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Juno est une mission spatiale de la NASA qui a pour objectif l’étude de la planète Jupiter. La structure de cette planète géante gazeuse et son mode de formation restent, au lancement de la mission, largement inconnus malgré plusieurs missions spatiales et les observations astronomiques faites depuis la Terre. La sonde spatiale, lancée en 2011, doit collecter sur place des données sur les couches internes de Jupiter, la composition de son atmosphère et les caractéristiques de sa magnétosphère. Ces éléments doivent permettre de reconstituer la manière dont Jupiter s’est formée et de corriger ou d’affiner le scénario de formation des planètes du Système solaire dans lequel Jupiter a, du fait de sa masse importante, joué un rôle majeur.

Juno a été lancée par une fusée Atlas V le 5 août 2011. Deux ans après son lancement, Juno a effectué un survol à basse altitude de la Terre qui, par assistance gravitationnelle, lui a fourni le surcroît de vitesse nécessaire pour atteindre Jupiter. La phase scientifique de la mission débute après la mise en orbite autour de Jupiter le 5 juillet 2016. Juno commence ses observations, effectuées à partir d’une orbite polaire très elliptique d’une période de 53 jours qui fait passer la sonde à très basse altitude au-dessus de la planète de pôle en pôle, en évitant en grande partie la ceinture de radiations très intense, susceptible de l’endommager. La phase scientifique de la mission comprend 36 survols de la planète et devait durer vingt mois. Un problème rencontré sur la propulsion principale en octobre 2016 n’a pas permis de faire passer la sonde spatiale sur l’orbite courte de 14 jours visée. Pour réaliser le nombre de survols souhaité, la mission doit être prolongée jusqu’en 2021 et devra survivre jusque-là à l’exposition prolongée au rayonnement.

Juno emporte huit instruments scientifiques dont deux spectromètres, un radiomètre, un magnétomètre et un ensemble d’instruments dédiés à l’étude des pôles de Jupiter. Juno est la première sonde spatiale à destination d’une planète externe qui utilise des panneaux solaires au lieu de générateurs thermoélectriques à radioisotope. La sonde spatiale est la deuxième mission du programme New Frontiers qui regroupe des missions d’exploration du Système solaire nécessitant un budget moyen. Son coût total est de 1,1 milliard de dollars.

Jupiter

Jupiter est la plus grosse des planètes du Système solaire, avec une masse qui représente deux fois et demi celle de l’ensemble des autres planètes, et un diamètre qui est plus de onze fois celui de la Terre (environ 138 000 kilomètres). Elle fait partie des planètes externes du Système solaire, comme Saturne, Uranus et Neptune, et est également une planète gazeuse géante. Jupiter est composée essentiellement d’hydrogène et d’héliumnote 1, comme le Soleil, avec sans doute un noyau central rocheux d’une masse équivalente à dix fois celle de la Terre. La planète tourne sur elle-même en un peu moins de 10 heures. Située à 5,2 unités astronomiques du Soleil, elle boucle son orbite autour du Soleil en 11,9 années terrestres. Jupiter dégage plus de chaleur qu’elle n’en reçoit du Soleil. Celle-ci est générée par le mécanisme de Kelvin-Helmholtz : le refroidissement de la planète entraîne une lente contraction de celle-ci, qui génère en retour un échauffement localisé dans son cœur. Cette chaleur est transportée par convection jusqu’à la surface de la planète, et est sans doute responsable des mouvements complexes et violents agitant l’atmosphère de Jupiter. Celle-ci, d’une épaisseur de 5 000 kilomètres, serait formée de 3 couches : jusqu’à 100 kilomètres de profondeur, des nuages de glace d’ammoniac, vers 120 kilomètres, des nuages d’hydrogénosulfure d’ammonium et à partir de 150 kilomètres de profondeur, des nuages d’eau et de glace. À une profondeur plus importante, l’hydrogène, soumis à une pression énorme, se transforme en hydrogène métallique qui conduit l’électricité comme un métal. Les mouvements au sein de ce liquide métallique sont sans doute à l’origine du champ magnétique intense de la planète, onze fois supérieur à celui de la Terre, et qui piège les électrons et les ions, créant une ceinture de radiations particulièrement puissantes. La magnétosphère de Jupiter, c’est-à-dire la zone de l’espace placée sous l’influence de ce champ magnétique, s’étend jusqu’à 3 millions de kilomètres dans la direction du Soleil, et jusqu’à 1 milliard de kilomètres dans la direction opposée. Le système jovien comprend 67 satellites naturels. Les quatre principaux, Io, Europe, Ganymède et Callisto, figurent parmi les plus gros satellites naturels du Système solaire, et présentent des caractéristiques remarquables : activité volcanique intense dans le cas de Io, présence supposée d’océans composés d’eau liquide en dessous de la surface pour les autres. Jupiter, du fait de sa masse, a joué un rôle très important dans le processus de formation des autres planètes du Système solaire, et donc de la Terre, en agissant notamment sur leurs orbites et en contribuant à nettoyer progressivement le Système solaire des corps célestes mineurs susceptibles de les percuter.

