La NASA tient toujours à souligner les nombreux succès de l’agence spatiale, et à juste titre – ceux qui paient pour ces projets coûteux ont le droit de savoir ce qu’ils en ont pour leur argent. Et ainsi la nouvelle a été récemment parsemée d’histoires de découverte de sursauts d’électrons au-delà du bord de notre système solaire, causés par des ondes de choc provenant de l’éjection de masse coronale (CME) de notre Soleil réfléchissant et accélérant les électrons dans les plasmas interstellaires. C’est un mécanisme nouveau et une découverte passionnante qui change beaucoup d’hypothèses sur ce qui se passe dans l’espace solitaire en dehors de l’influence du Soleil.

La découverte récente est impressionnante en elle-même, mais elle est encore plus étonnante lorsque vous approfondissez les détails de sa fabrication: par le vaisseau spatial Voyager de 43 ans, chacun maintenant à environ 17 heures-lumière de la Terre, et chacun transportant un instrument si simple et efficace qu’ils fonctionnent toujours après cette période – et qui ont presque été exclus de la charge utile scientifique de la mission.

Bon travail si tu peux l’obtenir

Don Gurnett en 1961 avec l’un des premiers satellites de l’Université de l’Iowa, Injun-1. Source: U. de l’Iowa.

L’instrument qui a fait la découverte, le sous-système d’onde plasma (PWS), peut retracer sa lignée au moins aussi loin que 1958. C’est à ce moment-là que Donald Gurnett, un étudiant de première année en génie électrique à l’Université de l’Iowa, a pris un emploi dans le laboratoire du Dr James Van Allen, qui avait récemment découvert les ceintures de rayonnement entourant la Terre qui portent désormais son nom. Van Allen et son équipe avaient utilisé un compteur Geiger spécial sur l’Explorer 1, le premier satellite piloté par les États-Unis, et les résultats étaient à la fois passionnants et inquiétants. Il était clair que la Terre était entourée de particules chargées à haute énergie, ce qui était une découverte vraiment nouvelle, mais cela signifiait également que voyager dans l’espace pourrait bien être mortel. Moritz a récemment publié une analyse plus approfondie de ce sujet.

Plus d’informations étaient nécessaires, c’est pourquoi Van Allen a demandé à Gurnett de travailler sur des instruments pour les futurs satellites afin d’explorer l’environnement proche de la Terre. L’équipe de l’Université de l’Iowa a mis au point des systèmes de télémétrie numériques innovants pour remplacer les simples liaisons de télémétrie analogiques utilisées par Explorer 1 et d’autres premiers satellites. Ils ont également conçu une série d’expériences sur les ondes radio et plasma spatiales, en partie pour explorer les phénomènes naturels à très basse fréquence (VLF) connus sous le nom de sferics, comme les sifflets et le «chœur de l’aube». Les expériences ont volé sur le satellite Injun-3 en 1962 et ont renvoyé suffisamment de données pour que Gurnett puisse construire son doctorat. thèse sur.

Les leçons tirées de ces premières expériences ont stimulé le domaine naissant de la recherche sur les radios spatiales et les ondes de plasma et ont informé la construction de meilleurs instruments, qui ont été utilisés pour de multiples missions dans les années 1960 et au début des années 1970. À ce moment-là, la NASA était en pleine phase de planification des missions Voyager, conçues pour tirer parti d’un rare alignement d’orbites qui permettrait à une sonde de visiter les confins du système solaire jusqu’alors inexplorés avec un minimum de manœuvres. Gurnett faisait partie d’un groupe de physiciens qui a proposé une expérience d’onde de plasma pour Voyager, basée principalement sur le désir d’en savoir plus sur les ceintures de rayonnement intense connues pour entourer Jupiter.

La première proposition du groupe pour une expérience d’onde plasma pour Voyager a été rejetée par la NASA. Ce fut une amère déception, mais la communauté des ondes de plasma a continué après la NASA à inclure une sorte d’instrument pour explorer l’environnement énergétique de Jupiter. En 1973, alors que l’horloge tournait pour finaliser la conception de la charge utile scientifique pour Voyager, Gurnett a fait une proposition de compromis pour une expérience d’onde plasma. L’instrument s’appuierait littéralement sur une expérience qui avait déjà été acceptée: l’expérience de radioastronomie planétaire (PRA). Il partagerait les antennes «oreilles de lapin» qui seraient construites pour le PRA, avec un analyseur de spectre compact attaché à l’enceinte contenant le récepteur PRA. Principalement sur la force de la proposition de Gurnett, plus le fait que l’expérience d’onde de plasma n’utiliserait que 1,6 watts de la puissance limitée du Voyager et n’ajouterait que 1,4 kg de masse, la NASA a accepté la proposition. Peu de temps après, le sous-système d’onde plasma, qui a été entièrement construit à l’Université de l’Iowa, était en route vers les planètes extérieures et au-delà.

Conception simple

Pack PRA / PWS et système d’antenne partagé. Source: «Une enquête sur les ondes de plasma pour la mission Voyager», FL Scarf et DA Gurnett.

