MISSION Cassini-Huygens, Y'becca et Cassini (sonde spatiale)

Cassini-Huygens est une mission d'exploration spatiale de la planète Saturne et ses lunes par une sonde spatiale développée par l'agence spatiale américaine de la NASA avec des participations importantes de l'Agence spatiale européenne (ESA) et de l'Agence spatiale italienne (ASI). Lancé en octobre 1997 l'engin s'est placé en orbite autour de Saturne en 2004. En 2005 l'atterrisseur européen Huygens après s'être détaché de la sonde mère s'est posé à la surface de la lune Titan et a pu retransmettre des informations collectées durant la descente et après son atterrissage. L'orbiteur Cassini orbite depuis autour de Saturne et poursuit l'étude scientifique de la planète géante en profitant de ses passages à faible distance de ses satellites pour collecter des données détaillées sur ceux-ci. La mission d'une durée initiale de 4 ans a été prolongée à deux reprises : de 2008 à 2010 (Equinox mission) et de 2010 à 2017 (Solstice Mission). Il est prévu que la sonde spatiale s'écrase sur la planète Saturne à l'issue de cette dernière phase.

Le principe d'une mission d'étude du système de Saturne émerge en 1982 à la fois dans les communautés scientifiques américaine et européenne. Après avoir travaillé sur des projets séparés, la NASA et l'Agence spatiale européenne lancent à la fin des années 1980 le développement d'une mission conjointe : la NASA développe l'orbiteur et l'ESA l'atterrisseur qui doit se poser sur Titan. Le projet frôle à plusieurs reprises l'annulation à la suite des difficultés budgétaires de la NASA. Des mouvements écologistes tentent d'interdire le lancement de la sonde spatiale à cause du plutonium embarqué pour alimenter en énergie la sonde spatiale. Finalement la sonde spatiale est lancée le 15 octobre 1997 par un lanceur lourd Titan IV-B.

Cassini-Huygens est une mission particulièrement ambitieuse et coûteuse (3,26 milliards $) rattachée à ce titre au programme Flagship de la NASA. Avec une masse totale de 5,6 tonnes (dont 3,1 tonnes de carburant et 350 kg pour l'atterrisseur Huygens) il s'agit du plus gros engin spatial lancé vers les planètes externes. L'orbiteur Cassini embarque 12 instruments scientifiques dont un radar tandis que Huygens en emporte six. Cassini est stabilisé selon trois axes et son énergie est fournie par trois générateurs thermoélectriques à radioisotope utilisant du plutonium.

La mission Cassini-Huygens a rempli tous ses objectifs scientifiques en fournissant une moisson de données sur Saturne, sa magnétosphère, ses anneaux, Titan et les autres lunes de la planète géante. Les caméras de l'orbiteur ont également fourni certaines des plus belles images du système solaire. Cassini a notamment permis d'obtenir les premières images détaillées de Phœbé, d'analyser en détail la structure des anneaux de Saturne, d'étudier Titan de manière approfondie et de découvrir une dizaine de nouvelles lunes de Saturne de petite taille (moins de 10 km), portant le nombre total de satellites saturniens à 62 (nombre connu au 1ermai 2014). La sonde a permis également de découvrir de nouveaux anneaux de Saturne.

Contexte[modifier | modifier le code]