L’exploration spatiale de Jupiter de 1973 à 2016

La première sonde à approcher Jupiter est Pioneer 10, qui passe à une distance de 130 000 kilomètres de la planète le 3 décembre 1973, et découvre sa ceinture de radiations. Pioneer 11 survole à son tour Jupiter en 1974. Malgré leur instrumentation très simple, les deux sondes révèlent la complexité de l’atmosphère de Jupiter, fournissent des images d’une très grande qualité ainsi que les premières données sur la magnétosphère de la planète. Les sondes Voyager 1 et 2, dotées d’une instrumentation scientifique beaucoup plus importante, effectuent leur survol de la planète en 1979. Elles découvrent les anneaux ténus qui entourent Jupiter, plusieurs lunes nouvelles, ainsi que l’activité volcanique à la surface de Io. Ulysses en 1992 étudie la magnétosphère de Jupiter7. La sonde Galileo est le seul engin à avoir gravité autour de Jupiter. Elle atteint Jupiter en décembre 1995, et entame alors une mission d’exploration d’une durée de 8 ans. Malgré une antenne parabolique grand gain défectueuse affectant fortement la quantité de données pouvant être transmise, Galileo parvient à transmettre des informations sur l’ensemble du système jovien. Au début de sa mission scientifique, Galileo lâche une petite sonde atmosphérique qui pénètre l’atmosphère de Jupiter et fournit la composition élémentaire des couches supérieures de celle-ci, avant d’être écrasée par la pression. Les données recueillies remettent en cause une partie des théories admises sur le processus de formation des planètes du Système solaire. En décembre 2000, la sonde Cassini, en route pour Saturne, survole Jupiter : elle prend des images à haute résolution de la planète et, en coordination avec la sonde Galileo, étudie sa magnétosphère très étendue, ainsi que ses interactions avec le vent solaire. L’intensité de la ceinture de radiations est mesurée avec plus de précision et se révèle beaucoup plus élevée que prévu. Ces informations sont utilisées pour dimensionner les protections de la sonde Juno. Avant Juno, la sonde New Horizons est la dernière à survoler Jupiter, le 28 février 2007. La sonde observe des éclairs aux pôles, la création de nuages d’ammoniac, et étudie la circulation des particules chargées dans la queue magnétique de la planète.

Un scénario de formation mal défini

L’exploration spatiale de Jupiter débute tardivement, car l’envoi d’une sonde spatiale vers cette planète, située à cinq unités astronomiques du Soleil, nécessite le recours à une fusée puissante : il faut en effet accélérer un vaisseau à une vitesse de 16 km/s au départ de la Terre pour que celui-ci atteigne la planète, même si le recours à l’assistance gravitationnelle peut permettre de réduire cette vitesse d’injection. Aussi, l’exploration des planètes extérieures, dont fait partie Jupiter, ne débute qu’en 1973, alors que les planètes intérieures ont déjà reçu à l’époque la visite de plusieurs dizaines de sondes spatiales. Plusieurs engins spatiaux vont survoler Jupiter par la suite, mais seule Galileo effectuera un séjour prolongé, après s’être mise en orbite autour de la planète.

