Paris, 9 JUILLET 2013

Deux bouffées de bioluminescence révèlent un mouvement de masses d'eau en Méditerranée

En 2009 et 2010, le télescope sous-marin Antares a observé un étrange phénomène : la bioluminescence due aux organismes abyssaux a brusquement augmenté. Ceci a permis de révéler un lien inattendu entre une activité biologique – la bioluminescence – et le mouvement de masses d'eau en milieu profond. En effet, les mouvements de convection dans le golfe du Lion apportent aux eaux profondes, de l'oxygène et des nutriments qui « boostent » l'activité biologique. Publiés le 10 Juillet dans PLoS ONE, ces travaux ont été réalisés par une équipe coordonnée par des chercheurs CNRS de l'Institut méditerranéen d'océanographie (CNRS / IRD / Aix-Marseille Université / Université du Sud Toulon-Var) et du Centre de physique des particules de Marseille (CNRS / Aix-Marseille Université).
Déployé au large de Toulon, le télescope Antares a pour but de détecter le passage des neutrinos cosmiques de très haute énergie1. Ces particules interagissent peu avec la matière. Néanmoins, lorsque l'une d'entre elles frappe une molécule d'eau, elle peut produire un muon, particule chargée, qui émet des photons lors de son passage. C'est cette radiation que les 900 photomultiplicateurs d'Antares sont chargés d'observer à 2 400 mètres de profondeur.

Ces profondeurs ne sont pas aussi sombres qu'on pourrait le croire : 90% des organismes abyssaux sont en effet capables d'émettre de la lumière, qui intervient dans de nombreuses interactions écologiques comme l'attirance des proies ou les comportements liés à la reproduction. Les bactéries des abysses, qu'elles soient libres, en symbiose avec des animaux ou bien attachées à des particules en suspension, sont capables d'émettre de la lumière en continu et sont adaptées à leur environnement comme l'ont démontré Christian Tamburini et ses collègues dans un autre article publié en juin dernier2.

Cette bioluminescence n'avait pas gêné la mission d'Antares. Néanmoins, deux épisodes survenus entre mars et juillet des années 2009 et 2010 ont littéralement ébloui le télescope. Le bruit de fond lumineux mesuré par le détecteur, généralement compris entre 40 et 100 kHz, est soudain passé à 9 000 kHz. Ce pic de bioluminescence coïncide avec une augmentation de la température de l'eau et de la salinité. Ceci a permis aux chercheurs de faire le lien entre la bioluminescence et les mouvements de convection ayant lieu dans le golfe du Lion.

Lors des hivers particulièrement froids et secs, la température des eaux superficielles du golfe du Lion chute tandis que leur salinité augmente du fait de l'évaporation. Résultat, ces masses d'eau deviennent plus lourdes que celles qui les soutiennent et coulent. Ce mouvement, dit de convection, est bien connu. Or, les eaux superficielles sont riches en oxygène et en nutriments. En s'enfonçant, elles apportent aux eaux profondes des ressources permettant à l'activité biologique de s'intensifier. C'est ce pic d'intensité de l'activité biologique qu'Antares a observé de façon inattendue.

Les chercheurs estiment que la mesure de la bioluminescence pourrait devenir la première méthode pour mesurer en continu l'activité biologique en eaux profondes. Elle permettrait de mieux comprendre l'impact sur la vie des mouvements des masses d'eau et la circulation océanique. Ceci est d'autant plus important que des phénomènes tels que les convections d'eau profonde devraient diminuer notablement au cours de ce siècle du fait du réchauffement climatique. Cette diminution aura des conséquences importantes sur les écosystèmes profonds, qui se verront privés de cet apport en nutriments et oxygène. Les chercheurs entendent désormais déterminer les organismes responsables de la lumière observée par Antares encore non identifiés, et développer une instrumentation permettant de mesurer la bioluminescence en continu et de façon autonome.

