission Dragonfly retournera sur Titan pour tenter de percer le mystère des origines de la vie.

Titan, un satellite aux caractéristiques uniques

Pour rappel, Saturne est la sixième planète de notre système solaire, une géante gazeuse 95 fois plus massive que la Terre qui orbite autour du Soleil à 9,5 unités astronomiques, c’est-à-dire quasiment dix fois la distance qui nous sépare de notre étoile. Facilement reconnaissable à ces anneaux majoritairement composés de glace, la planète accueille pas moins de 82 lunes, dont la plus grosse, Titan, a été découverte en 1655 par l’astronome néerlandais Christian Huygens.

Vue en couleurs naturelles de la planète Saturne, créée d'après des images recueillies par la sonde spatiale Cassini peu de temps avant qu'elle ne commence sa mission « équinoxe » en juillet 2009. Six lunes sont aussi visibles: Titan (5150 kilomètres de diamètre), Janus (179 kilomètres), Mimas (396 km), Pandore (81 km), Épiméthée (113 km) et Encelade (504 km).

Titan en quelques chiffres

Si Titan est techniquement un satellite naturel, les planétologues considèrent cette lune comme un corps planétaire pour plusieurs raisons, à commencer par sa taille: avec 5150 kilomètres de diamètre, cette sphère de roche et de glace est plus grosse que Mercure. En plus de l’océan d’eau liquide présent sous sa croûte, Titan est le seul satellite du système solaire à posséder une atmosphère dense et haute de plusieurs centaines de kilomètres. Cette dernière contient d’ailleurs du méthane, un hydrocarbure dont une partie pourrait provenir de volcans de glace semblables à ceux observés sur sa voisine Encelade, une autre lune de Saturne.

1981 et le survol des sondes Voyager

Si on connaît aujourd’hui autant de détails sur l’environnement de la géante gazeuse, c’est notamment grâce au programme Voyager développé par la NASA dans les années 1970 pour étudier les planètes de notre système solaire. Quatre ans après son lancement, la sonde Voyager 1 effectue un passage à seulement 7000 kilomètres au-dessus de Titan, et observe l’épais manteau gazeux qui masque la surface du satellite, avant d’orienter son antenne parabolique vers la Terre pour renvoyer les précieuses images à plus d’un milliard de kilomètres. A cette distance, le signal mettra 80 minutes à parvenir aux ingénieurs qui découvrent depuis la Terre les premières photos haute résolution de Titan.

Les instruments scientifiques de Voyager identifient dans l’atmosphère aux couleurs orangées 95% de diazote – un gaz qui pour rappel constitue plus des trois quarts de l’air qu’on respire sur Terre – et la mission d’exploration confirme la présence de méthane, un composé organique souvent associé aux processus biologiques sur notre planète.

La satellite Titan photographié par la sonde Voyager 2
La satellite Titan photographié par la sonde Voyager 2
La lune Titan et son atmosphère épaisse
L'atmosphère de Titan capturée par la sonde Voyager le 12 novembre 1980.

2004: l'odyssée de Cassini-Huygens

La mission Voyager relance donc l’intérêt porté aux satellites de Saturne, et les scientifiques intrigués par la présence d’hydrocarbures dans l’atmosphère de Titan imaginent cette lune recouverte d’un océan de méthane. Pour répondre à leurs questions, les ingénieurs de la NASA et de l’agence spatiale européenne imaginent ensemble une sonde capable de retourner explorer Saturne et ses satellites. 

Lancée depuis la base de Cap Canaveral dans la nuit du 15 octobre 1997, Cassini-Huygens est longue de 7 mètres et se compose de deux parties: la première est un orbiteur de deux tonnes nommé Cassini, conçu par les américains, et la seconde est le module atterrisseur Huygens, construit par l’ESA pour aller se poser à la surface de Titan.

Après un long voyage de 6 ans et 260 jours, Cassini approche enfin la géante aux anneaux et rallume son moteur pour se laisser capturer par le champ gravitationnel de Saturne, devenant ainsi le premier vaisseau à s’y placer en orbite. La sonde américaine oriente alors ses caméras infrarouges vers la lune orange et capture sous les nuages de Titan de grandes masses sombres dont les contours semblent dessiner des continents bordés d’océans.

