Voyager 1

L'objectif du programme Voyager est de collecter des données scientifiques sur les planètes externes (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) qui à l'époque sont pratiquement inexplorées : seules Pioneer 10 et 11, des sondes légères développées pour servir d'éclaireurs aux sondes Voyager mais disposant de peu d'instruments, se sont jusqu'à présent approchées de Jupiter et Saturne. L'objectif principal assigné aux deux sondes est de recueillir des données permettant de mieux connaître les deux planètes géantes, leur magnétosphère et leurs satellites naturels. Ces derniers, qui sont pour certains de la taille d'une planète, sont très mal connus. L'étude de la lune Titan, dont on sait déjà à l'époque qu'elle possède une atmosphère évoluée, est jugée aussi importante que l'exploration de Saturne, sa planète mère. Enfin, le recueil des données sur les deux autres planètes géantes du Système solaire, Uranus et Neptune, sur lesquelles très peu d'informations sont acquises du fait de leur éloignement, constitue un objectif majeur dans la mesure où l'étude de Jupiter et Saturne a pu être menée à bien[5].

Voyager 1, qui précède sa sonde jumelle, a pour objectif initial d'explorer Jupiter et Saturne. Elle doit achever sa mission d'exploration par le survol à faible distance de Titan, la principale lune de Saturne. Mais elle doit, pour y parvenir, effectuer une manœuvre qui lui fait quitter le plan de l'écliptique, excluant toute possibilité d'explorer une autre planète extérieure. Le survol et l'étude d'Uranus et Neptune sont donc confiés à Voyager 2[6]. Pour passer de Jupiter à Saturne, la sonde utilise l'assistance gravitationnelle de la première planète qui lui fournit une accélération importante tout en la plaçant dans la direction de la seconde.

Compte tenu de leur bon état de fonctionnement à l'issue de leur mission primaire en 1989, de nouveaux objectifs ont été fixés aux sondes spatiales après leur survol des planètes externes. La mission VIM (Voyager Interstellar Mission) a pour objectif l'étude des régions très mal connues situées aux limites de la zone d'influence du Soleil. Sont distingués le choc terminal et l'héliopause avant de, une fois l'héliogaine traversée, déboucher dans le milieu interstellaire dont les caractéristiques ne dépendent plus de notre étoile[7].

La sonde spatiale emporte onze instruments scientifiques représentant une masse totale de 104,8 kilogrammes répartis entre instruments de télédétection utilisés pour l'observation des planètes et des lunes et instruments de mesure in situ chargés de caractériser le milieu traversé.

Les quatre instruments de télédétection sont :

• les deux caméras couleur à objectif grand angle et standard formant l'ensemble ISS,
• l'interféromètre, spectromètre, radiomètre infrarouge IRIS qui permet de déterminer la température d'un corps, de repérer la présence de certaines substances dans une atmosphère ou à la surface,
• le photopolarimètre PPS qui mesure l'intensité et la polarisation de la lumière de huit longueurs d'onde comprises entre 235 et 750 nanomètres,
• le spectromètre ultraviolet UVS.

Les instruments d'observation du milieu traversé – rayons cosmiques, vent solaire et magnétosphères de Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune – sont :

• le détecteur de rayons cosmiques CRS,
• le détecteur de plasmas PLS,
• le détecteur de particules à faible énergie LECP,
• le magnétomètre MAG destiné à mesurer les variations du champ magnétique solaire.

Le récepteur d'ondes émises par les plasmas (PWS) et le récepteur radio astronomique de planète (PRA) sont destinés à l'écoute des signaux radio émis par le Soleil, les planètes, les magnétosphères.

Comme Voyager 2, Voyager 1, qui doit approcher dans environ 42 000 ans[9] un système planétaire voisin, emporte de manière symbolique un enregistrement de différentes manifestations de l'humanité.

Le lancement de Voyager 1 par une fusée Titan 3E.