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L'ASSISTANCE   GRAVITATIONNELLE

L’assistance gravitationnelle est une technique utilisant l'attraction des planètes pour donner un supplément de vitesse à une sonde interplanétaire. On parle aussi d'effet de fronde gravitationnelle. Cette technique est maintenant employée pour la plupart des sondes interplanétaires, dans le but d'économiser du carburant. Voici pourquoi.

La gravitation impose de nombreuses contraintes rendant difficile un voyage en ligne droite d’une planète à un autre, à moins de disposer d’un moteur-fusée exceptionnel. En effet, pour atteindre une vitesse donnée, par exemple celle de libération d’une planète, il faut dépenser du carburant… pour propulser le carburant. Pour une charge utile donnée, il faut pouvoir éjecter des gaz aux vitesses les plus élevées possible si l’on dispose de peu de carburant. Pour le moment, on en est encore réduit à faire voyager des masses peu importantes selon des trajectoires bien déterminées lorsqu’on veut visiter une planète du Système solaire.

Il existe heureusement une stratégie pour voyager d’une planète à une autre en économisant du carburant : l’assistance gravitationnelle. Elle consiste à faire entrer une sonde dans ce que l’on appelle la sphère de Hill (du nom de son découvreur, le mathématicien et astronome George Hill), encore appelée la sphère de Roche (du nom du mathématicien et astronome français Édouard Roche). Cette sphère d’influence gravitationnelle d’un corps céleste, que l’on ne doit pas confondre avec la limite de Roche, définit une région dans laquelle un autre corps céleste a tendance à rester naturellement un satellite du premier malgré l’influence gravitationnelle d’un troisième corps. La Terre possède donc une sphère de Hill par rapport au Soleil dans laquelle se trouve la Lune, et il en est de même pour la Lune elle-même par rapport à la Terre et au Soleil, ainsi que pour les autres planètes comme Jupiter et Vénus.

Lorsqu’une sonde entre dans une sphère de Hill avec une vitesse suffisante pour ne pas y rester, sa vitesse augmente comme le ferait une bille tombant dans une cuvette avant de diminuer à la sortie de la cuvette. On pourrait croire que le bilan est nul, mais du fait du mouvement de la planète possédant une sphère de Hill, il devient possible d’emprunter une partie du moment cinétique orbitale de la planète pour douer la sonde d’une impulsion supplémentaire si l’on s’y prend bien. En passant de planète en planète, une sonde peut donc accélérer pour atteindre des vitesses considérables sans utiliser de carburant et parcourir des distances beaucoup plus rapidement.

L'assistance gravitationnelle et l'exploration du Système solaire

L’idée d’utiliser l’influence gravitationnelle d’une planète pour changer la vitesse d’un vaisseau spatial remonte aux années 1920 avec les travaux du mathématicien ukrainien Yuri Kondratyuk. On lui doit aussi le rendez-vous en orbite lunaire (LOR, lunar orbit rendezvous) qui est le nom du scénario de mission qui a été suivi par le programme spatial Apollo pour envoyer des hommes sur la Lune. Mais c’est le mathématicien états-unien Michael Minovitch qui saisira vraiment toute la portée de l’idée de l'assistance gravitationnelle d'une planète en 1961, à savoir la possibilité de réduire la consommation de carburant nécessaire à des voyages interplanétaires rapides.

La Nasa va mettre en pratique pour la première fois ce concept avec la sonde Mariner 10, qui utilisera Vénus le 5 février 1974 pour atteindre Mercure le 16 mars 1974. Il s’agissait du premier vol interplanétaire au moyen de l’assistance gravitationnelle, mais la technique avait tout de même déjà été utilisée lors du vol de la sonde russe Luna 3 en 1959. Mercure ne sera à nouveau visitée que 33 ans plus tard, par la sonde Messenger le 14 janvier 2008.

