Hayabusa2 : la sonde chasseuse d'astéroïde

Une révolution, rien de moins. Après une première expérience mitigée en 2003, l'agence spatiale japonaise lance la mission Hayabusa2 en décembre 2014, accompagnée d'une véritable collection de nouveaux outils pour explorer l'astéroïde Ryugu. Aujourd'hui on ne peut que saluer son succès !

Pour comprendre Hayabusa2, il faut d'abord remonter au tournant du siècle et à la première mission du genre : au printemps 2003, l'agence spatiale japonaise décide de monter un projet audacieux vers l'astéroïde 1998 SF36, renommé Itokawa quelques semaines seulement après le départ de la sonde. Hayabusa (qui se traduit en « Faucon Pèlerin ») parvient à atteindre son astéroïde, mais les technologies nouvelles qui équipent la sonde rendent chaque étape de la mission difficile : les propulseurs ioniques sont capricieux, les contrôleurs d'attitude de la sonde aussi, le petit robot qu'elle largue vers la surface se perd dans le vide et, comble de malchance, le mécanisme qui lui permet de récupérer des échantillons (et qui s'annonçait d'ailleurs comme une grande première mondiale) ne se déclenche pas comme prévu.

Malgré tout, Hayabusa réussit tant bien que mal à ramener une petite capsule, qui se pose dans le désert australien le 13 juin 2010... La mission se conclut alors par une surprise inespérée : même s'il semble vide lors de son ouverture en laboratoire, le boitier, qui a parcouru des dizaines de millions de kilomètres, contient de minuscules grains de poussière d'astéroïde. Il n'en faudra pas plus aux scientifiques pour étudier au maximum les propriétés d'Itokawa... Mais l'agence japonaise JAXA veut aller plus loin, rectifier ses erreurs et profiter de ses connaissances pour visiter un autre astéroïde : elle lance, pour ce faire, le programme Hayabusa2. (Notez par ailleurs que, oui, Hayabusa2 s'écrit en un mot, ce n'est pas une erreur).

Prendre Ryugu en chasse

Hayabusa2 décolle le 3 décembre 2014, pour une longue période de transfert à la poursuite de son astéroïde, alors appelé 1999 JU3 et bientôt officiellement renommé Ryugu (le « Palais du Dragon », lieu lié à la mythologie japonaise). La sonde emploie à nouveau quatre propulseurs ioniques, dont un de rechange, ainsi que plusieurs systèmes de contrôle de son attitude. Mais les défauts de la première génération ont été admirablement gommés : il n'y aura aucun incident de parcours lors de la « poursuite » de l'astéroïde de type C (pour Carboné). Au fur et à mesure qu'elle découvre son objectif, Hayabusa2 réduit sa vitesse et prépare ses résultats préliminaires. Il s'agit de faire vite, qui sait si le petit astéroïde de 860 mètres de diamètre ne cache pas un petit rocher en orbite, ou n'a pas une petite queue de poussière ?

En fin de compte, les mesures ne révèlent rien d'anormal et en juin 2018 Hayabusa2 arrive à proximité de son sujet d'étude. Le 27 juin, elle stoppe sa progression en arrivant à « domicile » : un point bien précis, à 20 km derrière Ryugu. La sonde, de 610 kg (dont 66 kg de Xénon pour ses propulseurs, éteints depuis son arrivée près de l'astéroïde) n'entre pas en orbite de Ryugu. Sa masse est jugée trop faible, et les équipes sont plus confiantes pour étudier l'astéroïde à distance raisonnable.

Il faut un peu plus de sept heures à Ryugu pour faire un tour sur lui-même et quelques jours après l'arrivée d'Hayabusa2, les scientifiques connaissent déjà ses caractéristiques principales : une ceinture « écrasée » par son propre poids, qui lui donne la forme d'un diamant, de gros blocs rocheux aux pôles et une série de cratères sur son équateur. C'est le premier astéroïde de type C jamais approché, il est plus sombre qu'un bloc de charbon et grâce à leur patience, les équipes japonaises et les scientifiques du monde entier vont bénéficier de 18 mois pour l'étudier de près !

