Psyché (sonde spatiale)

La différenciation planétaire est dans le domaine des sciences planétaires le processus par lequel l'intérieur d'un corps massif (planètes, planètes naines, certains satellites comme la Lune, …) se structure en couches de différentes densités. Ce processus, qui se produit durant la formation du corps céleste, résulte de l'échauffement des matériaux provoqué par la désintégration des éléments radioactifs, l'énergie libérée par les chocs avec d'autres corps, nombreux dans au début de la formation du système solaire, et la pression exercée par la force de gravitation. La température qui dépasse les 1000 degrés entraine la fusion des matériaux. Ceux-ci devenus liquides s'enfouissent à une profondeur qui dépend de leur densité. La couche la plus profonde est constituée généralement par un noyau de fer et de nickel. Celui-ci est animé de mouvements créant une dynamo qui génère un champ moagnétique dipolaire. Avec le temps la chaleur produite par les impacts se dissipe et les isotopes radioactifs se raréfient. Le corps céleste se refroidit. Lorsque le noyau métallique est complètement solidifié le champ magnétique n'est plus généré et il ne subsiste plus qu'un champ magnétique rémanent, faible et diffus. C'est le cas de Mars, de la Lune et de Mercure.

La différenciation est un processus fondamental à l'origine des planètes terrestres dont la Terre. C'est un processus mal connu car il est impossible d'accéder au noyau des planètes (profondeur, température et pression les mettent hors de portée de nos instruments) pour étudier ses caractéristiques et déterminer son mode de formation. L'exploration directe d'un noyau pourrait améliorer grandement la compréhension qu'ont les scientifiques de la formation des planètes et de leurs couches géologiques internes.

Un modèle 3D de (16) Psyché basé sur les données des variations de luminosité.

Psyché est un astéroïde de grande taille, de forme pratiquement sphérique, situé dans la ceinture d'astéroïdes entre les planètes Mars et Jupiter. Son orbite, qu'il parcoure en cinq années terrestres, se situe à environ 3 Unités Astronomiques du Soleil soit trois fois plus loin que la Terre (son orbite faiblement elliptique oscille entre 2,5 et 3.3 U.A.). Compte tenu de son éloignement la communauté scientifique ne dispose que de photos et images radar floues de quelques pixels mais celles-ci ont permis de déduire ses dimensions approximatives (279 x 232 x 189 km). Sa masse, elle, a été calculée par astrométrie c'est-à-dire en mesurant l'influence de l'astéroïde sur l'orbite d'autres corps de taille réduite passant à proximité. Du fait de la difficulté des mesures, les estimations de la masse et donc de la densité ont beaucoup évolué au cours des décennies 2000 et 2010. Alors qu'initialement une densité d'environ 8 était avancée en faisant un astéroïde entièrement composé de métal, les estimations actuelles situent sa densité entre 3,4 et 4,1 soit une valeur déjà observée pour des astéroïdes rocheuses. La proportion de métal pourrait être comprise entre 30 et 60% en partant de l'hypothèse que la porosité ne dépasse pas 20% et que les autres composant sont des silicates faiblement chargés en fer. Psyché est le plus massif des astéroïdes de type M et c'est également l'astéroïde le plus volumineux de la famille de Thémis connu à ce jour[1]^,[2]^,[3].

L'appel à propositions de la treizième mission spatiale du programme Discovery, tourné vers des missions scientifiques à petit budget, est lancée par la NASA en février 2014. Il est dès le départ prévu que cette appel puisse aboutir à la sélection de deux missions (13^e et 14^e) si des projets répondant aux critères de qualité sont identifiés. Pour cette mission, plusieurs conditions financières ont été précisées par l'agence spatiale américaine[6]^,[7]^,[8] :

• un tiers du coût de la mission peut être pris en charge par un partenaire international sans être inclus dans le plafond du budget fixé à 450 millions de dollars ;
• la NASA apportera un bonus de 30 millions de dollars aux propositions qui retiendront le télécommunications optiques spatiales (laser) testé au niveau de l'orbite lunaire par la sonde spatiale LADEE.