Les sondes Mariner 11 et 12 ne virent pas le jour à cause de compression de budget. Plutôt que de continuer à explorer le Système solaire interne, la Nasa utilisa les travaux déjà engagés pour un projet bien plus ambitieux. C’est ainsi que naquirent les sondes Voyager 1 et Voyager 2, ainsi que le projet d’un « Grand Tour » du Système solaire en direction des planètes externes. C’est l’ingénieur Gary Flandro qui s’est rendu compte en 1964 que les travaux de Minovitch, son collègue de la Nasa, permettaient d’envisager ce Grand Tour en moins de dix ans, ce qui semblait impossible étant donné la technologie de l’époque.

Depuis, l'assistance gravitationnelle d'une planète a été mise à profit par d’autres missions, comme celle de la sonde Cassini-Huygens qui l’a utilisée à plusieurs reprises pour parvenir à Saturne. Elle a modifié sa vitesse d'abord en passant à deux reprises près de Vénus, puis de la Terre et enfin de Jupiter. On peut citer aussi les exemples des sondes Rosetta et New Horizon.

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Cubesat : des satellites à la portée des étudiants

Ces minuscules dispositifs de 10 cm de côté sont un support de travail idéal pour les ingénieurs en herbe qui peuvent ensuite les exploiter après qu'ils ont été lancés dans l'espace.

PÉDAGOGIQUES. En décembre 2015, un satellite français devrait décoller à bord d'un lanceur Falcon 9 de la société privée américaine SpaceX. Un satellite un peu particulier puisque ce dernier ne sera qu'un des nombreux passagers lors de ce lancement. Et pour cause "Robusta-1B" (c'est son nom) est si petit qu'il tient dans la paume de la main. Il fait en effet partie de la catégorie des "cubesat". De petits objets cubiques de 10 cm d'arête et pesant à peine plus d'un kilo.
Robusta-1B n'est pas le premier de son espèce, loin de là. Leurs spécifications techniques ont été définies en 1999 par deux professeurs d'universités aux États-Unis, désireux d'initier leurs étudiants à la conception, la fabrication, l'assemblage, le lancement et l'exploitation de satellites, à la manière d'une agence spatiale. Rapidement, leur idée s'est répandue comme une trainée de poudre. Et pour cause, relativement simple à construire, rapide à assembler, et passionnants à concevoir, ces petits cubes high-tech permettent aux étudiants d'aborder toutes les thématiques liées au domaine spatial, depuis la gestion d'une orbite aux télécommunications, en passant par la collecte et le traitement de données.
Simples, performants, et beaucoup moins chers
Certes, les cubesat ne sont pas aussi performant que leurs massifs homologues. Ils n'embarquent qu'une batterie minuscule qui ne leur fournit pas pour l'instant la puissance nécessaire pour relayer des flux vidéos. De même, leur compacité s'accommode mal avec des applications d'imagerie tels que des télescopes, qui nécessitent des optiques de grande longueur. Néanmoins, ils peuvent rendre une somme incalculable de services : cartographie sommaire, détecteurs de particules, magnétomètres, relais de communication, etc. Ils peuvent demeurer 1 à 2 ans sur leur orbite basse avant de retomber et de se désintégrer dans l'atmosphère, ce qui simplifie grandement les problématiques liées à la gestion des déchets spatiaux.
TARIF. Et surtout, ils ne coûtent qu'une fraction du prix d'un satellite "classique". Car ces cubesats sont souvent lancés par grappe d'une dizaine voire d'une trentaine et partagent parfois le lanceur avec de gros satellites commerciaux dont les opérateurs financent la plus grande part du lancement. "Mettre 1 kilo dans l'espace dans ces conditions coûte environ 30.000 euros" estime Frédéric Saigné, professeur à l'Institut d'Électronique de Montpellier (IES) et directeur de la Fondation Van Allen qui se charge de collecter les fonds pour financer ce type de projet ainsi que des bourses d'étudiants (la Région Languedoc-Roussillon finance grandement l’ensemble du projet et notamment le premier Centre spatial Universitaire français).
Des expériences universitaires dans le vide spatial
Le tout premier de ces mini satellites cubiques était américain. Il a décollé en juin 2003 à bord d'un lanceur Rockot. Depuis, plus de 130 de ces mini satellites ont été lancés. Le premier cubesat français a décollé en février 2012, en même temps que le premier lanceur européen Vega. Durant ce vol de qualification, le lanceur a mis sur orbite deux gros satellites et 7 petits cubesats parmi lesquels figurait "Robusta-1A". Un satellite conçu par des étudiants de l'Université de Montpellier et l'équipe du Centre Spatial Universitaire, suite à l'appel à projet "Expresso" amorcé en 2006 par le CNES.
LIREVol de qualification réussi pour le nouveau lanceur Vega