Saturne en vraies couleurs avec les lunes Tethys, Dione et Rhea photographiée par Voyager 2.
Les précurseurs : Pioneer 11 et les sondes Voyager[modifier | modifier le code]
Les premiers projets américains d'exploration de Saturne et de son système (anneaux et lunes) par une sonde spatiale qui se placerait en orbite autour de la planète géante remontent aux débuts des années 1970. À cette époque Pioneer 11 est en route pour le premier survol de Saturne et les sondes du programme Voyager qui doivent suivre sa trace sont en cours de développement. En 1973, le Centre de recherche Ames de la NASA planche sur une mission vers Saturne réutilisant les technologies développées pour Pioneer Venus et la future sonde Galileo. En 1975, les autorités scientifiquesN 1 recommandent l'envoi d'une sonde consacrée à l'étude de Saturne, ses anneaux et ses lunes, notamment Titan. Les observations depuis la Terre de cette lune, la deuxième du système solaire par la taille après Ganymède, ont permis de détecter la présence d'une atmosphère dans laquelle se trouvent des traces de méthane et sans doute d'hydrocarbures complexes, qui la font ressembler à la Terre primitive. Le centre Ames commande une étude pour un engin d'exploration de Titan. Plusieurs types d'engins spatiaux sont envisagés, car on sait peu de choses des caractéristiques de l'atmosphère, et en particulier de sa densité. En 1976, le centre JPL de la NASA envisage, dans le cadre de son programme Purple Pigeons, l'envoi simultané d'un engin qui doit se poser en douceur à la surface de Titan, et d'une sonde qui doit se mettre en orbite autour de Saturne, préfiguration de la mission Cassini Huygens. Cet ensemble doit être lancé depuis la Navette spatiale américaine avec un étage Centaur chargé de lui donner l'impulsion lui permettant d'atteindre la planète Saturne. Pour la conception de l'atterrisseur, on part de l'hypothèse que l'atmosphère de Titan a une densité comprise entre 20 et 100 % de l'atmosphère terrestre, et on envisage un atterrissage à la surface de lacs d'hydrocarbures. Les résultats des survols du système de Saturne par Voyager 1 (1980) et Voyager 2 (1981) augmentent l'intérêt d'une mission dédiée à l'exploration de la planète géante. En ce qui concerne Titan, un des principaux objectifs du programme Voyager, les informations recueillies sont limitées, car la surface de la lune est entièrement masquée par une épaisse couche de nuages. Seul un radar ou un atterrisseur pourraient percer cet obstacle. Par ailleurs le survol du système saturnien par les sondes Voyager s'est fait à grande vitesse (30 km/s). Dans ces conditions, le recueil des données a été limité par la durée du survol, soit une quinzaine de jours, et a été limité par la trajectoire suivie. La NASA étudie dans ce contexte le lancement d'une sonde spatiale dérivée de Galileo, et emportant deux engins chargés d'étudier les atmosphères de Saturne et Titan1.

Genèse du projet (1980-1989)[modifier | modifier le code]

Vue d'artiste de la sonde “Saturn Orbiter/Titan Probe” (SOTP) étudiée en 1988
Au début des années 1980, Daniel Gautier, de l'Observatoire de Meudon, et Wing-Huan Ip, de l'institut Max Planck (Allemagne), suggèrent de développer un partenariat entre l'Europe et les États-Unis pour l'exploration de Saturne, en reprenant le modèle de la mission germano-américaine Galileo. Avec 27 autres chercheurs européens, les deux hommes proposent en 1982 un projet qu'ils baptisent Cassini, en réponse à un appel à candidatures de l'Agence spatiale européenne. L'Europe doit développer l'orbiteur, tandis que la NASA est chargée de la mise au point de l'atterrisseur, car elle seule dispose de l'expertise nécessaire. Des contacts sont pris avec les chercheurs américains, par l'intermédiaire de Tobias Owen de l'université de Hawaï. À la même époque, le rapport du Comité d'exploration du système solaire de la NASA (Solar System Exploration Committee), qui fixe les objectifs de la NASA pour la décennie à venir, recommande le développement de quatre missions : Venus Radar Mapper, Mars Geoscience/Climatology Orbiter, Comet RendezVous/Asteroid Flyby (CRAF) et un orbiteur chargé d'étudier Saturne. La même année, la Fondation européenne de la science et la National Academy of Sciences américaine créent ensemble, en 1982, un groupe de travail pour définir des projets communs d'exploration du système solaire. Ce groupe recommande le développement d'une mission d'exploration du système de Saturne comportant à la fois un orbiteur et un atterrisseur, reprenant ainsi la proposition Cassini. L'orbiteur doit réutiliser la plateforme très sophistiquée en cours de développement pour la sonde Galileo, qui permet l'emport d'un atterrisseur et la collecte de nombreuses informations scientifiques. Il est prévu que l'ESA développe l'atterrisseur, tandis que la NASA fournit l'orbiteur. Dans ses études, la NASA choisit toutefois, pour des raisons de coût, de développer une plateforme plus simple, baptisée Mariner Mark II, dérivée des engins du programme Mariner. Il est prévu que celle-ci soit d'abord mise en œuvre par la mission CRAF, puis par la mission lancée vers Saturne. La prise de décision est toutefois repoussée à la fin de la décennie. De 1984 à 1985 la NASA et l'ESA mènent des études techniques de faisabilité sur le projet. En 1986, le rapport décennal d'exploration du système solaire, publié par les instances académiques américaines (National Academy of Sciences), place en tête des priorités l'exploration de Saturne et de son système. L'ESA continuait seule les études sur le projet en 1986, alors qu'en 1987, l'astronaute Sally Ride défend l'idée d'un projet commun entre la NASA et l'ESA, dans un rapport rendu sur le sujet2.