La sonde atmosphérique lancée par Galileo dans l’atmosphère de Jupiter a relevé des proportions d’éléments chimiques qui remettent en question les hypothèses sur la formation de la planète, et en conséquence les théories établies sur les origines et l’évolution du Système solaire :

Jupiter semble pauvre en eau alors que selon les théories en vigueur, celle-ci est considérée comme un médium indispensable pour l’incorporation des éléments lourds lors de la formation des planètes du Système solaire externe dont fait partie Jupiter. Or ces éléments abondent sur Jupiter. La réponse qui sera apportée à cette question aura des répercussions sur le scénario de formation des planètes aux caractéristiques proches de celles de la Terre ;
deux scénarios s’affrontent sur la manière dont la planète Jupiter s’est formée. Selon le premier scénario, la planète s’est formée en deux temps — accrétion de matériaux situés dans son voisinage jusqu’à former un noyau solide représentant une dizaine de masses terrestres, puis effondrement gravitationnel de la masse de gaz et de poussière entourant la planète ; le second scénario repose sur le seul effondrement gravitationnel d’un nuage de poussières et de gaz, mais nécessite la présence d’une nébuleuse originelle de plus grande taille que celle retenue dans les scénarios de formation du Système solaire. La confirmation de la présence d’un noyau solide au cœur de Jupiter et la détermination de sa composition pourraient permettre de trancher.

Objectifs:

Juno a pour objectif principal de résoudre ce dilemme, en collectant des données permettant de reconstituer l’histoire de la formation de Jupiter et son évolution. Compte tenu du rôle central de la planète géante dans la formation du Système solaire, les informations recueillies doivent permettre d’affiner les théories dans ce domaine et, plus généralement, de mieux comprendre l’origine des systèmes planétaires découverts autour d’autres étoiles. À la date de lancement de la sonde, Jupiter reste une planète mal connue, malgré les données recueillies via les observations effectuées depuis la Terre par les astronomes, et bien que plusieurs sondes spatiales aient précédé Juno (schéma 1). Juno, placée sur une orbite elliptique autour de Jupiter, doit permettre d’effectuer des observations permettant de préciser les points suivants :

son mode de formation ;
la proportion d’eau et d’oxygène présente ;
sa structure interne ;
la manière dont les différentes strates de la planète se déplacent les unes par rapport aux autres ;
la présence d’un noyau solide et sa taille ;
la manière dont le champ magnétique est généré ;
la relation existant entre les déplacements des couches atmosphériques et les mouvements internes de la planète ;
les mécanismes à l’origine des aurores polaires ;
les caractéristiques des zones polaires.

La sonde doit rechercher des informations sur plusieurs thèmes importants.

Composition de l’atmosphère

Les aurores polaires de Jupiter sont permanentes et s’étendent jusqu’aux lunes de la planète.

La composition de l’atmosphère fournit des indices sur la genèse de Jupiter et peut permettre de déterminer si les planètes ont pu changer d’orbite au cours de leur processus de formation. Juno doit sonder l’atmosphère jusqu’aux couches soumises à une pression de 100 bars en utilisant des émetteurs micro-ondes qui permettront de dresser une carte tridimensionnelle de l’abondance en ammoniac et en eau.

Structure de l’atmosphère

Juno doit étudier les variations qui se produisent dans les couches profondes de l’atmosphère de Jupiter et leurs incidences sur la météorologie, les températures, la composition, l’opacité des nuages et la dynamique atmosphérique. Grâce à la représentation tridimensionnelle fournie par l’instrumentation, les données recueillies permettront peut-être de définir si la dynamique atmosphérique s’étend jusqu’aux couches où la pression atteint deux cents bars ou si elle ne concerne que les strates superficielles jusqu’à une pression de six bars.

