L’invraisemblable programme Voyager de la NASA

           L'aventure des sondes Voyager commence en avril 1966, lorsqu'un ingénieur de la Nasa annonce un événement exceptionnel : entre 1977 et 1979, se produira un alignement des planètes du système solaire qui n'apparait que tous les 176 ans ! Ce qui permettrait aux sondes, en moins de temps et surtout avec moins de carburant, de visiter les quatre planètes géantes (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) en exploitant successivement les effets gravitaires de ces planètes.

Conçu à une époque où l’exploration spatiale stimulée par la guerre froide faisait rêver, en 1972, la NASA met donc sur pied le programme Voyager. La NASA, face aux contraintes budgétaires renonce à un projet Grand Tour plus ambitieux et en concrétisant les calculs des « Rocket girls » du Jet Propulsion Lab, construit deux engins parfaitement adaptés à ce programme complexe comme le prouveront la longévité des deux sondes et la qualité de la moisson scientifique récoltée. Contrairement aux satellites, les sondes n'ont pas pour but de graviter autour d’une planète, mais d'explorer l'espace. Voyager 1 et 2 sont, dans leur catégorie, des engins lourds, 800 kg, emportant plus de 100 kg d'instrumentation scientifique.

            Le programme a pour objectif l’étude des quatre planètes géantes, les plus éloignées du soleil, puis de poursuivre l’exploration au-delà du Système solaire, au moyen des deux sondes spatiales identiques Voyager 1 et Voyager 2, qui seront lancées respectivement le 20 août et le 05 septembre 1977. (Voyager 2, fut lancé le premier, car calculé pour atteindre Jupiter et Saturne après Voyager 1). Précédées de quelques mois par Pioneer 11 (256 kg, lancée en 1973), elles ne sont que les deuxième et troisième sondes à étudier Jupiter (05 mars et 09 juillet 1979) et Saturne (12 novembre 1980 et 25 août 1981). Par contre, Voyager 2 sera la première et la seule à effectuer un survol d'Uranus (24 janvier 1986) puis de Neptune (25 août 1989), passant à 29.240 km de cette huitième et dernière planète solaire. Elles ont observé 48 de leurs satellites, et découvert ou confirmé que toutes les géantes portaient des anneaux autour de leurs lourdes tailles, alors qu’on imaginait que seule Saturne, la 6° planète à partir du Soleil, en était pourvue.

            Le 17 février 1998, Voyager 1 distance Pioneer 10 et devient l’objet fabriqué par l’Homme le plus éloigné de la Terre.

Puis le 16 décembre 2004, en quittant la zone d’influence du champ magnétique du Soleil, il sera le premier vaisseau spatial, à franchir le choc terminal pour atteindre l'héliosphère. Le choc terminal est la limite intérieure de l'héliosphère (forme de bulle allongée dans l'espace, engendrée par les vents solaires) où la vitesse du vent solaire diminue en deçà de la vitesse du son (par rapport à l'étoile et dans le milieu interstellaire). Pour le système solaire, le choc terminal est évalué à une distance de 75 à 90 Unités Astronomiques du Soleil. (1 Unité Astronomique, la distance Terre-Soleil, vaut environ 150 millions de km). Le 30 août 2007, Voyager 2 franchira cette même frontière.

Le 13 août 2012, Voyager 2 battra le record de longévité dans l’espace détenu alors par la sonde Pioneer 6 avec 12.758 jours depuis le 16 décembre 1965.

Le 25 août 2012, Voyager 1 entre dans l’espace interstellaire : à 18 milliards de kilomètres de la Terre, après 41 années de voyage dans le système solaire, la sonde Voyager 1 a traversé l'héliopause (la limite de l'héliosphère qui marque la zone d'influence des vents solaires, lorsqu'ils rencontrent le milieu interstellaire) pour atteindre une zone où le vent solaire (projection de particules atomiques, essentiellement protons et électrons, par la haute atmosphère du Soleil) ne souffle plus. A cette distance extraordinaire, dans une terra incognita très peu dense qu’elles sont les premières à atteindre, chaque message de Voyager 1 met plus de 20 heures à atteindre la Terre. Voyager 2 franchira cette frontière le 05 novembre 2018.

            Depuis leur lancement en 1977, elles ont parcouru, début 2024, jusqu’à 24 milliards de kilomètres pour Voyager 1, la plus éloignée des deux : c'est plus de 150 UA ! Voyager 1 est ainsi l'objet le plus lointain jamais créé par l'humain.

            Ces sondes jumelles envoient chaque jour des informations sur le système solaire. Pour les capter, 3 stations en Californie (Etats-Unis), à Madrid (Espagne) et à Canberra (Australie) se relaient, formant un réseau de grandes antennes radio, au sol. Les données émises par les 10 instruments portés par chaque sonde en font sans doute la mission d'exploration du Système solaire la plus fructueuse sur le plan scientifique de toute l'histoire spatiale.