L'agence spatiale européenne est la première à franchir le pas, en sélectionnant le 25 novembre 1988, dans le cadre de son programme scientifique Horizon 2000, l'atterrisseur Huygens, chargé de se poser sur Titan, parmi quatre propositions. La NASA inclut la même année, dans son budget, un projet groupant l'orbiteur Cassini et la sonde spatiale CRAFT, qui utilisent la même plateforme, mais n'obtient un feu vert financier qu'en novembre 1989, avec un budget inférieur à sa demande. Selon les premiers plans, la mission devait être lancée initialement en 1994, par la Navette spatiale américaine. Mais à la suite de l'accident de la navette Challenger, qui interdit l'emport de l'étage Centaur G, il faut se rabattre sur le lanceur militaire Titan IV. Trois fenêtres de lancement, en décembre 1995, avril 1996 et 1997N 2 sont identifiées, et celle de 1996 est retenue. Il est prévu que la sonde spatiale ait recours à l'assistance gravitationnelle de Vénus, la Terre et Jupiter, qu'elle effectue un survol à faible distance de l'astéroïde (66) Maja, et qu'elle arrive dans le système de Saturne en 2002. La charge utile est sélectionnée simultanément en septembre 1990, par les deux agences spatiales. Il est établi que les opérations de l'orbiteur Cassini soient contrôlées par le centre JPL de la NASA, tandis que Huygens doit être piloté depuis le centre de l'ESA, situé à Darmstadt. Le bus Mariner Mark II, utilisé par l'orbiteur Cassini, doit comporter un module orientable, permettant de pointer les instruments de télédétection, et un deuxième module en rotation constante, pour les instruments de mesure des champs et des particules3.