Champ magnétique

La sonde spatiale doit dresser une carte détaillée du champ magnétique situé à l’intérieur de la planète et dans l’espace environnant ainsi que ses variations. Ces données fourniront en retour des informations sur sa structure interne et sur les mécanismes de la dynamo qui génèrent ce champ.

Magnétosphère au niveau des pôles

Schéma 2 : la magnétosphère de Jupiter.

Juno doit dresser une carte en trois dimensions de la magnétosphère de Jupiter au niveau des pôles et des aurores, les plus puissantes du Système solaire, qui sont créées par les particules chargées, capturées par le champ magnétique. Les instruments qui équipent la sonde doivent permettre simultanément d’obtenir les caractéristiques des particules chargées et des champs magnétiques près des pôles, tout en observant les aurores dans l’ultraviolet. Ces observations doivent également améliorer notre compréhension de ces phénomènes, et de ceux engendrés par des objets dotés de champs magnétiques similaires, comme les jeunes étoiles possédant leur propre système planétaire.

Champ de gravité

En étudiant les variations du champ de gravité de Jupiter, la sonde Juno fournira des indications sur la distribution des masses à l’intérieur de la planète, l’incidence sur la planète du déplacement de son atmosphère et du mouvement de marée généré par ses lunes.

Caractéristiques de l’orbite de travail de Juno

Pour pouvoir recueillir les données scientifiques nécessaires à l’atteinte de ses objectifs, Juno doit passer au plus près de Jupiter ; en effet, ce n’est qu’à faible distance de la planète qu’elle peut utiliser ses instruments, et en particulier réaliser les mesures in situ de l’aurore (schéma 5). Mais en s’approchant autant de Jupiter, elle traverse la ceinture de radiations créée par le champ magnétique de la planète géante qui prend la forme d’un tore entourant Jupiter au niveau de l’équateur. Son intensité exceptionnelle peut entrainer un dysfonctionnement des appareils électroniques qui équipent la sonde spatiale. Pour limiter les dégâts, Juno est placée sur une orbite dont l’excentricité, l’argument du périastre ainsi que la faible altitude au périgée lui permettent de contourner en grande partie la ceinture de radiations : Juno se glisse sous celle-ci lorsque la sonde longe Jupiter, et passe à l’extérieur de la ceinture lorsqu’elle s’éloigne de Jupiter (schéma 6). Sur cette orbite polaire, dont l’inclinaison est de 90 degrés, la sonde plonge à l’approche de Jupiter, pratiquement à la verticale vers son pôle Nord, survole à très basse altitude (entre 4 200 et 5 200 kilomètres) la couche nuageuse de Jupiter jusqu’au pôle Sud, puis s’éloigne de Jupiter, initialement dans le prolongement de ce pôle, pour rejoindre son apogée situé à 39 rayons joviens de la planète (environ 2,8 millions de kilomètres), à peu près dans le plan de l’équateur. Au cours de sa mission scientifique, d’une durée d’un an, la sonde va parcourir 32 fois cette orbite. Celle-ci se déforme progressivement au fil du temps, du fait de la forme légèrement aplatie de Jupiter. La ligne des apsides s’incline progressivement, et le temps de séjour de la sonde dans la ceinture de radiations s’allonge à chaque orbite (schéma 6) : un quart de la dose totale de rayonnement ionisant que subit la sonde durant sa mission est ainsi reçue durant les quatre dernières orbites autour de Jupiter. L’électronique de la sonde est confrontée à un risque croissant de panne, et la mission est volontairement arrêtée à ce stade, avant que Juno ne devienne incontrôlable. Au cours de sa 36^e orbite, vers la mi-novembre, la propulsion de la sonde est allumée une dernière fois pour réduire sa vitesse, ce qui diminue l’altitude de son orbite au périgée lorsqu’elle survole à basse altitude Jupiter. Quelques jours plus tard Juno pénètre dans l’atmosphère de Jupiter, où elle est détruite par la pression et la température.