Assemblage de l'orbiteur Cassini
Photo de l'assemblage de l'orbiteur Cassini

2005: l'atterrissage du module Huygens

Pour interpréter les clichés renvoyés sur Terre par Cassini, les scientifiques comptent sur la capsule Huygens qui sera lancée dans les hautes couches de l’atmosphère de Titan le 14 janvier 2005. Le mini laboratoire entame alors un long vol plané après le déploiement de son parachute et le largage de ses boucliers thermiques, deux heures et 28 minutes au bout desquelles le module européen perce finalement l’épaisse brume pour apercevoir la surface du satellite.

Les instruments scientifiques de Voyager identifient dans l’atmosphère aux couleurs orangées 95% de diazote – un gaz qui pour rappel constitue plus des trois quarts de l’air qu’on respire sur Terre – et la mission d’exploration confirme la présence de méthane, un composé organique souvent associé aux processus biologiques sur notre planète.

Image de la surface de Titan
A gauche, l'image prise par la sonde Huygens à la surface de Titan. A droite, une image de référence pour rendre compte de l'échelle.

Une atmosphère apocalyptique

Les caméras de Huygens révèlent alors des paysages fascinants composés de réseaux de rivières, de montagnes et de mers. La sonde finit par se poser en douceur sur une surface meuble parsemée de galets de glace, et continue de fonctionner au sol, plongée dans une lumière orangée qui rappelle les images prises à San Francisco lors des gigantesques incendies qui ont frappé la Californie en Septembre 2020.

San Francisco
Le Bay Bridge de San Francisco dans la fumée orange due aux incendies violents de Californie. Crédits: BRITTANY HOSEA-SMALL/AFP

Des paysages étrangement familiers...

Après cet atterrissage historique, Cassini continue de travailler pendant treize années autour de Saturne, survolant Titan 127 fois entre 2004 et 2017. Au fil des mois, les images satellites s’accumulent et l’orbiteur américain parvient à cartographier les deux tiers de la lune, qui semble avoir été façonnée par des processus météorologiques semblables à ceux que l’on connaît sur Terre, à l’image de ses dunes équatoriales ou des mers de méthane liquide qui s’étendent aux pôles. Les images ci-contre sont extraite de la publication scientifique que vous pouvez consulter en suivant ce lien.

Dunes Libyenne comparées à la surface de Titan
Comparaison entre une photo aérienne des dunes de sable en Libye et de la matière sableuse photographiée par la sonde Cassini. Source: "Linear dunes on Titan and remote sensing comparisons with Earth", Radebaugh et al., 2010
Image extraite de la conférence de l'astronome Stéphane Le Mouélic. Les mers de méthane au nord de Titan reflètent la lumière du soleil, un phénomène optique qui rappelle les images de notre planète bleue.
Schématisation du cycle du méthane sur Titan
Schématisation du cycle du méthane sur Titan.

Le méthane, l’or bleu de Titan

En effet, à une telle distance du Soleil, peu d’énergie arrive jusqu’au système saturnien et la température sur Titan dépasse rarement les -180 degrés, un froid intense qui permet au méthane de rester à l’état liquide pour créer de véritables mers d’hydrocarbures. Tout comme l’eau sur Terre, ce méthane liquide suit un cycle similaire en s’évaporant pour former des nuages, avant de retomber en pluies qui creusent les paysages glacés de Titan en créant de véritables rivières d’hydrocarbures.

Malgré les conditions de froid extrêmes, certains exobiologistes imaginent dans ce décor une nouvelle forme de vie capable d’utiliser le méthane comme solvant pour remplacer l’eau liquide. Pour vérifier cette théorie, les scientifiques souhaitent retourner sur Titan, comme le confirme le planétologue Jonathan Lunine.

« Nous ne saurons jamais si l’eau liquide est le seul solvant indispensable à la formation et la propagation de la vie tant que nous n’aurons pas récolté des échantillons de ces fichus lacs et mers »
Jonathan Lunine
Jonathan Lunine
Astronome à l'institut Carl Sagan (Cornell)

Dragonfly: une libellule de 450 kilos

C’est dans ce contexte que la NASA a récemment choisi la mission Dragonfly pour retourner explorer Titan dans le cadre de son programme d’exploration New Frontiers. La mission imaginée par le Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) a été retenue en 2019 pour envoyer sur le satellite de Saturne un grand quadricoptère de 3 mètres d’envergure, qui profitera d’une atmosphère quatre fois plus dense que sur Terre pour se déplacer à quelque 36 kilomètres par heure.

Pour propulser le drone de 450 kilos à cette vitesse, les ingénieurs comptent installer quatre moteurs qui actionnent chacun une double hélice d’un mètre de diamètre, une configuration impressionnante qui devrait augmenter les chances de succès de la mission puisque le robot pourra encore voler après la perte d’un rotor ou l’arrêt d’un moteur.