Conception et construction de la sonde spatiale (1990-1997)[modifier | modifier le code]
Une première modification des plans initiaux est apportée en 1991: le lancement est avancé en 1995. La sonde spatiale, durant son transit, doit utiliser l'assistance gravitationnelle à deux reprises (Vénus puis la Terre) et survoler l'astéroïde [302) Clarissa. Mais ces plans sont rapidement bouleversés par les coupures budgétaires que subit la NASA, qui repoussent le lancement à 1997. Quelques mois plus tard, le développement de la mission jumelle CRAFT mené conjointement par la NASA et l'agence spatiale allemande est annulé, pour permettre au projet Cassini de survivre. Mais le développement de la plateforme commune Mariner Mark II, qui ne se justifie plus dans ce nouveau contexte, ne survit pas à cette annulation. En 1992, pour faire face à l'escalade des coûts du projet, le concept des modules scientifiques orientables est abandonné, et l'antenne grand gain est rendue fixe, ce qui permet d'économiser 250 millions $, au prix d'une sérieuse dégradation des capacités de la sonde spatiale. Celle-ci ne peut plus, à la fois, recueillir des données scientifiques et les transmettre en temps réel vers la Terre. Dans la nouvelle configuration, le transfert de données, comme l'utilisation de certains instruments, nécessite la réorientation de la sonde spatiale toute entière. La vitesse de rotation de l'orbiteur étant 18 fois plus faible que celle envisagée pour les modules orientables, ces changements réduisent fortement la souplesse opérationnelle de Cassini. Pour étaler les coûts, la sonde doit être lancée avec des logiciels incomplets, dont le développement doit se poursuivre durant le voyage vers Saturne. Dans ces conditions, il n'est plus prévu d'effectuer de survol d'astéroïde durant le transit. Pour réduire encore les coûts, un accord est conclu entre la NASA et l'Agence spatiale italienne (l'ASI) pour que cette dernière prenne en charge le développement d'une partie du système de télécommunications, du radar et du spectromètre en lumière visible et infrarouge de l'orbiteur. En 1994 la NASA, de nouveau placée sous la pression budgétaire, envisage l'annulation du projet. L'administrateur de la NASA, Daniel Goldin, vient de lancer son programme de missions interplanétaires à bas coût, avec le slogan Better, Cheaper, FasterN 3 qu'il oppose à l'approche des missions complexes, coûteuses et à développement lent, dont CassiniN 4 lui semble un parfait représentant. L'ESA, qui a déjà investi beaucoup d'argent dans le projet, adresse directement une lettre, par l'intermédiaire de son directeur Jean-Marie Luton, au vice-président des États-Unis Al Gore, pour l'alerter sur les risques que comporteraient l'annulation de Cassini pour les projets scientifiques conjoints entre l'Europe et les États-Unis, en soulignant une fois de plus le manque de fiabilité du partenaire américain. Cette pression exercée par l'agence spatiale européenne contribue à repousser l'annulation cette année-là, ainsi qu'une nouvelle tentative du Congrès en 1995. D'autres mesures d'économie sont prises : l'antenne dédiée qui devait être utilisée par l'orbiteur pour relayer les émissions radio de Huygens est abandonnée, et les pièces détachées du programme Voyager fournissent la caméra grand angle. A contrario, comme la production du type de plutonium utilisée par les RTG avait été abandonnée faute d'application civile, il faut relancer à grands frais la chaîne de fabrication pour fournir le combustible nécessaire à la mission4.

Finalement, le budget total de la mission est évalué à 3,27 milliards de dollars américains. La contribution de la NASA est de 2,6 milliards, tandis que l'ESA participe à hauteur de 500 millions et l'ASI pour 160 millions. Le coût de la mission se ventile de la manière suivante5 :

1,422 milliard pour le développement de l'orbiteur Cassini et de l'atterrisseur Huygens ;
710 millions pour la mission en elle-même ;
422 millions pour le lanceur Titan IV et les opérations de lancement ;
54 millions pour les opérations de télécommunications prises en charge par le réseau d'antennes de la NASA Deep Space Network
La sonde spatiale porte le nom de deux astronomes ayant joué un rôle majeur dans l'étude du système de Saturne : Giovanni Domenico Cassini, astronome français, né dans le comté de Nice (état de Savoie), du xviie siècle, qui a découvert 4 satellites et la division de l'anneau de Saturne qui porte son nom, et Christian Huygens, astronome néerlandais du même siècle, qui a découvert Titan6.

