La version originale de cette histoire apparaît dans Magazine Quanta.
En octobre, une fusée Falcon Heavy devrait être lancée depuis Cap Canaveral en Floride, transportant la mission Europa Clipper de la NASA. La mission, d'un coût de 5 milliards de dollars, vise à déterminer si Europe, la quatrième plus grande lune de Jupiter, peut accueillir la vie. Mais comme Europe est constamment bombardée par un rayonnement intense créé par le champ magnétique de Jupiter, le vaisseau spatial Clipper ne peut pas orbiter autour de la Lune elle-même. Au lieu de cela, il glissera sur une orbite excentrique autour de Jupiter et collectera des données en se balançant à plusieurs reprises autour d’Europe – 53 fois au total – avant de se retirer du pire rayonnement. Chaque fois que le vaisseau spatial fera le tour de Jupiter, sa trajectoire sera légèrement différente, ce qui lui permettra de prendre des photos et de collecter des données depuis les pôles d'Europe jusqu'à son équateur.
Pour planifier des circuits alambiqués comme celui-ci, les planificateurs de trajectoire utilisent des modèles informatiques qui calculent méticuleusement la trajectoire, étape par étape. La planification prend en compte des centaines d'exigences de mission et s'appuie sur des décennies de recherche mathématique sur les orbites et sur la manière de les intégrer dans des tournées complexes. Les mathématiciens développent actuellement des outils qui, espèrent-ils, pourront être utilisés pour créer une compréhension plus systématique des relations entre les orbites.
« Ce dont nous disposons, ce sont les calculs précédents que nous avons effectués, qui nous guident dans les calculs actuels. Mais ce n'est pas une image complète de toutes les options dont nous disposons », a déclaré Daniel Scheeres, ingénieur aérospatial à l'Université du Colorado à Boulder.
« Je pense que c'était ma plus grande frustration quand j'étais étudiant », a déclaré Dayung Koh, ingénieur au Jet Propulsion Laboratory de la NASA. « Je sais que ces orbites sont là, mais je ne sais pas pourquoi. » Compte tenu du coût et de la complexité des missions vers les lunes de Jupiter et de Saturne, ne pas savoir pourquoi les orbites sont là où elles se trouvent est un problème. Et s’il existait une orbite complètement différente qui permettrait de faire le travail avec moins de ressources ? Comme l’a dit Koh : « Est-ce que je les ai tous trouvés ? Y en a-t-il d'autres ? Je ne peux pas le dire.
Après avoir obtenu son doctorat à l’Université de Californie du Sud en 2016, Koh s’est intéressée à la façon dont les orbites peuvent être cataloguées en familles. Les orbites joviennes éloignées d'Europe forment une telle famille ; il en va de même pour les orbites proches d’Europe. Mais d'autres familles sont moins évidentes. Par exemple, pour deux corps quelconques, comme Jupiter et Europe, il existe un point intermédiaire où les effets gravitationnels des deux corps s'équilibrent pour créer des points stables. Les vaisseaux spatiaux peuvent orbiter autour de ce point, même s'il n'y a rien au centre de l'orbite. Ces orbites forment une famille appelée orbites de Lyapunov. Ajoutez un peu d'énergie à une telle orbite en allumant un moteur de vaisseau spatial, et dans un premier temps vous resterez dans la même famille. Mais ajoutez-en suffisamment et vous passerez à une autre famille, par exemple une famille qui inclut Jupiter dans ses orbites. Certaines familles d'orbites peuvent nécessiter moins de carburant que d'autres, rester exposées au soleil à tout moment ou avoir d'autres fonctionnalités utiles.