La sélection se fait en trois étapes : la première est suivie d'un deuxième tour à l'issue duquel seulement deux finalistes sont retenus pour une étude plus approfondie[9]. Psyché est une des cinq propositions de mission retenues par la NASA le 30 septembre 2015 parmi lesquelles sera choisie la 13^e mission du programme Discovery. Psysche est proposé par une équipe pilotée par la responsable scientifique Linda Elkins-Tanton de l'Université d'état de l'Arizona (Tempe, Arizona). Le Jet Propulsion Laboratory de la NASA est chargé de la gestion du projet[10].

Une équipe de grande taille réunissant des scientifiques et des techniciens de l'Université d'état de l'Arizona, du Jet Propulsion Laboratory et de l'industriel Maxar Technologies (Space Systems/Loral) (fournisseur de la plateforme) détaille la proposition Phoebe et produit un document de conception (phase A d'étude de concept) d'environ 1000 pages qui est soumis à la NASA en aout 2016[11]. La mission est retenue au terme de la compétition début janvier 2017 en même temps que Lucy. La mission doit être lancée en 2022 tandis que Lucy le sera en 2021[12].

La plateforme fournie par la société Maxar arrive au JPL (fin mars 2021).

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Entre janvier 2017 et mai 2019 la conception de la mission est détaillée et les instruments qui seront embarqués sont sélectionnés (phase B d'avant projet). De mai 2019 à janvier 2021 (phase C de conception), la construction des instruments et de la plateforme sont fabriqués. En mai 2020, a lieu la Revue critique de définition du projet et des systèmes. La plateforme est achevée le même mois. A compter de janvier débute l'assemblage et les tests des instruments des différents composants de la sonde spatiale. En mai 2022 Psyché sera transporté jusqu'à son site de lancement[11]. Le cout de la mission, plafonné par l'appartenance au programme Discovery est évalué courant 2021 à 850 millions US$ (710 millions euros) dont 450 millions US$ pour la conception et la fabrication de la sonde spatiale et le solde pour les opérations dans l'espace et traitement scientifique des données. Ce montant ne comprend pas le cout de lancement (achat du lanceur et opérations de lancement)[13].

Propulseur à effet Hall SPT 140.

Psyché est la première mission d'exploration du système solaire à utiliser des propulseurs à effet Hall. Comme toutes les systèmes de propulsion spatiaux électriques la propulsion à effet Hall se caractérise par un rendement nettement plus élevé que les moteurs-fusées chimiques classiques même les plus efficients (oxygène/hydrogène). Les principales contreparties sont la faible poussée qui imposent des trajectoires adaptées et la nécessité de disposer de panneaux solaires de grande taille pour fournir l'énergie qui ne provient plus des réactions chimiques entre ergols. Avec une impulsion spécifique de 1500 secondes le moteur monté sur la sonde spatiale consomme, pour une poussée donnée, environ quatre fois moins d'ergols que les propulseurs classiques les plus performants ce qui permet de réduire fortement la masse au lancement. Plusieurs sondes spatiales d'exploration de la NASA (Dawn, Deep Space 1), du Japon (Hayabusa et Hayabusa 2) et de l'Agence spatiale européenne (Smart 1 et BepiColombo) ont déjà eu recours à la propulsion électrique mais en choisissant la technique de la propulsion ionique. Celle-ci se caractérise par une meilleure impulsion spécifique (3000 secondes) mais la poussée obtenue est plus faible et la conception de ces moteurs est plus complexe. Les propulseurs à effet Hall, qui sont régulièrement utilisés depuis une dizaine d'années comme moteur d'apogée des satellites de télécommunications en orbite géostationnaire, ont démontré leur fiabilité. La mission Psyché devra démontrer qu'ils sont également adaptés à une utilisation prolongée et aux contraintes spécifiques à l'espace interplanétaire (température, radiations). Ce type de moteur a été mis au point par les soviétiques dès les années 1960 et le constructeur russe Fakel a récupéré cet héritage : les moteurs installés à bord de la sonde spatiale sont fournis par cette entreprise[18].