Placé sur son orbite, Robusta-1A a émis pendant quelques heures avant de cesser de fonctionner. "Nous avons beaucoup appris de cette expérience. C'est très probablement un souci de branchement au niveau des panneaux solaires qui a empêché la batterie de notre cubesat de se recharger" analyse Jérôme Boch, professeur à l'IES. Et ce demi échec a plus que jamais motivé les troupes pour renouveler l'expérience en concevant le successeur de ce premier cubesat : Robusta-1B.

 
 
Sa charge utile est constituée d'une plaque de circuit imprimé sur laquelle sont fixés des composants électroniques. L'objectif est d'étudier en conditions réelles comment vieillit l'électronique lorsqu'il est exposé à l'environnement radiatif hostile de l'espace. L'étude de ce vieillissement in situ sera l'occasion de valider de nouveaux modèles prédictifs de vieillissement de l'électronique. "En effet, jusqu'à présent, on se contente de reproduire les effets de l'environnement radiatif spatial en irradiant les composants en laboratoire pendant un temps très court (comparé à la durée de vie d'un satellite), puis on extrapole afin d'obtenir une information sur le vieillissement. Or, il est bien connu qu'une irradiation plus lente, correspondante aux conditions réelles que rencontrera le satellite, n'aura pas les mêmes effets sur l'électronique. Robusta 1b nous permettra de vérifier ces hypothèses en environnement réel"explique Mathias Rousselet, étudiant impliqué dans le projet.

 
Et ces premiers lancements ne sont que le début d'une longue série. Le Centre Spatial Universitaire (CSU) de Montpellier espère désormais lancer au moins un de ces cubesats par an.
De fait, un peu avant l'été 2015, un lanceur devrait décoller de Russie, emportant avec lui une petite carte électronique développé par le CSU en partenariat avec l'université de Bauman en Russie. Il s'agira cette fois de tester la résistance de différents types de mémoire flash ou Ram dans un environnement spatial.
OPÉRATIONNEL. Et le projet suivant est d'ores et déjà sur la rampe de lancement. Il s'agit d'un triple cubesat baptisé Robusta-3A Mediterranée. Sa mission sera de servir de relai pour transmettre des données collectées par le GPS des navires qui croisent en Méditerranée. En effet, le signal GPS met un peu plus de temps à parvenir aux récepteurs lorsque le ciel est encombré de nuages. La mesure de ce délai fournit une indication sur la quantité d'eau contenue dans la troposphère, au dessus du navire. Ces données seront transmises par chaque navire et collectées par le satellite. Elles seront alors transmises dans un format exploitable à Meteo-France, afin d'en affiner les modèles et donc les prédictions météorologiques. "Le partenariat est en cours de signature avec Méteo-France" assure Frédéric Saigné.
Tisser des collaborations internationales et avec les agences spatiales
Et lorsqu'ils ne sera pas utilisé à des fins météorologiques, le cubesat pourra être employé pour faire transiter des données de type SMS entre des universités partenaires au Burkina-Faso, à Madagascar, ainsi que dans le sud de la France. Ce satellite constituera un défi technique supplémentaire puisqu'il sera stabilisé par des petits propulseurs, et qu'il emploiera à cet effet un "star tracker". C'est à dire une petite caméra capable de se repérer grâce à la position des étoiles dans le ciel.
Le domaine des cubesat semble tellement porteur que l'université de Montpellier leur a même ouvert un cursus dédié, portant sur l'ingénierie des systèmes spatiaux. Ce qui permet aux étudiants de travailler en partenariat avec l'ESA, le CNES, mais aussi avec l'agence spatiale russe Roscosmos ainsi qu'avec le laboratoire JPL de la NASA. "Dans les 5 ans, quelques 1000 nanosatellites de 1 à 10 kilos pourraient-être lancés" prédit un article du journal The Economist.