La sonde Voyager 1 est lancée le 5 septembre 1977 par une fusée Titan 3E, trois semaines après sa sonde jumelle. Des petites manœuvres de correction de trajectoire sont effectuées avec les moteurs-fusées 150 jours après le lancement et douze jours avant l'arrivée dans le système jovien. Grâce à une trajectoire plus tendue et une vitesse plus élevée (15,517 km/s) elle atteint Jupiter quatre mois avant Voyager 2. Cette configuration permet aux scientifiques de disposer d'observations par les instruments des deux sondes de l'évolution de l'atmosphère de Jupiter sur une période continue de six mois[10].

Animation de la trajectoire de Voyager 1 de septembre 1977 au 31 décembre 1981.

Voyager 1

Soleil

Terre

Jupiter

Saturne

Voyager 1 commence ses observations de Jupiter 80 jours avant le survol le 14 décembre 1978 et les premières photographies sont prises en janvier 1979 lorsque la distance permet d'obtenir des images des bandes de nuages qui encerclent la planète géante avec une définition meilleure que celle fournie par les télescopes basés sur la Terre. La sonde spatiale commence à bénéficier d'une couverture permanente du réseau d'antennes de télécommunications de la NASA 30 jours avant son survol de Jupiter. Voyager 1 passe au plus près de la planète géante le 5 mars 1979 à une distance de 349 000 km de son centre (ou 278 000 km de sa surface). La phase principale des observations scientifiques, qui regroupe l'étude de Jupiter, des lunes galiléennes, des anneaux de Jupiter et de son champ magnétique débute le 4 mars et dure seulement deux jours : le 5 mars Voyager 1 survole à très faible distance (18 460 km) la lune Io puis Ganymède (à 112 030 km) et Europe (à 732 270 km). Le lendemain la sonde spatiale passe à 123 950 km de Callisto. La phase d'observation de Jupiter s'achève fin avril. À l'issue de ce survol la sonde spatiale a pris 19 000 photos de Jupiter et de ses cinq lunes principales. En passant à proximité de Jupiter, la vitesse de la sonde augmente à 16 km/s. Environ 5 kilogrammes d'hydrazine sont utilisés pour effectuer une ultime correction de trajectoire avant que Voyager 1 se dirige vers Saturne [11]^,[10]

La principale découverte est celle du volcanisme de la lune Io. C'est la première fois qu'un phénomène volcanique était observé sur un autre corps céleste que la Terre. Les données collectées permirent de se rendre compte que ce phénomène a une grande influence sur tout le système jovien : les matériaux éjectés par les volcans sont dispersés par le champ magnétique très puissant de Jupiter et constituent l'essentiel de la matière présente dans la magnétosphère de la planète géante. Voyager 1 réalise les premières photographies à faible distance des nuages de Jupiter qui permettent de mettre en évidence la complexité des processus à l’œuvre. La Grande Tache rouge se révèle être une tempête aux dimensions gigantesques se déplaçant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre tandis que d'autres tempêtes sont découvertes. Voyager 1 découvre et photographie les anneaux de Jupiter beaucoup plus ténus que ceux de Saturne. Au sein de ces anneaux, la sonde découvre deux petites lunes : Thébé, d'environ 100 kilomètres de diamètre, est la plus éloignée du groupe des satellites internes de Jupiter ; tandis que Métis environ deux fois plus petite et la plus interne de ce groupe. Les images d´Europe prises par les caméras de la sonde spatiale montrent un réseau de lignes à la surface de cette lune qui semblent d'origine tectonique. Leur résolution est faible car la sonde spatiale est passée assez loin mais les photographies prises par la suite par Voyager 2 permettront d'exclure cette origine et seront à l'origine de la théorie de l'océan gelé recouvrant l'ensemble de ce corps céleste[11]^,[12].

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  Approche de Jupiter (durée : 25 jours, 27 millions de kilomètres parcourus).
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  Vue de Jupiter en vraies couleurs.
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  La Grande Tache rouge de Jupiter en fausses couleurs.
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  Éruption volcanique sur Io.
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  Gros plan sur un volcan actif de Io (on distingue les coulées de lave).
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  Callisto et le cratère Valhalla.
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  Le satellite Ganymède.
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  Io et Europe devant Jupiter.

