Le 19 octobre 2017, les astronomes de l’enquête Pann-STARRS ont observé un objet interstellaire traversant notre système : 1I/2017 U1 ‘Oumuamua. C’était la première fois qu’un ISO était détecté, confirmant que de tels objets traversent régulièrement le système solaire, comme les astronomes l’avaient prédit des décennies auparavant. Deux ans plus tard, un deuxième objet était détecté, la comète interstellaire 2I/Borisov. Compte tenu de la nature inhabituelle d’Oumuamua (toujours source de controverse) et des informations que les ISO pourraient révéler sur des systèmes stellaires lointains, les astronomes souhaitent observer de plus près les futurs visiteurs.
Par exemple, de nombreuses propositions ont été faites pour des vaisseaux spatiaux intercepteurs qui pourraient rattraper les futurs ISO, les étudier et même effectuer un retour d’échantillons (comme le Comet Interceptor de l’ESA). Dans un nouvel article rédigé par une équipe du Southwest Research Institute (SwRI), Alan Stern et ses collègues ont étudié des concepts possibles et ont recommandé une mission de survol robotique ISO spécialement conçue à cet effet appelée Interstellar Object Explorer (IOE). Ils démontrent également comment cette mission pourrait être réalisée avec un budget modeste avec la technologie actuelle des vols spatiaux.
L’étude a été menée par Alan Stern, chercheur principal des missions New Horizons de la NASA, et ses collègues du Southwest Research Institute (SwRI) à Boulder, Colorado. Cela comprenait la scientifique principale Silvia Protopapa, le directeur Matthew Freeman, le chercheur/directeur Joel Parker et l’ingénieur système Mark Tapley. Ils ont été rejoints par Darryl Z. Seligman, associé de recherche à Cornell, et Caden Andersson, chercheur de la société Custom Microwave Inc. (CMI), basée au Colorado. Leur papier a été publié le 5 février 2024 dans la revue Sciences planétaires et spatiales.
Les objets interstellaires (ISO) abondent
Depuis que ‘Oumuamua a fait sonner notre système pour la première fois, les scientifiques ont attribué une valeur élevée aux ISO, qui représentent des matériaux éjectés d’autres systèmes solaires. En obtenant des échantillons et en les étudiant de près, nous pourrions en apprendre beaucoup sur la formation d’autres étoiles et planètes sans y envoyer de missions. Nous pourrions également en apprendre beaucoup sur le milieu interstellaire (ISM) et sur la manière dont la matière organique, et peut-être même les éléments constitutifs de la vie, sont distribués dans toute la galaxie (c’est-à-dire la théorie de la panspermie). Comme ils le déclarent dans leur article :
« Les ISO représentent les restes de la formation de systèmes planétaires autour d’autres étoiles. En tant que telle, leur étude offre de nouvelles informations essentielles sur les caractéristiques chimiques et physiques des disques dont ils sont issus. De plus, une analyse complète de leur composition, de leur géologie et de leur origine. cette activité mettra en lumière les processus à l’origine de la formation et de l’évolution des planétésimaux dans d’autres systèmes solaires.
« Les rencontres rapprochées avec de petits corps dans notre système solaire ont considérablement amélioré notre compréhension de ces objets, contextualisé nos observations au sol et fait progresser notre connaissance des modèles de formation planétésimale. De même, un survol rapproché d’un ISO promet d’être tout aussi transformateur. constitue la prochaine étape logique dans l’exploration des débuts de l’histoire de notre système solaire et des systèmes exoplanétaires. »
De plus, des études démographiques sur les ISO ont indiqué qu’environ sept d’entre eux traversent notre système solaire chaque année. Entre-temps, d’autres recherches ont montré que certains sont périodiquement capturés et sont toujours là. Avec la mise en service des instruments de nouvelle génération, les scientifiques prévoient une augmentation significative du taux de découvertes ISO à la fin des années 2020 et dans les années 2030. Cela inclut l’observatoire Vera C. Rubin actuellement en construction au Chili, qui devrait recueillir sa première lumière en janvier 2025.
Les chercheurs prévoient que l’observatoire collectera des données sur plus de 5 millions d’objets de la ceinture d’astéroïdes, 300 000 chevaux de Troie Jupiter, 100 000 objets géocroiseurs et plus de 40 000 objets de la ceinture de Kuiper. Ils estiment également qu’il détectera environ 15 objets interstellaires au cours de sa première période de 10 ans, connue sous le nom de Legacy Survey of Space and Time, bien que d’autres estimations parlent jusqu’à 70 ISO par an. Pour leur étude, Stern et ses collègues supposent que tout ISO situé à une distance d’environ deux fois la distance entre la Terre et le soleil (2 UA) serait suffisamment brillant pour être détectable par le LSST.
Objectifs et instruments
Comme l’expliquent Stern et ses collègues dans leur article, leur proposition d’IOE aurait deux objectifs scientifiques principaux. Il s’agit notamment de déterminer la « composition de l’ISO pour fournir un aperçu de son origine et de son évolution ». Comme indiqué, ces études fourniraient des informations inestimables sur les conditions initiales du système solaire hôte de l’ISO. À cet égard, l’OIE fournirait des informations similaires à celles révélées par la mission New Horizons sur l’objet Arrokoth de la ceinture de Kuiper ou à la façon dont la mission Rosetta de l’ESA a détecté les éléments constitutifs de la vie dans la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko.