Polémique sur les RTG[modifier | modifier le code]

Le générateur thermoélectrique à radio-isotope (RTG), la source d'énergie de Cassini
Comme la sonde évolue très loin du Soleil, il n'était pas envisageable d'utiliser des panneaux solaires pour fournir l'énergie nécessaire à la sonde7. C'est pourquoi elle embarque trois GPHS-RTG : ces modèles de générateur thermoélectrique à radioisotope produisent de l'électricité directement à partir de la chaleur produite par la désintégration naturelle du plutonium 238. Les RTG ont une durée de vie qui dépasse de beaucoup les 11 ans de la mission. La sonde Cassini-Huygens embarque 32,8 kg de plutonium (essentiellement du 238Pu, très radioactif), ce qui a provoqué une controverse avec des écologistes, des physiciens et d'anciens membres de la NASA. Concernant les risques de contamination, les estimations officielles étaient les suivantes : la probabilité d'une fuite de plutonium durant les trois premières minutes et demie était de 1 sur 1 400, d'une fuite durant la montée de la fusée de 1 sur 476, de contamination terrestre ultérieure inférieure à 1 sur un million, avec un risque de 120 morts sur 50 ans si un tel événement se produisait. De nombreux observateurs donnaient d'autres estimations. Par exemple, le physicien Michio Kaku prévoyait 200 000 morts si le plutonium contaminait une zone urbanisée, à cause de la dispersion atmosphérique, même si la trajectoire de lancement avait été prévue de manière à passer loin des grandes métropoles et si le RTG est conçu de manière à diminuer les risques de dispersion du plutonium en cas de défaillance du lanceur. De même, un risque supplémentaire provenait du second passage à proximité de la Terre le 18 août 1999. La NASA a publié des informations se voulant exhaustives et rassurantes quant aux risques liés au générateur RTG8.

RAPPORT DE
LA MISSION:
Giovanni Domenico Cassini

LATEST NEWS
NASA JPL latest news release
New Look at 2004's Martian Hole-in-One Site
A new observation from NASA's Mars Reconnaissance Orbiter
(MRO) captures the landing platform that the rover Opportunity
left behind in Eagle Crater more than 13 years and 27 miles
(or 44 kilometers) ago.

A series of bounces and tumbles after initial touchdown
plunked the airbag-cushioned lander into the crater, a mere
72 feet (22 meters) across, on Jan. 25, 2004, Universal Time
(Jan. 24, PST).

The scene includes Eagle Crater and Opportunity's nearby parachute
and backshell, from the April 10, 2017, observation by MRO's High Resolution
Imaging Science Experiment (HiRISE) camera.

This is the first view from HiRISE of the Eagle Crater scene.
Mars Reconnaissance Orbiter began orbiting Mars more than
two years after Opportunity's landing. One of the first images
from HiRISE in 2006 showed Opportunity at the rim
of a much larger crater, Victoria, nearly 4 miles
(about 6 kilometers) south of the landing site.

Eagle Crater is at the upper right of the new image.
The lander platform's job was finished once the rover rolled off it.
The parachute and backshell are at the lower left.

The smattering of small craters on a broad plain is a reminder
of the amazement expressed in 2004 about Opportunity achieving
a "hole-in-one" landing. When the lander's petals opened
and Opportunity sent home its first look at its surroundings,
it provided the first-ever close-by view of sedimentary
rocks on Mars, in Eagle's rim.

After leaving the lander and exporing Eagle Crater,
the rover recorded a look-back view before departing
the scene. Opportunity remains active
more than 13 years later.

HiRISE, the most powerful telescope ever sent to Mars,
is operated by the University of Arizona, Tucson,
and was built by Ball Aerospace & Technologies Corp. of Boulder,
Colorado. NASA's Jet Propulsion Laboratory, a division of Caltech
in Pasadena, California, manages the MRO Project and
Mars Exploration Rover Project for NASA's Science Mission Directorate,
Washington.