Le 10 novembre 1980, Voyager 1 pénètre au cœur du système planétaire de Saturne. Le jour suivant, la sonde effectue un survol très rapproché (6 940 km) de la lune Titan, un des corps célestes les plus intéressants du Système solaire. Les scientifiques savaient avant ce survol que Titan possède une atmosphère comportant du méthane et certains d'entre eux avaient émis l'hypothèse que des formes de vie avaient pu se développer dans cet environnement créé par l'effet de serre. Mais bien avant le rendez-vous avec la lune, les photos prises permettent de constater que Titan est entouré d'une couche de nuages continue, opaque en lumière visible qui ne permet pas de distinguer la surface. Les instruments IRIS et UVS sont utilisés pour déterminer les caractéristiques de l'atmosphère. Des traces d'éthylène et d'autres hydrocarbures sont détectées tandis qu'une température sans doute trop basse pour la vie est mesurée. Après ces observations Voyager 1 survole le pôle sud de Saturne en passant à 124 000 km de son centre le 12 novembre 1980. Les anneaux et les autres satellites dont l'observation est programmée (Dioné, Mimas et Rhéa) sont tous très proches de la planète géante puisque le survol doit durer, en tout, à peine dix heures : la plateforme orientable porteuse des principaux instruments scientifiques utilisés pour le recueil des données planétaires est programmée pour de rapides changements d'orientation à la limite de ses capacités mais parvient à exécuter les instructions pré-programmées[13].

• 
  Saturne à 5,3 millions de kilomètres.
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  Saturne en fausses couleurs.
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  L'anneau F de Saturne.
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  Le satellite Mimas avec le cratère Herschel.
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  Le satellite Dioné.
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  L'atmosphère de Titan en fausses couleurs.
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  Trajectoire de Voyager 1 et 2 à proximité de Saturne.

Les ingénieurs de la NASA ont dû faire un choix :

• Voyager 1 peut explorer Titan à 20 000 km et conserver suffisamment d'ergol pour se diriger ensuite vers Pluton[14].
• Voyager 1 fait une approche à quelque 6 000 km de Titan et l'étude de Pluton est sacrifiée. La NASA a fait ce choix en espérant percer l'épaisse couche de nuages.

Depuis 1989, la sonde spatiale a entamé une nouvelle mission baptisée VIM (Voyager Interstellar Mission) consistant à étudier les régions situées aux confins du système solaire et, après avoir franchi les limites de la zone d'influence du Soleil, d'étudier les caractéristiques du milieu interstellaire. Le 14 février 1990, les caméras ISS sont utilisées une dernière fois pour réaliser une mosaïque de 60 photos comprenant six des planètes du système solaire vues sous un angle inédit. Cette mosaïque, appelée « Portrait de famille », est notamment connue pour l'image qu'elle donne de la Terre qui apparait, compte tenu de la distance (40,11 ua), comme un point bleu pâle à peine visible, qui sera une source d'inspiration pour un livre de Carl Sagan[15]^,[16].

Le « portrait de famille » du système solaire pris par Voyager 1 à une distance de 6 milliards de kilomètres.

Position de Voyager 1 et 2 le 15 février 2009.

Au cours des années suivantes, des instruments et des équipements sont progressivement éteints pour faire face à la désintégration progressive du plutonium des RTG qui se traduit par une baisse continue annuelle de la puissance de 4,2 watts (soit 3,7 kWh en moins chaque année). Ainsi à ce jour la puissance résiduelle est de 260 W, soit 55% par rapport à la puissance initiale de 470 W. Les instruments de télédétection utilisés essentiellement pour observer planètes et lunes ont été les premiers mis hors service : les caméras ISS en 1990 et le spectromètre infrarouge IRIS en 1998[17].