Deuxièmement, l’OIE déterminerait ou limiterait « la nature, la composition et les sources de l’activité du coma ISO et déterminerait les processus responsables de cette activité ». [the] activité observée. » Généralement, l’activité de la coma résulte de la sublimation de la glace lorsque les objets s’approchent d’une étoile, ce qui libère des grains de poussière et des molécules organiques réfractaires du noyau. Comme des observations précédentes l’ont montré, l’activité des comètes dépend du chauffage solaire et des propres caractéristiques physiques de la comète. Comme Stern et ses collègues l’ont exprimé dans leur article :
« En caractérisant la composition et la distribution spatiale de la coma d’un ISO, IOE peut déterminer directement les principaux composants de son ISO cible, identifier les mécanismes à l’origine de l’activité de la coma et approfondir nos connaissances sur la composition et les processus existants dans son disque de formation protoplanétaire, où les planétésimaux comme s’ils se formaient… De plus, comparer les propriétés physiques (c’est-à-dire la composition chimique, la répartition en taille, le type de mélange) des glaces et des réfractaires dans le coma avec ceux de la surface peut donner un aperçu des processus potentiels qui auraient pu modifier les surfaces. «
Sur la base de ces objectifs scientifiques, Stern et ses collègues ont répertorié les instruments dont l’OIE aurait besoin. Ceux-ci inclus:
Profil de mission
Vient ensuite la conception du vaisseau spatial lui-même, dictée par la nature éphémère des ISO. Comme l’ont démontré Oumuamua et Borisov, la vitesse des ISO signifie qu’ils resteront probablement non détectés jusqu’à ce qu’ils soient proches du bord intérieur de la ceinture principale d’astéroïdes. De plus, leurs trajectoires hyperboliques signifient qu’ils sont susceptibles de contourner notre soleil et de devenir inaccessibles peu de temps après leur détection. Enfin, il y a le positionnement de la mission d’interception elle-même, qui affecte directement la capacité du vaisseau spatial à se déployer et à atteindre l’ISO cible.
Pour leur étude, Stern et son équipe ont sélectionné un emplacement « orbite de stockage » au point de Lagrange Terre-Lune L1, situé entre la Terre et la Lune. Cet emplacement présente plusieurs avantages, notamment le fait qu’un vaisseau spatial positionné devra générer très peu de poussée pour atteindre sa vitesse de fuite, ce qui signifie que la majeure partie de son accélération disponible (delta-v) sera dirigée vers sa trajectoire d’interception. Cette orbite de stockage signifie également moins de propulseur et moins de temps pour démarrer, et permet une assistance gravitationnelle rapide lors d’un survol proche de la Terre.
Pour leur étude, Stern et son équipe ont fixé une limite de détectabilité de 2 UA et ont simulé des ISO avec une vitesse moyenne de 32,14 km/s (~20 mps) et une approche solaire la plus proche de 10 UA ou moins. D’autres contraintes qui ont été prises en compte comprenaient les positions de la Terre et de l’ISO au moment de sa détection, les paramètres d’orbite de l’ISO, la distance maximale à laquelle une mission pouvait intercepter un ISO (alias le « rayon d’interception héliocentrique ») et la vitesse relative. entre le vaisseau spatial et l’ISO. Pour analyser efficacement ces données, l’équipe a généré un algorithme permettant d’optimiser la trajectoire d’interception et d’établir un petit sous-ensemble d’ISO pouvant éventuellement être interceptées.
Ils ont simulé tous ces calculs sur une période de 10 ans et (en utilisant les missions précédentes comme précédents) en ont dérivé plusieurs paramètres clés. Comme ils l’ont établi, la mission devrait être capable d’une accélération (delta-v) de 3,0 km/s, établir une altitude de survol minimale de 400 km (~250 mi), intercepter l’ISO à moins de 3 UA du soleil et atteindre une vitesse de survol de 100 km/s (62 mps). Une fois cette « sphère de détectabilité » établie, ils ont constaté que les chances d’une interception réussie augmentaient considérablement à des vitesses plus élevées – 3 à 3,9 km/s (1,86 à 2,4 mps) – et à des distances plus proches de 3 UA.
L’étude des ISO est un domaine de recherche astronomique en plein essor qui englobe les observatoires de nouvelle génération (comme Vera Rubin) et les missions d’interception proposées. Outre l’IOE, des concepts similaires ont été proposés depuis la détection de ‘Oumuamua et 2I/Borisov, notamment le projet Lyra, une proposition faite par l’Institut d’études interstellaires (i4is). Bien qu’une telle mission puisse prendre des années avant d’être réalisée, des études détaillées comme celle-ci contribueront à éclairer la prochaine phase de développement : la conception et les tests des concepts de mission eux-mêmes.
Stern et ses collègues reconnaissent que des recherches supplémentaires sont nécessaires avant que cela puisse se produire, mais soulignent que leur travail constitue une première étape importante. « Un travail plus détaillé sera nécessaire ensuite pour mieux préparer le concept de mission qui sera proposé à une future opportunité de mission de la NASA », écrivent-ils, « mais ce rapport fournit les objectifs de base, les exigences clés et les attributs de la mission comme point de départ. »
Plus d’information:
S. Alan Stern et al, Une étude d’une mission d’exploration d’objets interstellaires (IOE), Sciences planétaires et spatiales (2024). DOI : 10.1016/j.pss.2024.105850