Lockheed Martin Space Systems, Denver,
built the orbiter and collaborates with JPL to operate it.
JPL built the rover. For additional information
about MRO visit:

http://mars.nasa.gov/mro

RAPPORT DU
CITOYEN TIGNARD YANIS
MEMBRE DE Y'BECCA
ET
DE
TAY LA CHOUETTE EFFRAIE,
JUGE DE LA RÉPUBLIQUE DE L'OLIVIER

Objectifs de la mission
Lorsque la mission Cassini-Huygens est développée, trois sondes spatiales - Pioneer 11, Voyager 1 et Voyager 2 - ont déjà étudié Saturne. Elles ont fourni beaucoup d'informations et ont permis de découvrir l'importance scientifique de Titan. Mais leur bref survol n'a fourni qu'un aperçu de la complexité du monde saturnien. Une étude en profondeur reste à faire. Aussi les objectifs fixés à la mission Cassini-Huygens sont nombreux. Ils portent à la fois sur chacun des types de corps célestes présents dans le système saturnien - Saturne, ses anneaux, Titan, les lunes glacées de Saturne et la magnétosphère de la planète géante - et sur les interactions entre ces différents composants

Titan est le sujet principal de la mission. Il doit être étudié à la fois par l'atterrisseur Huygens et l'orbiteur Cassini. Les objectifs scientifiques le concernant sont9 :

Déterminer la composition de l'atmosphère de Titan y compris les gaz nobles et les isotopes des composants les plus fréquents. Déterminer des scénarios de formation et d'évolution de Titan et de son atmosphère.
Déterminer la distribution verticale et horizontale des gaz présents à l'état de trace; rechercher les molécules organiques complexes ; déterminer les sources d'énergie utilisées par la chimie atmosphérique ; modéliser la photochimie de la stratosphère ; étudier la formation et la composition des aérosols.
Mesurer les vents et les températures globales ; étudier la physique des nuages, la circulation atmosphérique générale et l'impact des saisons sur l'atmosphère ; rechercher les décharges des éclairs
Étudier l'atmosphère supérieure de Titan, son ionisation et son rôle dans la production des particules neutres et ionisées de la magnétosphère.
Magnétosphère de Saturne[modifier | modifier le code]
Article connexe : Magnétosphère de Saturne.
Déterminer la configuration du champ magnétique de Saturne et sa relation avec la modulation de l'onde radio kilométrique de Saturne.
Déterminer les systèmes de courant, la composition, les sources et les puits des particules chargées de la magnétosphère
Étudier les interactions ondes-particules et la dynamique de la magnétosphère côté jour et de la queue magnétique de Saturne ainsi que ses interactions avec le vent solaire, les lunes et les anneaux
Étudier l'effet des interactions de l'atmosphère de Titan avec le vent solaire et le plasma de la magnétosphère
Étudier les interactions de l'atmosphère de Titan et de l'exosphère avec le plasma environnant.
Anneaux de Saturne[modifier | modifier le code]
Article connexe : Anneaux de Saturne.
Depuis la découverte des anneaux de Saturne ceux-ci constituent un des objets les plus étudiés du système solaire.

Étudier la configuration des anneaux et les processus dynamiques (gravitation, viscosité, érosion, électromagnétisme) responsables de leur structure
Cartographier la composition et la distribution par taille des matériaux composant les anneaux
Déterminer les relations entre anneaux et les lunes de Saturne
Déterminer la concentration de la poussière et des météorites au voisinage des anneaux
Étudier les interactions entre les anneaux, la magnétosphère de Saturne, l'ionosphère et l'atmosphère
Lunes de Saturne[modifier | modifier le code]
déterminer les caractéristiques générales des lunes et leur histoire géologique ;
déterminer les mécanismes internes et externes à l'origine des modifications de la croûte et de la surface
Étudier la composition et la distribution des matériaux en surface en particulier des matériaux sombres, riches en matériau organique et les volatiles condensés ayant une température de fusion peu élevée
Mesurer les caractéristiques ayant un rôle dans la structure interne et la composition des lunes
Étudier les interactions avec la magnétosphère, les anneaux et les injections de gaz dans la magnétosphère
Saturne[modifier | modifier le code]
Mesurer les températures, les propriétés des nuages et la composition de l'atmosphère de Saturne
Réaliser des mesures globales des vents ; étudier les propriétés synoptiques des nuages et les processus en jeu
Déterminer la structure interne et la vitesse de rotation de l'atmosphère profonde
Étudier les variations diurnes et le contrôle magnétique de l'ionosphère de Saturne
Obtenir les contraintes découlant des observations (composition des gaz, ratios des isotopes, flux thermique…) qui jouent un rôle dans les scénarios de formation et d'évolution de Saturne
Étudier l'origine et la structure des éclairs de Saturne.
Caractéristiques techniques de l'orbiteur Cassini
Cassini en cours d'assemblage.
Article détaillé : Cassini (sonde spatiale).
Pesant 5 712 kg12 au lancement, soit le double de la sonde Galileo qui tourna autour de Jupiter (1995-2003), elle est composée de deux modules :

