Depuis le début de l’ère spatiale, les planètes intérieures et le système Terre-Lune ont fait l’objet de la plus grande attention. C’est logique : il est bien plus facile d’atteindre la Lune, ou même Mars, que Saturne ou Neptune. Nos sondes ont donc principalement sillonné les confins relativement douillets de la ceinture d’astéroïdes, visitant chaque monde qui s’y trouve et atterrissant parfois à la surface, y faisant quelques trous ou même y laissant quelques empreintes.
Mais il existe encore un endroit dans ce voisinage chaleureux et familier qui reste mystérieux et relativement peu visité : le Soleil. Cela semble étrange, puisque notre étoile est la source de toute l’énergie de notre monde et du système en général, et ses émissions constantes à travers le spectre électromagnétique et ses explosions physiques occasionnelles sont littéralement une question de vie ou de mort pour nous. Lorsque le Soleil éternue, nous pouvons tomber malades, et cela peut être bien pire qu’un simple rhume.
Bien que nous ayons eu une succession de satellites au cours des dernières décennies qui se sont spécialisés dans l’observation du Soleil, ce n’est pas le corps céleste le plus facile à observer. La plupart des engins spatiaux font de grands efforts pour éviter les abus du Soleil, et construire un appareil capable de résister aux coups de fouet que notre étoile peut infliger est une tâche difficile. Mais il existe un satellite qui prend tout ce que le Soleil lui inflige et le transforme en un flux quasi constant de données de haute qualité, et il le fait depuis près de 15 ans maintenant. Le Solar Dynamics Observatory, ou SDO, a également fourni des images époustouflantes du Soleil, comme cette séquence de type CGI d’une éruption solaire ratée. Des images comme celles-ci ont captivé l’imagination pendant ce cycle solaire étonnamment actif et ont souligné l’importance du SDO dans notre système d’alerte solaire précoce.
Vivre avec une star
À bien des égards, SDO trouve ses racines dans la précédente mission solaire de l’ESA, Solar and Heliospheric Observer (SOHO), qui a connu un succès phénoménal. Lancée en 1995, SOHO est stationnée sur une orbite de halo au point de Lagrange L1 et fournit des images et des données en temps quasi réel sur le soleil à l’aide d’une série de douze instruments scientifiques. Initialement prévu pour un programme scientifique de deux ans, SOHO continue de fonctionner à ce jour, surveillant le soleil et servant d’alerte précoce pour les éjections de masse coronale (CME) et d’autres phénomènes solaires.
Bien que L1le point entre la Terre et le Soleil où la gravitation des deux corps s’équilibre, offre une vue dégagée de notre étoile, mais il présente des inconvénients. Le principal d’entre eux est la distance : à 1,5 million de kilomètres, il suffit d’arriver à L1 La mission SDO est une mission beaucoup plus coûteuse que n’importe quelle orbite géocentrique. La distance rend également les communications radio beaucoup plus compliquées, nécessitant l’infrastructure spécialisée du Deep Space Network (DSN). SDO a été conçue en partie pour éviter certaines de ces lacunes, ainsi que pour tirer parti des enseignements tirés de SOHO et pour étendre certaines des capacités offertes par cette mission.
SDO est issu de Living with a Star (LWS), un programme scientifique lancé en 2001 et conçu pour explorer en détail le système Terre-Soleil. LWS a identifié le besoin d’un satellite capable d’observer le Soleil en continu dans plusieurs longueurs d’onde et de fournir des données sur son atmosphère et son champ magnétique à un rythme extrêmement élevé. Ces exigences ont dicté les spécifications de la mission SDO en termes de conception orbitale, d’ingénierie du vaisseau spatial et, curieusement, d’un système de communication dédié.
Géosynchrone, avec une touche d’originalité
Obtenir une bonne vue du Soleil depuis l’espace n’est pas forcément aussi simple qu’il y paraît. Pour SDO, la conception d’une orbite adaptée a été compliquée par les exigences strictes et quelque peu contradictoires en matière d’observations continues et de communications à haut débit constantes. Rejoindre SOHO à L1 Il était hors de question de s’installer à l’un des autres points de Lagrange en raison des distances à parcourir, ce qui laissait une orbite géocentrique comme seule alternative viable. Une orbite terrestre basse (LEO) aurait laissé le satellite dans l’ombre de la Terre pendant la moitié de chaque révolution, rendant difficile l’observation continue du Soleil.
Pour éviter ces problèmes, l’orbite de SDO a été repoussée à la distance de l’orbite terrestre géosynchrone (GEO) (35 789 km) et inclinée à 28,5 degrés par rapport à l’équateur. Cette orbite donnerait à SDO une exposition continue au Soleil, avec seulement quelques brèves périodes au cours de l’année où la Terre ou la Lune éclipserait le Soleil. Elle permet également une ligne de visée constante vers le sol, ce qui simplifie grandement le problème des communications.
La science du soleil
Le corps principal de SDO est doté d’une paire de panneaux solaires à une extrémité et d’une paire d’antennes paraboliques orientables à gain élevé à l’autre. Les exigences de conception du LWS pour le programme scientifique SDO étaient modestes et axées sur la surveillance du champ magnétique et de l’atmosphère du Soleil aussi étroitement que possible, de sorte que seuls trois instruments scientifiques ont été inclus. Les trois instruments sont montés à l’extrémité de la structure spatiale avec les panneaux solaires, pour profiter d’une vue dégagée sur le Soleil.