La plateforme de la sonde spatiale, tout comme le satellite géostationnaire dispose de quatre moteurs à effet Hall de type SPT-140 qui sont des versions quasi identiques aux SPT-100 déployés sur plus de 30 satellites commerciaux depuis 2004. La principale différence porte sur le système de modulation de poussée qui permet de réduire celle-ci de manière beaucoup plus importante car l'énergie disponible est limitée lorsque on s'éloigne du Soleil. Bien que la sonde spatiale dispose de quatre SPT-1400, seul l'un des quatre fonctionne à un moment donné même lorsque la sonde spatiale dispose de suffisamment d'énergie pour en faire fonctionner plusieurs simultanément[19]. Lorsque le SPT 140 dispose de suffisamment d'énergie (4,5 kW), il fournit une poussée de 263 milliNewtons (l'équivalent sur Terre d'une force de ... 27 grammes). Au cours du transit de Psyche vers l'astéroïde, du fait de l'éloignement du Soleil, les panneaux solaires ne permettent plus de faire fonctionner à pleine puissance le SPT 140. Il est ainsi prévu que le moteur à effet Hall fonctionne à pleine puissance durant 8165 heures mais qu'il ne disose plus que de 2 à 3,5 kW durant 12566 heures. Une fois en orbite autour de l'astéroïde la puissance appelée, utilisée pour les changements d'orbite, n'est plus que de 1 kW. Les quatre moteurs SPT-140 sont fixés par grappe de deux sur des structures montées sur carda qui peuvent être orientées avec deux degrés de liberté[20]^,[21].

L'imageur multispectral de Psyche PMI (Psyche Multispectral Imager) est constitué de deux caméras équipées d'un objectif de focale moyenne et fixées côte à côte sur le panneau X du corps de la sonde spatiale qui pointeront vers le sol durant la phase scientifique de la mission. Chaque caméra comprend un objectif Maksoutov de longueur focale 148 mm (f 1/8). Le détecteur (CCD) et l'électronique associées sont identiques aux composants des caméras Mastcam des astromobile Curiosity et Perseverance. La roue porte-filtres est une version à l'échelle 1,5 de l'équipement des Mastcam. L'optique est une version modifiée (focale plus longue) de l'imageur MARCI de la mission Mars Climate Orbiter. Grâce notamment aux huit filtres disponibles, PMI fournit des données qui sont utilisées pour remplir les cinq objectifs principaux de la mission[23] :

• Détection des proportions de silicates et de métaux (proche infrarouge)
• Identification et caractérisation des cratères d'impact pour en déduire l'age des régions de surface
• Recherche de minéraux de type sulfide permettant de déterminer les conditions d'oxydation au moment de la formation de Pysche
• Détermination pour la première fois de la géologie d'un astéroïde métallique en utilisant les filtres panchromatiques et de couleur.
• Détermination de la topographie de la surface par production d'images en relief (grâce aux deux caméras) dans le but de fournir des indices supplémentaires portant sur la formation et l'évolution de l'astéroïde.

Le spectromètre à rayons gamma et à neutrons GRNS doit fournir les concentrations de différents chimiques avec une certaine résolution spatiale et mettre en évidence les hétérogénéités. Les élements identifiés sont le fer, le nickel, le silicium, le potassium, le soufre, le calcium, le thorium et l'uranium. L'hydrogène et le carbone pourraient être également mesurés si la conentration est assez élevée. En utilisant une technique rodée à travers de nombreuses missions d'exploration du système solaire, l'instrument détecte les rayons gamma et les neutrons produits lorsque la surface de Psyché est bombardée par des rayons cosmiques d'origine galactique (particulièrement énergétiques). L'instrument comprend deux sous-ensembles : un spectromètre gamma dérivé de l'instrument GRS embarqué à bord de MESSENGER et un spectromètre à neutrons dérivé de l'instrument NS de la sonde spatiale Lunar Prospector[24].