Le fait que la conception du PWS soit si simple est probablement la clé de son succès, et cela a beaucoup à voir avec la raison pour laquelle il fonctionne toujours sur les deux Voyagers près de 50 ans après son lancement. Les antennes ont été conçues pour l’expérience PRA mais sont adéquates pour mesurer les champs électriques des ondes plasma (la proposition originale rejetée comprenait un magnétomètre pour permettre l’étude des composants magnétiques des ondes plasma). Chaque élément de l’antenne mesure 10 mètres de long lorsqu’il est déployé, écarté à 90 °. Pour l’expérience PRA, les antennes agissent comme une paire de monopôles, mais pour PWS, elles sont connectées comme un dipôle équilibré.

Le stockage et le déploiement d’éléments d’antenne de 10 mètres de long dans l’espace nécessitent une réflexion intelligente. L’antenne PRA / PWS utilisait essentiellement la même technique que celle employée sur IMP-6, un satellite du début des années 70 qui nécessitait des antennes jusqu’à 45 mètres de long. L’antenne Storable Tubular Extendable Members, ou STEM, a été utilisée à la fois pour IMP-6 et, sous une forme considérablement raccourcie, sur Voyager. Il se composait d’une feuille de cuivre au béryllium roulée sur une bobine, un moteur d’entraînement et une matrice de formage. La feuille de cuivre avait été formée en un tube avant d’être enroulée à plat sur la bobine, et lorsqu’elle était étendue à travers la matrice, réenclenchée dans un tube rigide.

L’antenne STEM de IMP-6, similaire au mécanisme d’antenne utilisé sur Voyager. Source: U. de l’Iowa.

L’instrument PWS était également de conception simple. Chaque antenne est connectée à un préamplificateur avec un atténuateur sélectionnable de 40 dB, pour empêcher le rayonnement Jovian intense de submerger l’électronique. La sortie de chaque préampli alimente un amplificateur différentiel, dont la sortie est proportionnelle à la différence de tension entre les deux antennes. Ce signal est passé à travers un filtre coupe-bande pour éliminer le bruit de l’alimentation à découpage 2,4 kHz du Voyager avant d’être envoyé à un analyseur de spectre à 16 canaux qui couvre 10 Hz à 56,2 kHz. Les 16 filtres de l’analyseur de spectre ont généré des signaux de sortie de 0 à 3 volts, qui sont envoyés au sous-système de données de vol de l’engin spatial pour codage.

Schéma fonctionnel PWS. Source: «Une enquête sur les ondes de plasma pour la mission Voyager», FL Scarf et DA Gurnett.

Le long noir

Après le long voyage au-delà de l’orbite de Mars et à travers la ceinture d’astéroïdes, le PWS a enfin eu l’occasion de faire ses preuves. Pendant les survols à grande vitesse de chaque géante gazeuse, calculés pour fournir une assistance gravitationnelle au prochain waypoint, le PWS a effectué un balayage complet à travers les 16 canaux toutes les quatre secondes. Les données résultantes ont été stockées sur le Data Tape Recorder, ou DTR, et mises en file d’attente pour être retransmises sur Terre.

Une fois que les jumeaux Voyager eurent terminé leur étude des planètes extérieures en 1989, la mission Interstellaire Voyager commença. La planification de l’exploration du vide noir solitaire dans lequel les deux vaisseaux spatiaux se sont maintenant précipités était en cours depuis un certain temps, et il était clair que le PWS jouerait un rôle majeur dans les découvertes à venir. Les polarimètres, spectromètres et systèmes d’imagerie complexes et gourmands en énergie, conçus pour collecter des données principalement lors de rencontres planétaires, ont été largement éteints, laissant plus de puissance disponible aux détecteurs de particules et magnétomètres plus simples, ainsi qu’au PWS, pour continuer à explorer le profondeurs de l’espace.

L’héliopause du Soleil et la position actuelle des deux Voyageurs. Source: NASA / JPL-Caltech, domaine public, via Wikimedia Commons

Les deux Voyageurs ont finalement traversé la frontière où les particules chaudes et chargées qui sortent du Soleil, ou du vent solaire, sont repoussées par les plasmas plus froids du milieu interstellaire. La transition à travers les différentes couches de plasmas raréfiés au bord du système solaire ont toutes été notées par les données PWS, tout comme le passage de chaque engin spatial à travers l’héliopause et dans l’espace interstellaire, qui a été marqué par une augmentation de 40 fois de la densité du plasma. . Le PWS a également joué un rôle clé dans la découverte récente de sursaut d’électrons.

Le sous-système d’onde plasma, inclus dans la mission Voyager à la dernière minute, a fonctionné admirablement au cours des 43 dernières années et nous a fourni une image détaillée de ce qui se trouve à la périphérie de notre système solaire. Finalement, et bientôt maintenant, le plutonium dans les générateurs thermiques de radio-isotopes des jumeaux Voyager se désintégrera au point où il n’y aura pas assez de puissance pour tout faire fonctionner, mais avec un peu de chance, le sous-système d’ondes plasma sera l’un des derniers instruments à entrer dans sa longue sommeil interstellaire.