Parmi les trois instruments scientifiques, l’Extreme UV Variability Experiment, ou EVE, est le seul à ne pas capturer l’intégralité du disque solaire. EVE utilise plutôt une paire de spectrographes à réseaux EUV multiples, appelés MEGS-A et MEGS-B, pour mesurer le spectre UV extrême de 5 nm à 105 nm avec une résolution de 0,1 nm. MEGS-A utilise une série de fentes et de filtres pour projeter la lumière sur un seul réseau de diffraction, qui étale le spectre solaire sur un détecteur CCD pour couvrir de 5 nm à 37 nm. Le CCD MEGS-A fait également office de capteur pour une simple caméra sténopé connue sous le nom de Solar Aspect Monitor (SAM), qui mesure directement les photons X individuels dans la gamme de 0,1 nm à 7 nm. MEGS-B, quant à lui, utilise une paire de réseaux de diffraction et un CCD pour mesurer l’EUV de 35 nm à 105 nm. Ces deux instruments capturent un spectre EUV complet toutes les 10 secondes.
Pour étudier la couronne et la chromosphère du Soleil, l’Atmospheric Imaging Assembly (AIA) utilise quatre télescopes pour créer des images du disque solaire dans dix longueurs d’onde différentes, de l’EUV à 450 nm. Le capteur de 4 096 x 4 096 pixels confère à l’AIA une résolution de 0,6 seconde d’arc par pixel, et l’optique permet d’obtenir des images jusqu’à près de 1,3 rayon solaire, pour capturer les détails les plus fins de la fine atmosphère solaire. L’AIA visualise également les champs magnétiques du Soleil lorsque le plasma chaud se rassemble le long des lignes de force et les met en évidence. Comme tous les instruments de SDO, l’AIA est conçu pour le débit ; il peut collecter un ensemble complet de données toutes les 10 secondes.
Pour une observation plus approfondie de l’intérieur du Soleil, l’imageur héliosismique et magnétique (HMI) mesure le mouvement de la photosphère solaire ainsi que l’intensité et la polarité du champ magnétique. Le HMI utilise un télescope réfracteur, un stabilisateur d’image, une série de filtres réglables comprenant une paire d’interféromètres de Michelson et une paire de détecteurs d’images CCD de 4 096 x 4 096 pixels. Le HMI capture des images du disque solaire complètes, appelées Dopplergrammes, qui révèlent la direction et la vitesse de mouvement des structures de la photosphère. Le HMI est également capable de commuter un filtre de polarisation sur le trajet optique pour produire des magnétogrammes, qui utilisent la polarisation de la lumière comme indicateur de l’intensité et de la polarité du champ magnétique.
Des données continues, et en grande quantité
Comme tous les instruments SDO, le HMI a été conçu pour traiter les données, mais avec une particularité. L’héliosismologie nécessite l’accumulation continue de données sur de longues périodes d’observation. Le plan de mission initial de 5 ans prévoyait 22 exécutions distinctes du HMI sur 72 jours consécutifs, au cours desquels 95 % des données devaient être capturées. Le HMI doit donc non seulement prendre des images du Soleil toutes les quatre secondes, mais aussi les regrouper de manière fiable et complète pour les transmettre à la Terre.
Alors que la plupart des programmes spatiaux tentent de tirer parti des infrastructures de communication existantes, telles que le Deep Space Network (DSN), les exigences uniques de SDO ont rendu nécessaire un système de communication dédié. Le système de communication SDO a été conçu pour répondre aux besoins de débit et de fiabilité de la mission, littéralement de A à Z. Une station terrestre dédiée composée d’une paire d’antennes paraboliques de 18 mètres a été construite à White Sands, au Nouveau-Mexique, un site choisi spécifiquement pour réduire le risque que les orages atténuent le signal descendant en bande Ka (26,5 à 50 GHz). Les deux antennes sont situées à environ 5 km l’une de l’autre dans la largeur du faisceau de liaison descendante, probablement pour la même raison : les orages dans le désert du Nouveau-Mexique ont tendance à être irréguliers, ce qui fait qu’il est plus probable qu’au moins un site ait toujours un signal solide, quelle que soit la météo.
Pour garantir que toutes les données en liaison descendante soient capturées et envoyées aux équipes scientifiques, un système de distribution de données (DDS) complexe et hautement redondant a également été développé. Chaque antenne est dotée d’une paire redondante de récepteurs et de serveurs avec des baies de stockage RAID5, qui alimentent un centre de données miniature de douze serveurs et le stockage associé. Un système de comparaison de qualité (QCP) surveille en permanence la qualité des données en liaison descendante de chaque instrument à bord du SDO et stocke les meilleures données disponibles dans une archive temporaire avant de les envoyer à l’équipe scientifique dédiée à chaque instrument en temps quasi réel.
Les chiffres en jeu sont impressionnants. Les stations terrestres SDO fonctionnent 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, et sont presque toujours sans surveillance. SDO renvoie environ 1,3 To par jour, ce qui signifie que la station terrestre a reçu près de 7 pétaoctets d’images et de données et les a envoyées aux équipes scientifiques au cours des 14 années de son service, la quasi-totalité de ces données étant disponibles presque instantanément.
Aussi impressionnants que soient les chiffres et les techniques qui les sous-tendent, ce sont les images qui attirent toute l’attention, et c’est compréhensible. La NASA met toutes les données SDO à la disposition du public, et presque toutes les images sont époustouflantes. Il existe également de nombreuses compilations des « plus grands succès », notamment une bobine des éruptions de classe X qui ont donné lieu aux aurores boréales spectaculaires au-dessus de l’Amérique du Nord à la mi-mai.
Comme de nombreux projets de la NASA, SDO a largement dépassé sa durée de vie prévue. Il a été conçu pour couvrir le point médian du cycle solaire 24, mais il a réussi à rester en service pendant le minimum solaire de ce cycle et jusqu’au suivant, et surveille désormais de près le pic du cycle solaire 25.