La sonde spatiale dispose d'un magnétomètres fluxgate comportant deux capteurs installés sur une perche de deux mètres fixée sur le panneau faisant face à la surface de l'astéroïde. Le magnétomètre est utilisé pour déterminer Si Psyché est le cœur métallique d'un corps différencié. Pour y parvenir il mesure l'intensité dans les trois dimensions du champ magnétique de Psyché entre 1 et 20000 nanoTeslas. Sa sensibilité est de 0,1 pT. L'instrument des instruments installés à bord des mission MMS ST5 et Polar[25].

Les signaux radio en bande X sont utilisés pour mesurer le champ gravitationnel de l'astéroïde avec une grande précision. Les données résultantes combinées avec la topographie établie à l'aide des imageurs, doivent fournir des informations sur la structure interne de Psysche[22].

• (en) William Hart, G. Mark Brown, Steven M. Collins, Maria De Soria-Santacruz Pich et al. (3-10 mars 2018) « Overview of the spacecraft design for the Psyche mission concept » (pdf) dans 2018 IEEE Aerospace Conference : 1-19 p., Big Sky, Montana: IEEE (DOI:10.1109/AERO.2018.8396444).
• (en) David Y. Oh et al. (8-12 octobre 2017) « Development of the Psyche Mission for NASA’s Discovery Program » (pdf) dans The 35th International Electric Propulsion Conference : 1-19 p..
• (en) L. T. Elkins-Tanton, E. Asphaug, J. F. Bell, H. Bercovici, B. Bills et al., « Observations, Meteorites, and Models: A Preflight Assessment of the Composition and Formation of (16) Psyche », Journal of Geophysical Research: Planets, vol. 125, n^o 3,‎ 21 février 2020, p. 1-25 (DOI 10.1029/2019JE006296, lire en ligne)
• (en) L.T. Elkins-Tanton et al. (21-25 mars 2016) « Asteroid (16) Psyche: The science visiting a metal world » dans 47th Lunar and Planetary Science Conference : 1-2 p..
• (en) John Steven Snyder, Dan M. Goebel, Vernon Chaplin et al. (15-20 septembre 2019) « Electric propulsion for the Psyche mission » (pdf) dans 36th International Electric Propulsion Conference : 1-14 p., Vienne, Autriche: Jet Propulsion Laboratory.
• (en) Ioannis G Mikellides et Alejandro Lopez Ortega (9 décembre 2019) « Investigations of Background Pressure Effects in the SPT-140 Hall Thruster for the Psyche Mission » (pdf) dans 66th JANNAF Propulsion Meeting : 1-42 p., Tampa Bay, Floride: Jet Propulsion Laboratory.
• (en) Steve Townes et Abhijit Biswas (6 - 9 mai 2019) « =Deep Space Optical Communications (DSOC) Status » (pdf) dans Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS) 2019 : 1-11 p., Mountain View, Californie: Jet Propulsion Laboratory.

Contexte scientifique

• Psyché
• Différenciation planétaire
• Noyau
• Astéroïdes de la ceinture principale
• Astéroïde de type M
• Planétésimal

Autres engins concernés par la mission

• Janus mini-sondes spatiales lancées avec Psyché
• Falcon Heavy Lanceur chargé de placer en orbite la sonde spatiale

Aspects techniques

• Propulsion à effet Hall
• Télécommunications optiques spatiales

Les autres demi-finalistes de la 13^e sélection du programme Discovery

• Lucy
• DAVINCI
• NEOCam
• VERITAS

• (en) Site officiel de l'Université de l'Arizona
• (en) Dépêches relatives au développement et au déroulement de la mission (site officiel).
• (en) Blog (site officiel).
• (en) Psycghe sur le site EO Portal de l'Agence spatiale européenne.
• (en) Article de la Planetary Society
• [vidéo] Hugo Lisoir, PSYCHE - Voyage au centre de la Terre - LDDE sur YouTube

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