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Galileo : de bonnes nouvelles des satellites placés sur la mauvaise orbite

Vendredi 27 mars 2015, à 22 H 46 heure française, un lanceur Soyouz devrait décoller de la base de Kourou, en Guyane, emportant avec lui une nouvelle paire de satellites de la future constellation européenne Galileo. Les satellites 7 et 8 devraient, si tout se passe bien, vont rejoindre leurs 6 jumeaux qui orbitent actuellement au-dessus de nos têtes. À terme, la constellation permettant le géopositionnement devrait comporter 30 satellites. Mais, on s'en souvient, le précédent lancement, le 22 août 2014, avait pâti d'une grave avarie matérielle. Une erreur de conception avait entraîné le gel du carburant dans les tuyaux d'alimentation en hydrazine du dernier étage (Fregat) du lanceur russe Soyouz. De ce fait, la paire de satellites 5 et 6 avait été déposée sur une mauvaise orbite.


Leur sort est resté incertain pendant plusieurs mois. Nous avions même interrogé des spécialistes qui envisageaient très sérieusement l'hypothèse d'abandonner les satellites. Mais l'Agence spatiale européenne (ESA) a opté pour une autre option. Dans un communiqué publié le 13 mars 2015, l'Agence explique que les satellites ont finalement été replacés sur une orbite correcte. Pour en savoir plus, nous avons contacté les deux spécialistes de l'ESA Didier Faivre, directeur du programme Galileo et de ses systèmes de navigation, et à Sylvain Loddo, responsable des segments sol.
Sciences et Avenir : Les satellites 5 et 6 sont-ils désormais exactement sur l’orbite initialement visée où seulement sur une orbite proche de l’orbite cible ?
Didier Faivre : L'orbite initialement visée avec le lanceur Soyouz était inaccessible avec la capacité de manœuvre dont nous disposions. Or, les satellites 5 et 6 étaient inexploitables sur la mauvaise orbite sur laquelle ils avaient été déposés. En effet, du fait de la forte excentricité de cette orbite, avec un périgée (point de l'orbite ou la distance entre le satellite et la Terre est la plus faible) très bas, le système de contrôle d’altitude des satellites était périodiquement aveuglé par la Terre. Après réflexion, nous avons déterminé les coordonnées d'une nouvelle orbite (dite "orbite de travail") qui pourrait permettre d'exploiter les satellites. Nous avons donc remonté le périgée de 13.700 à 17.200 km et corrigé son excentricité qui est passée de 0,23 à 0,15 (autrement dit, l'orbite a été rendue un peu plus circulaire, ndlr). Le satellite numéro 5 a atteint cette orbite de travail en novembre 2014 et le satellite 6 en mars 2015.