Dans sa progression Voyager 1 quitte le plan de l'écliptique en prenant de l'avance sur Voyager 2 ; elle poursuit sa route vers les confins du système solaire. Le 17 avril 2010, Voyager 1 se trouve à 112,38 ua (16,857 milliards de kilomètres ou 15:38:32 heures-lumière) de la Terre. Artefact humain le plus éloigné de la Terre, elle dépasse le « choc terminal », c’est-à-dire quitte la sphère d’influence du vent solaire, pénétrant dans l’héliogaine[Note 2]. Son objectif est à présent d'atteindre l’héliopause, région située à la frontière entre la zone d'influence du Soleil et le milieu interstellaire, et d’en étudier les caractéristiques physiques. En juin 2011, la sonde envoie des données indicatives sur la nature du bouclier magnétique du Soleil, aux limites de l'héliosphère, indiquant qu'à 17,4 milliard de kilomètres celle-ci est une « sorte de bulle hétérogène de grande dimension » composée d'autres bulles d'environ une unité astronomique, soit un peu moins de 150 millions de km[18]^,[19].

Structure de la zone de l'espace influencée par le Soleil.

En décembre 2011, la NASA annonce que la sonde est désormais proche de l'héliopause. En utilisant au printemps et au cours de l'été 2011 les instruments de Voyager 1 qui fonctionnent encore, la sonde a mesuré la vitesse du vent solaire, le flux des particules énergétiques ainsi que le champ magnétique générés par notre Soleil. D'après ces mesures Voyager 1 est entré dans une zone dite de stagnation dans laquelle l'influence du Soleil est contrebalancée par celle de l'espace interstellaire : le champ magnétique du Soleil se renforce car les lignes du champ se resserrent sous la pression extérieure, le vent solaire est quasi nul tandis que les particules énergétiques émises par le Soleil se raréfient et celles issues du milieu interstellaire augmentent[20].

Fin août 2012, les instruments de Voyager 1 détectent une chute du nombre de particules énergétiques issues du vent solaire (schéma de gauche) et une élévation du nombre de particules du rayonnement cosmique (à droite) indices de la sortie de la zone d'influence magnétique du Soleil.

Après plusieurs échanges polémiques entre spécialistes, la NASA annonce finalement le 12 septembre 2013 que Voyager 1 a quitté un peu plus d'un an auparavant, autour du 25 août 2012[21]^,[22], la région de l'espace placée sous l'influence directe du Soleil, l'héliosphère, qui se définit comme le champ d'action du vent solaire créé par notre astre. Cet événement est survenu alors que la sonde spatiale se trouvait à une distance de 121 unités astronomiques (environ 18 milliards de kilomètres) du Soleil. En quittant l'héliopause, cette région frontière aux contours mal définis, la sonde spatiale pénètre dans le milieu interstellaire dont le contenu (particules, rayonnement) n'est plus influencé par le Soleil. Cette nouvelle phase de la mission de la sonde va permettre d'obtenir des informations précieuses sur cette région de l'espace dans laquelle l'homme n'avait jusqu'à présent jamais envoyé d'engin. La sonde spatiale va effectuer les premières mesures directes des conditions physiques prévalant dans le milieu interstellaire, lesquelles devraient donner des indices cruciaux sur l’origine et la nature de l’Univers à grande échelle. Voyager 1 va pouvoir mesurer en particulier les caractéristiques des rayons cosmiques bloqués en grande partie par l'héliosphère. C'est en se basant notamment sur l'augmentation de ce rayonnement mesurée par l'instrument PWS (Plasma Wave Science) recoupé par les mesures du champ magnétique que les responsables scientifiques de la mission ont abouti à la conclusion que la sonde spatiale avait quitté la zone d'influence magnétique du Soleil. Voyager 1 se trouve toutefois toujours sous l'influence gravitationnelle du Soleil[Note 3] et ne pourra s'en échapper que dans quelques dizaines de milliers d'années. À ce titre, la sonde spatiale se trouve toujours dans le Système solaire[23]^,[24].

Distance des étoiles les plus proches depuis 20 000 ans jusque dans 80 000 ans..