L'orbiteur Cassini (sonde spatiale) chargé de l'étude du système planétaire de Saturne et équipé au total de 12 instruments scientifiques ;
l'atterrisseur Huygens chargé d'une in situ de Titan, le plus gros satellite de Saturne et qui doit à cette fin se poser sur son sol.
L'orbiteur Cassini13 est développé par le centre spatial JPL de la NASA avec une participation de l'ESA pour le module PSE (Probe Support Equipment) servant de relais avec Huygens et de l'ASI pour l'antenne de communication à grand gain. La sonde spatiale mesure plus de 6,7 m de haut pour 4 m de large. La sonde spatiale est constituée d'un empilement de 4 compartiments. De haut en bas on trouve l'antenne grand gain de 4 mètres de diamètre, le module d'équipement supérieur, le module de propulsion et le module d'équipement inférieur. À cet ensemble sont attachés sur les côtés une palette regroupant les instruments scientifiques de télédétection (caméras…), une palette regroupant les instruments scientifiques dédiés à l'étude des champs et des particules et l'atterrisseur Huygens. Une bôme de 11 mètres supportant les capteurs du magnétomètre et trois antennes permettant l'étude du plasma sont déployées en orbite perpendiculairement à l'axe de la sonde spatiale14.

La masse à vide de Cassini est de 2 125 kg à laquelle s'ajoutent 3 627 kg de carburant ainsi que la sonde Huygens (350 kg). Le carburant est utilisé pour les corrections de trajectoire durant le transit vers Saturne et les modifications d'orbite durant sa mission dans le système saturnien afin d'optimiser les survols au-dessus des lunes. La majorité de la masse de carburant est utilisée pour insérer la sonde spatiale en orbite autour de Saturne15. L'orbiteur porte le nom de l'astronome Giovanni Domenico Cassini, qui a étudié les anneaux de Saturne en détail et découvert certaines des principales lunes de la planète géante (Japet, Rhéa, Téthys et Dioné).

Propulsion
La propulsion principale est assurée par deux moteurs-fusées à ergols liquides ayant une poussée fixe et non orientable d'environ 445 newtons. Ces propulseurs réallumables brûlent un mélange d'hydrazine et de peroxyde d'azote qui sont mis sous pression avec de l'hélium16.

Système de contrôle d'attitude
La sonde est stabilisée 3 axes durant toutes les phases de la mission. Le système de contrôle d'attitude est chargé de maintenir l'orientation de la sonde spatiale. Pratiquement tous les équipements de l'orbiteur étant fixes, il revient à ce système d'assurer le pointage de ceux-ci vers leurs cibles. Ceci inclut notamment le pointage des antennes vers la Terre pour les sessions de télécommunications, l'utilisation de l'antenne grand gain en tant qu'émetteur/récepteur radar ou pour les séances de radio-science, l'orientation de l'axe optique des instruments de télédétection (caméras…) vers l'objet visé et le maintien de l'orientation lorsque les propulseurs principaux sont mis en marche. Le contrôle de l'orientation est effectué principalement à l'aide de viseurs d'étoiles, capteurs de Soleil et centrale à inertie qui sont tous présents à deux exemplaires pour pouvoir faire face à une panne. Les modifications d'orientation sont effectuées à l'aide de quatre roues de réaction dont une de secours et quatre groupes de quatre petits propulseurs mono-ergols brûlant de l'hydrazine17.