            Les sondes exploratrices Voyager 1 et 2 étaient parties pour être opérationnelles une quinzaine d’années ... Mais en 2024, 47 ans plus tard, elles sillonnent toujours le Système solaire tout en restant en communication avec la Terre. D'une longévité inattendue, Voyager 1 et 2 seront bientôt (en 2030 ?) hors service, après des décennies d'exploration du Système solaire. 11 de leurs équipements sont déjà inopérants (mai 2011) et leurs réserves d'énergie ne tiendront plus longtemps.

Elles auront alors une dernière mission à accomplir, puisqu'elles transportent des messages terriens (photos, sons et musiques typiques de la Terre, gravés sur deux disques) à destination d'éventuels extraterrestres. Même si avec des moteurs épuisés, ces engins peuvent encore s’éloigner potentiellement des milliards d'années, il y a peu de chances que çela arrive, puisqu'il faudra à Voyager 1, 40.000 ans avant de passer à proximité d'une étoile (Gliese 445, qu’elle frôlera à 15 milliards de km !) qui a, peut-être dans ses parages, une planète habitable.

            Ces deux sondes Voyager, dotées d’une informatique moins puissante qu'un smartphone bas de gamme, ont été, avec notamment le projet lunaire Apollo, un des projets les plus audacieux de l’humanité.

Where are they now ?

Distance de la Terre (25 avr 2024) :

Voyager 1 : 152,0 UA, soit 24,333 milliards de kilomètres

Voyager 2 : 126,6 UA, soit 20,370 milliards de kilomètres

Vitesse de déplacement dans l’espace (25 avr 2024) : (relativement au soleil)

Voyager 1 : 60,962 km/h

Voyager 2 : 55.054 km/h

La sonde Voyager 1 est un des objets les plus rapides créés par l'homme. La sonde voyage à la vitesse de près de 17 km par seconde, ce qui lui permet de parcourir 1,5 million de km par jour, soit 536 millions de km par an.

Temps nécessaire aux ondes radio pour atteindre la Terre (25 avr 2024) :

Voyager 1 :  22 h 33 mn

Voyager 2 :  18 h 52 mn

Sauvetage miraculeux pour la sonde Voyager à 24 milliards de kilomètres de la Terre

Le Figaro - Cyrille Vanlerberghe – 25 avr 2024

Les ingénieurs de la NASA ont réussi à reprogrammer l’ordinateur de la sonde lancée en 1977 et qui explore désormais l’espace interstellaire, au-delà de notre Système solaire.

La sonde Voyager 1 s’enfonce dans l’espace interstellaire à une vitesse de 60.900 km/h (vue d’artiste). NASA/JPL-Caltech

            Quand la sonde Voyager 1 a commencé à envoyer vers la Terre des signaux radio incompréhensibles, fin 2023, la plupart des experts de la NASA étaient très pessimistes sur les chances de survie de cette mission d’exploration mythique lancée le 05 sep 1977, il y a plus de 46 ans. On pouvait être fataliste et penser que, après tout, Voyager 1 avait fait son temps, qu’elle avait fonctionné plus longtemps que ce qu’on pouvait espérer, après avoir révolutionné les connaissances des planètes géantes du Système solaire et après avoir été le premier engin envoyé par l’homme à atteindre l’espace interstellaire (le 25 aoû 2012), cette zone inexplorée entre les étoiles où l’influence de notre Soleil ne se fait plus sentir.

          Il y avait au moins un motif d’espoir. Même si le message était incohérent, le Deep Space Network de la NASA, qui gère les télécommunications avec toutes les sondes américaines, continuait de recevoir de Voyager 1 un signal radio constant et de bonne qualité, ce qui n’était possible que si la parabole de 3,70 m de diamètre de la sonde restait parfaitement pointée vers la Terre. Signe que Voyager 1 était bien vivant. Les premiers ordres envoyés à la sonde pour tenter d’obtenir un diagnostic de son état de santé n’ont malheureusement pas eu d’effets. Le problème était sérieux. Les ingénieurs ont suspecté qu’il était lié à une panne de l’un des trois ordinateurs de bord, le FDS (Flight Data Subsystem, sous-système des données de vol), chargé de traiter les télémesures d’ingénierie et les données scientifiques avant de les transmettre vers la Terre. Or sans le FDS, la sonde est incapable d’indiquer à la Terre ce qui cloche à bord. Les ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory de la Nasa, en Californie, qui ont conçu la mission dans les années 1970 savaient que cet ordinateur était critique. Ils avaient d’ailleurs fait le choix d’une redondance, en installant deux FDS à bord. L’ordinateur de rechange est néanmoins totalement inutilisable depuis… 1982 !