Image de synthèse du futur drone d'exploration Dragonfly
Image de synthèse du futur drone d'exploration Dragonfly. Sur les patins, on distingue les foreuses protégées par une coiffe aérodynamique (en noir).
Dessin d'artiste de Dragonfly
Dragonfly posé sur le sol de Titan, son antenne déployée pour communiquer avec la Terre.
Image d'illustration de la mission Dragonfly
Image d'illustration de la mission Dragonfly

Dragonfly: un parcours de 175 kilomètres

En s’appuyant sur les 13 années de recherche menées par Cassini, l’agence spatiale américaine a choisi les dunes équatoriales de Shangri-La. L’étendue de sable organique ou s’est posée Huygens en 2005 rappelle les paysages sud-africains de la Namibie, et doit offrir une zone suffisamment sûre pour pouvoir y poser le drone d’exploration sans risque.

Aidé par la gravité sept fois plus faible que sur Terre, le robot Dragonfly développé par l’APL multipliera les étapes pour explorer la région en parcourant au total 175 kilomètres, soit presque le double de la distance cumulée par l’ensemble des rovers martiens. Pour arriver à cette cette performance, le rayon d’action de l’aéronef sera progressivement augmenté après une série de tests en vol, pour finalement parcourir une distance maximale de 8 kilomètres entre chaque décollage.

Dragonfly: sa stratégie d'exploration

Après chaque atterrissage, la priorité du quadricoptère sera de déployer son antenne parabolique pour transmettre les images de reconnaissance prises par DragonCAM, un groupe d’appareils photos qui permettra un premier repérage du terrain pour choisir des sites intéressants à analyser. Une fois posé sur le sol de Titan (probablement composé de sable organique, de glace d’eau ou d’hydrates d’ammoniac gelés), des capteurs intégrés aux patins du drone assisteront les ingénieurs de la mission à identifier la texture du sol, avant d’envoyer les instructions adaptées pour prélever des échantillons

En fonction des analyses à effectuer, le robot transférera les prélèvements dans un de ses deux spectromètres, deux appareils de mesure auxquels s’ajoutent une petite station météorologique et des capteurs sismiques. Dragonfly embarquera donc une panoplie impressionnante d’instruments scientifiques, un laboratoire ambulant dont l’énergie sera fournie par un générateur thermoélectrique semblable à celui des rovers martiens Curiosity et Persévérance, et dont la dégradation naturelle du plutonium permet de générer de l’électricité. 

Après presque trois ans d’exploration sur le satellite de Saturne, la dernière étape de cette mission hors norme amènera notre libellule géante dans le cratère d’impact de Selk, un environnement qui a autrefois combiné énergie, eau liquide, et molécules organiques, le cocktail parfait pour espérer trouver des traces de vie!

Un véritable laboratoire volant

« Visiter ce monde océanique mystérieux pourrait révolutionner ce que nous savons de la vie dans l'univers »
NASA Administrator Jim Bridenstine
Jim Bridenstine
Administrateur de la NASA
Image du rover Curiosity
Image d'animation de Curiosity lors de sa séquence d'atterrissage, une manoeuvre périlleuse que devra effectuer le rover Persévérance pour se poser sur Mars le 18 février prochain.

Une nouvelle génération de drones d'exploration

Après la mission Mars 2020 et son hélicoptère Ingenuity, Titan offrira donc de nouvelles perspectives pour les futures générations de drones dédiés à l’exploration spatiale, et comme l’a rappelé l’administrateur de la NASA Jim Bridenstine, Dragonfly a tous les éléments d’une mission passionnante: Visiter ce monde océanique mystérieux pourrait révolutionner ce que nous savons de la vie dans l’univers”. 

En attendant le lancement de Drangonfly prévu pour 2027, la mise en service du télescope James Webb devrait apporter de nouveaux éléments pour préparer notre retour sur Titan, notamment en observant la saisonnalité de ses phénomènes météorologiques.

Pierre-Henri Le Besnerais

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[…] télescopes se perfectionnent et permettent d’affiner les observations des astronomes. En 1659, Christian Huygens réussit à calculer la vitesse de rotation de la planète et définit déjà le jour martien […]

Hachemi

Belle présentation du projet. Attention aux petites coquilles « astrologue » pour désigner certains intervenants. Ce blog complète bien la chaine YT.