Sciences et Avenir : Le communiqué de l'ESA explique que pour corriger l'orbite, il a fallu effectuer 14 manœuvres et pas moins de 6 semaines ! Pourquoi est-il si long de corriger une orbite ?
Didier Faivre : Cela a été long pour deux raisons. La première est que les satellites ne sont pas qualifiés pour endurer des poussées très puissantes. Ils sont conçus pour encaisser des impulsions relativement faibles correspondant à des accélérations de 20 mètres par seconde. On n'a pas voulu aller au delà. Il a donc fallu effectuer plusieurs poussées pour atteindre la nouvelle orbite cible. L'autre raison est que nous avons préféré effectuer les manœuvres lorsque les satellites étaient en visibilité. C'est-à-dire lorsqu'ils passaient au-dessus de stations de surveillance situées en Europe. Cela était beaucoup plus pratique pour suivre le bon déroulement de la manœuvre. Or, les orbites des satellites avaient entre 12 et 14 heures de période. Au vu de ces contraintes, on ne pouvait donc effectuer qu'une manœuvre tous les deux jours environ.
Sciences et Avenir : Combien ces manoeuvres ont-elle consommé de carburant ? Combien en reste-t-il à chacun des satellites 5 et 6 ?
Didier Faivre : Ces manoeuvres ont consommé la plus grande partie du carburant des satellites. Il leur reste désormais environ 10 kilos d'ergols sur les 70 qu'ils emportaient au départ.
Sciences et Avenir : La consommation de carburant consécutive à ces manoeuvres a-t-elle réduit la durée de vie de ces satellites ?
Didier Faivre : Non, pour trois raisons. La première est qu'avec 10 kilos d'ergol, il reste une bonne capacité de manœuvre. Et sur leur nouvelle orbite, cette capacité ne sera sans doute pas tellement sollicitée. En effet, les ergols sont surtout utilisés pour des manoeuvres consistant à remplacer un autre satellite de la constellation (lorsque celui-ci arrive en fin de vie par exemple, ndlr). Or, si les prochains lancements se déroulent correctement, aucun autre satellite n'est censé rejoindre les satellites 5 et 6 sur leur orbite atypique. Ce qui fait que pour ces derniers, les manœuvres à effectuer seront beaucoup plus fines et moins nombreuses. La seconde raison est que cette nouvelle "orbite de travail" est très stable, ce qui signifie qu'il ne sera pas nécessaire de remonter périodiquement les satellites (comme on le fait avec la station spatiale internationale, ndlr) afin qu'ils ne soient pas happés par la force de gravitation et ne finissent par retomber sur Terre. La troisième est que cette orbite de travail ne sera utilisée pour aucune autre mission spatiale. Elle peut donc-être dores et déjà être considérée comme une orbite cimetière. Il ne sera donc pas nécessaire de conserver du carburant pour désorbiter ces satellite une fois leur mission terminée.
Le communiqué de l'ESA précise que les satellites ont été exposés aux radiations de la ceinture de Van Allen. Avez-vous constaté des dégâts matériels sur l’un ou l’autre des satellites ?
Didier Faivre : Il est vrai qu'entre le mois d'août et ceux de novembre et décembre, les satellites ont été exposés à un environnement radioactif lourd. Toutefois, nous n'avons eu aucun indice signalant un dysfonctionnement ou une dégradation. Les satellites fonctionnent parfaitement.
Sciences et Avenir : Sur leur nouvelle orbite, les satellites 5 et 6 peuvent-ils remplir toutes les missions pour lesquelles ils ont été conçus ?

Sylvain Loddo : Oui, les satellites sont opérationnels. Nos tests ont montré qu'ils sont capables d'envoyer un signal qui permet de se localiser au sol avec une grande précision. Le seul souci est que, du fait de cette orbite atypique, le signal est plus long à acquérir. Cela peut prendre une trentaines de secondes au lieu de quelques secondes habituellement. Mais ce temps varie en fonction de la qualité du récepteur et du nombre de canaux qu'il utilise. Mais nos tests ont montré qu'avec quelques adaptations mineures sur les segments sol, on pourrait régler ce problème en quelques mois et générer un message qui sera pratiquement le même que celui des autres satellites de la constellation. "Pratiquement" car si on arrive bien transmettre les éphémérides (information sur la position précise du satellite, permettant de faire les mesures de calcul des distances) on a encore du mal à transmettre les almanachs (qui contiennent, entre autre, toutes les données orbitales du satellite, ce qui permet au récepteur de savoir quel coin du ciel scruter pour le trouver plus rapidement). Ces almanachs constituent une aide à la navigation et permettent un géopositionnement plus rapide. Là aussi il est envisageable de modifier le message pour y injecter les almanachs, mais cela prendra plus de temps.

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