L’enjeu pour l’équipe de vol était donc de comprendre quelle partie du FDS principal était en panne et comment la réparer, le tout à 24 milliards de kilomètres de distance ! Et s’ils suspectaient une partie de la mémoire intégrée de dysfonctionner, ils ne savaient pas laquelle. Après des mois d’essais infructueux, une commande envoyée le 01 mars 2024 a finalement redonné un peu d’espoir. Les ingénieurs avaient alors demandé au FDS de transmettre intégralement le contenu de sa mémoire, sans traitement. En raison de la distance énorme avec la sonde, même avec des ondes radio qui voyagent à la vitesse de la lumière, la communication prend du temps. Beaucoup de temps. Il faut au signal 22 heures et 37 minutes pour parcourir les 24 milliards de kilomètres, et encore le même temps pour espérer recevoir une réponse. Ce n’est que le 03 mars que l’antenne de 70 m de la NASA, à Goldstone, a reçu un retour. Le signal renvoyé n’était toujours pas décodable, mais l’un des ingénieurs du Deep Space Network a reconnu dans les 0 et les 1 reçus une partie du code source qui sert au FDS à exécuter certains ordres. Code source qui est stocké en permanence dans la mémoire de l’ordinateur.

Grâce à cela, les ingénieurs de la mission ont réussi à déterminer qu’une des puces de la mémoire, soit 3% de sa capacité totale, était hors service, probablement à cause des dégâts provoqués par un rayon cosmique un peu trop énergétique. Or cette partie contenait une partie du code source, d’où l’incapacité du FDS de renvoyer des données cohérentes. La solution trouvée a été de copier la partie du code devenue inaccessible à un autre endroit de la mémoire. Une forme de « hacking » de haut vol, mais qui a dû être réalisé sans pouvoir tester la solution au sol. Car il n’existe pas au sol de « double » fonctionnel de l’ordinateur de Voyager 1 destiné à faire des essais, comme c’est désormais la pratique pour toutes les missions modernes. Pour compliquer l’affaire, les ingénieurs qui ont conçu la sonde sont aujourd’hui tous à la retraite …

Les jours sont comptés

            Sans ordinateur sur Terre pour tester le code, et avec des manuels techniques d’origine qui n’existent que sous forme imprimée, l’équipe du JPL à Pasadena a passé beaucoup de temps à vérifier « à la main » si les changements réalisés n’allaient pas risquer de bloquer l’ordinateur. Le 18 avril, le code correctif est envoyé, et 45 heures plus tard, l’équipe de vol de la mission sait qu’elle a réussi : Voyager 1 a renvoyé pour la première fois depuis le mois de novembre 2023 des télémesures intelligibles donnant l’état de santé de tous ses composants. Le contrôle de Voyager 1 est repris et la mission scientifique va pouvoir reprendre. Cette prouesse technique montre que la sonde avait été incroyablement bien conçue il y a plus de 50 ans. À l’époque on ne connaissait à peu près rien des régions qui allaient être traversées, et les instruments ont été conçus pour être adaptables à toutes les situations, notamment grâce à des ordinateurs de bord reprogrammables, ce qui a permis aujourd’hui de sauver la mission !

Voyager 1 va maintenant relancer ses études sur les champs magnétiques, les particules, les plasmas froids et les rayons cosmiques qui règnent dans l’espace interstellaire. Mais ses jours, comme ceux de son jumeau Voyager 2, sont malheureusement comptés. Les piles au plutonium perdent de la puissance. L’électricité risque de commencer à manquer à partir de 2025 pour faire tourner les instruments.

Voyager « blue dot »

            C’est une caméra de Voyager 1 qui a capturé le fameux « point bleu pâle » de la Terre à une distance de 6,054 milliards de kilomètres (40,47 UA).

En ce 14 février 1990, sous l'insistance de l'astronome Carl Sagan, Voyager 1 se retourne et prend des photos des planètes qu'elle a déjà visitées. Sur un des clichés, on peut y voir la Terre ; à cette distance, elle n'est qu'un point bleu pâle perdu au milieu de l'espace.

Position de 22:54:21 le 14 février 1990. Les barres verticales sont espacées d'un an et indiquent la distance de la sonde au-dessus de l'écliptique.

Un point bleu pâle dans la photo granuleuse. Photographie de la Terre prise par la sonde Voyager 1. On distingue un minuscule point bleu dans une traînée jaunâtre. Le tout est perdu dans le vide. Il s'agit, encore à ce jour, de la photographie de la Terre la plus lointaine.

Le Portrait de famille (en anglais, Family Portrait, ou parfois Portrait of the Planets) est un ensemble de photos du système solaire prises par la sonde spatiale Voyager 1 ce 14 février 1990. La mosaïque réalisée par l'assemblage des 60 photos prises à cette occasion montre 6 planètes sur un fond de ciel indiquant leurs positions relatives. Ces photos sont les dernières prises avec les caméras embarquées à bord des deux vaisseaux Voyager.