Voyager 1 s'éloigne du Soleil à une vitesse de 3,5 ua (environ 500 millions de kilomètres) par an, soit 16,6 km/s. Sa trajectoire fait un angle de 35° par rapport au plan de l'écliptique, au nord de celui-ci. Elle se dirige vers l'apex solaire, c'est-à-dire le groupe d'étoiles vers lequel se dirige le Système solaire lui-même. Dans quarante-deux mille ans, la sonde doit passer à 1,7 al d'une étoile mineure, AC+79 3888, située dans la constellation de la Girafe et plus connue sous le nom de Gliese 445[6]^,[Note 4] et à l'an 40272 à 1,7 année-lumière d'une étoile obscure dans la constellation Ursa Minor (la Petite Ourse). D'ici 2020, les instruments doivent être progressivement arrêtés pour faire face à l'affaiblissement de la source d'énergie électrique fournie par les trois générateurs thermoélectriques à radioisotope. Il est prévu que soit éteint en 2013 le dernier instrument de télédétection, le spectromètre ultraviolet UVS, qui effectuait des observations de différentes sources d'UV (étoiles...). En 2015, l'utilisation des gyroscopes, qui consomment 14,4 watts, ne sera plus possible. Enfin, à compter de 2020, les instruments scientifiques in situ devront soit être éteints progressivement soit fonctionner de manière alternée[17]. Voyager 1 ne sera plus capable de collecter et transmettre de données au-delà de 2025[2].

Le 1^er décembre 2017, la NASA rallume quatre propulseurs de la sonde après 37 ans d'inactivité. Cela permet d'après les calculs de la NASA de gagner deux à trois années de longévité en réorientant les antennes de transmission vers la Terre[25].

Trajectoire de Voyager 1, actuellement dans Ophiuchus.

Mis à jour le 11 mai 2021 à 10h37[26]

La vitesse de la sonde étant élevée, la Nasa propose sur Internet, la progression en direct de son déplacement[27] :

• la Nasa donne aussi une table des positions actuelles[28] et jusqu'en 2030[29]
• temps de transit d'une communication aller : 20 heures 36 minutes 36 secondes[26]
• carburant restant : 20,15 kg (environ 78 % utilisé)
• puissance du RTG : 260,1 W (environ 55 % de la puissance d'origine). Marge[Note 5] : 26 watts
• débit moyen des communications : 160 bit/s descendant, 16 bit/s montant (avec une antenne de 34 m du Deep Space Network)[30]
• débit maximal des communications : 1,4 kbit/s (avec une antenne de 70 m du DSN)

Trajectoire de la sonde spatiale Voyager 1 : vitesse et distance au Soleil (légendes en français).

En jaune et vert les instruments utilisables et utilisés sauf mention contraire. Mis à jour le 15 novembre 2018[31]^,[32].

En septembre 2013 les objectifs scientifiques de Voyager 1 portent sur l'étude du milieu interstellaire[32] :

• mesurer la force et la direction du champ magnétique ;
• déterminer les caractéristiques des particules électriquement chargées de faible énergie ;
• déterminer les caractéristiques du rayonnement cosmique ;
• mesurer les caractéristiques des ondes du plasma.

La collecte des données s'appuie sur les instruments encore opérationnels hormis le spectromètre ultraviolet.

En 2019, une étude tirant parti de la présence de la sonde Voyager 1 en dehors de l'héliopause a permis d'invalider l'hypothèse selon laquelle les trous noirs primordiaux seraient à l'origine de la matière noire de la Voie Lactée[33].

• programme Voyager
• Voyager 2
• Voyager Golden Record

NASA

• (en) NASA, Voyagers 1 & 2 press kit, août 1977 (lire en ligne)
  Dossier de presse fourni par la NASA pour le lancement des sondes Voyager

Autre

• (en) Paolo Ulivi et David M Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 1 The Golden Age 1957-1982, Chichester, Springer Praxis, 2007, 534 p. (ISBN 978-0-387-49326-8)

• (en) Les sondes Voyager sur le site du Jet Propulsion Laboratory
• (de) page sur le site de Bernd Leitenberger
• (en) Pages de la Nasa indiquant la position des sondes Voyager 1 et 2 et le statut des sondes
• modèle 3D de la sonde Voyager

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