Des premiers mois très chargés

Le calendrier est très contraint : pour optimiser le temps passé autour de Ryugu, seuls les deux premiers mois sont dédiés à l'une des tâches les plus importantes, à savoir, la cartographie fine de l'astéroïde. Mais grâce à leur technique pour suivre Ryugu depuis le point de « domicile » de la sonde, les équipes de Hayabusa2 vont établir des protocoles d'approche très simples. Plusieurs fois en juillet puis en août 2018, les scientifiques font « descendre » la sonde vers la surface, la rapprochant à moins d'un kilomètre d'altitude pour prendre des clichés à haute résolution. Lors d'un de ces tests, les moteurs sont coupés et les équipes étudient le champ gravitationnel de Ryugu en calculant la variation de trajectoire de la sonde.

Très rapidement, les équipes sont émerveillées par une caractéristique unique de cet astéroïde, qui va pourtant leur poser beaucoup de problèmes : il n'y a pas de zone plane sur Ryugu ! Lors des précédentes missions, qu'il s'agisse d'Hayabusa1 autour d'Itokawa, ou d'autres visites de petits corps, comme la comète 67P « Tchouri », les scientifiques avaient toujours trouvé des zones planes, sableuses ou poussiéreuses. Sur Ryugu, rien de tout cela : l'astéroïde est un véritable pierrier dont les blocs se recouvrent les uns les autres. Et plus la sonde s'en approche, plus les équipes observent des cailloux de plus petite taille, qui occupent toute sa surface. Le sol de Ryugu devient un vrai casse-tête pour les Japonais, les Français et les Allemands, qui cherchent des zones pour faire atterrir leurs petits robots.

Minerva et Mascot, les robots largués

Hayabusa2 est une mission complexe, qui embarque quatre robots répartis en trois groupes. Les premiers sont largués le 21 septembre 2018 à moins de 30 mètres d'altitude : il s'agit de deux cylindres de 1,1 kg nommés Owl et Hibou, faisant partie d'un premier groupe nommé Minerva 2-1. Développés en coopération par l'agence japonaise JAXA et l'Université d'Aizu, ils sont équipés de dispositifs pour « sauter » à la surface de Ryugu, tout en capturant des images à intervalles réguliers. Lors de leur diffusion, ces photographies, premiers clichés pris à la surface d'un astéroïde, auront un retentissement mondial.

Quelques jours plus tard, c'est au tour du robot franco-allemand Mascot (« Mobile Asteroïd Surface sCOuT ») d'aller se poser sur Ryugu. De la taille d'une boite à chaussures, il pèse pratiquement dix kilos, mais contrairement aux robots japonais, Mascot n'est pas équipé de panneaux solaires, seulement d'une batterie capable d'assurer une durée de vie d'environ deux orbites à ses quatre instruments scientifiques. Largué à 50 mètres de la surface, il descend durant 19 minutes avant d'atterrir... À l'envers. Rapidement, les équipes sur Terre ordonnent au robot d'actionner son système de saut, et Mascot se retrouve dans la bonne position. Heureusement, ses instruments fonctionnent à merveille et enregistrent 16 heures de données, dont l'étude, un an plus tard, a déjà donné lieu à des publications prestigieuses - et ce n'est que le début !

Le troisième et dernier robot a été éjecté un an plus tard, le 3 octobre 2019, à 1 km d'altitude. Cela a permis aux équipes de suivre sa lente progression vers la surface (environ cinq jours pour « tomber » jusqu'aux rochers) et de valider les mesures de gravité précédentes. Ce robot, Minerva 2-2, n'a pas encore envoyé d'images aux équipes, à moins qu'elles n'aient pas été publiées pour l'instant.

SCI, des explosifs sur une sonde spatiale

L'objectif ultime de la mission Hayabusa2 est de capturer et de ramener des échantillons d'astéroïde sur Terre. Mais Ryugu est un objet céleste qui évolue sans grande perturbation depuis des centaines de millions, voire des milliards d'années. Sa surface a donc été sujette à d'importants cycles de radiations solaires, des températures extrêmes, de l'érosion... Aussi, il serait très intéressant de savoir ce qui se cache sous cette surface depuis aussi longtemps. De la glace ? Des molécules carbonées complexes ? Pour le savoir, la JAXA n'a pas hésité : si vous n'êtes pas sûrs d'observer un cratère récent, autant en créer un vous-même. C'est le rôle de l'impacteur SCI (Small Carry-On Impactor) un petit cylindre de 14 kg, largué à environ 500 mètres de la surface de l'astéroïde Ryugu.

Le dispositif est principalement équipé d'un compte à rebours, tout sauf sophistiqué, qui déclenche une charge de 9,5 kg d'explosif type « Plastic ». Et c'est beaucoup, même sur Terre (un « pain » de C4 pèse entre 500 et 600 grammes). Néanmoins, l'explosion en elle même n'affectera pas la surface ; elle n'a qu'un but : propulser un projectile en cuivre de 2 kg et de 5 mm d'épaisseur vers la surface de l'astéroïde. Au moment de l'explosion, le disque de cuivre se déforme, devenant cône, et c'est lui qui fonce vers la surface de l'astéroïde pour l'impacter à environ 2 km/s, soit 7 200 km/h !

Le SCI est déployé le 5 avril 2019. La sonde se dépêche alors de s'abriter « derrière » l'astéroïde, pour ne recevoir aucun débris projeté lors de l'impact. Ce dernier va créer un cratère inégal d'environ 20 mètres de diamètre en bordure duquel - bingo ! - les équipes japonaises décident d'aller prélever des échantillons.

Des échantillons pour la postérité

Mais avant le déploiement du SCI, qui permettra d'effectuer des prélèvements au niveau des couches inférieures de l'astéroïde, une première descente a lieu le 22 février, lors de laquelle les équipes ont fait courir les plus gros risques à la mission Hayabusa2.

Après une préparation intense, la sonde quitte son point de « domicile » à 20 km de l'astéroïde pour s'en approcher et prélever des échantillons. L'affaire est complexe : le véhicule ne peut être piloté car il faut pratiquement 15 minutes pour envoyer une commande et le double pour recevoir sa réponse. Impossible donc d'être réactif ou de manœuvrer avec un humain dans la boucle ; l'ordinateur de bord gère la partie finale de l'approche, tandis que le contrôle de mission japonais peut « appuyer sur le bouton » et annuler l'opération à tout moment.

Heureusement, tout se passe comme prévu : le système laser LIDAR donne des informations de distance au sol, tandis que l'ordinateur de bord se repère par rapport à des images précédemment stockées. Pour aider à la navigation, Hayabusa2 avait largué au-dessus de la zone un marqueur de cible, sorte de balle de tennis recouverte d'aluminium. Lors de l'examen des images, l'ordinateur de bord l'identifie et se positionne par rapport à ce marqueur.

Hayabusa2 parcourt ensuite les derniers mètres. Lorsque sa « trompe » d'environ un mètre de long entre en contact avec le sol, un mini-projectile en tantale est tiré dans le sol, projetant alentours des milliers de petits débris et de poussières. Ces derniers rebondissent dans la trompe et viennent se ficher dans le cœur de l'instrument, qui pivote immédiatement et conserve les précieux échantillons.

La sonde réalisera finalement deux prélèvements sur trois prévus, afin de ne pas risquer des dommages inutiles : les équipes sont persuadées que la première opération a suffisamment bien fonctionné pour projeter de la matière dans la capsule. Ils acceptent pourtant une seconde prise d'échantillons en bordure du cratère SCI, avec beaucoup de précautions : l'objectif scientifique est trop important pour risquer de passer à côté.

Ramener la coupe à la maison

Au moment d'écrire ces lignes, Hayabusa2 est toujours en opérations à 20 km de son astéroïde. Les équipes finalisent les derniers plans de vol pour observer Ryugu en ne prenant plus aucun risque avant son retour vers la Terre, entre les mois de novembre et de décembre 2019. La sonde va rallumer ses propulseurs ioniques pour entamer son voyage à destination de notre planète, qui devrait lui prendre environ un an.

Lors de son approche finale, elle larguera la capsule de retour d'échantillons qui viendra se poser dans le désert australien, avant d'être ouverte. Son contenu sera alors étudié sur le campus japonais de Sagamihara, mais aussi dans le reste du monde grâce à un vaste réseau de partenariats. Découvrir, manipuler et analyser ces morceaux d'astéroïde avec des instruments aujourd'hui inimaginables sur des sondes spatiales, sera la cerise sur le gâteau de cette mission.

Notez que les japonais ont conclu un partenariat particulier avec la NASA et l'équipe de la mission OSIRIS-REx, dont la sonde est actuellement en train d'examiner et d'orbiter le petit astéroïde Bennu, lui aussi de classe C. Comme la mission américaine doit elle aussi ramener des échantillons de matière (les prélèvements sont prévus à l'été 2020), des échanges sont prévus entre les japonais et leurs collègues aux USA. Une véritable mine d'or !