Énergie
Trois générateurs thermoélectriques à radioisotope fournissent l'énergie électrique en convertissant la chaleur produite par la radioactivité du plutonium en électricité. Ce système rend le satellite indépendant de l'éclairage solaire qui est cent fois plus faible au niveau de l'orbite de Saturne qu'en orbite terrestre. Les trois RTG fournissent ensemble 885 watts en début de mission et 630 watts à l'issue de la mission nominale en 2008. L'électricité est distribuée sous la forme d'un courant continu à 30 volts18.

Télécommunications
Pour les télécommunications avec la Terre, Cassini utilise trois antennes différentes : 1 antenne à grand gain fixe de 4 mètres de diamètre et 2 antennes à faible gain. Le signal met entre 68 à 84 minutes à parvenir jusqu'à la Terre en fonction de la position de Saturne sur son orbite. Les télécommunications se font en bande X (8,4 GHz en émission, 7,2 GHz en réception) avec une puissance d'émission de 20 watts19.

Instrumentation scientifique
Le schéma suivant montre l'emplacement des différents instruments scientifiques de l'orbiteur Cassini à l'exception du détecteur de poussière cosmique et du boîtier de radio science qui se trouvent sur la face non visible de la sonde spatiale.

L'orbiteur Cassini embarque dix instruments. Quatre d'entre eux sont des instruments de télédétection, c'est-à-dire d'observation à distance. Tous ceux-ci sont fixés sur une platine non mobile et leurs axes optiques sont co-alignés. Pour viser un point donné, tout le satellite doit être réorienté20. Ces instruments sont :

ISS (Imaging Science Subsystem) est une caméra fonctionnant dans le visible, le proche ultraviolet et le proche infrarouge21.
UVIS (Ultraviolet Imaging Spectrograph) est un spectrographe permettant l'analyse en ultraviolet des atmosphères et des anneaux afin d'en étudier les structures, la chimie et la composition22.
VIMS (Visible and Infrared Mapping Spectrometer) est un spectromètre chargé d'identifier les compositions chimiques des surfaces, atmosphères et anneaux de Saturne et de ses lunes par la mesure des couleurs émises ou réfléchies en lumière visible et dans le proche-infrarouge23.
CIRS (Composite Infrared Spectrometer) est un spectromètre infrarouge qui mesure le rayonnement infrarouge des surfaces, des atmosphères de Saturne et de ses satellites naturels ainsi que de ses anneaux pour étudier leur température et leur composition24.
Six autres instruments sont consacrés à l'étude des champs et particules et effectuent leurs mesures in situ c'est-à-dire dans l'environnement entourant leurs capteurs. Ils sont montés sur différents emplacements. CAPS, INMS et deux des capteurs de MIMI sont placés sur la même platine fixe. L'instrument MIMI est monté sur la même platine que les instruments de télédétection et son axe de visée est aligné sur celui-de ces instruments25. Ces instruments sont :

CAPS (Cassini Plasma Spectrometer) est un spectromètre qui permet l'étude du plasma (gaz fortement ionisé) à proximité ou à l'intérieur du champ magnétique de Saturne26.
CDA (Cosmic Dust Analyser) est un instrument d'analyse de la glace et des grains de poussière situés dans le système de Saturne à proximité de la sonde spatiale27.
INMS (Ion and Neutral Mass Spectrometer) est un spectromètre de masse qui permet l'analyse des particules neutres et chargées à proximité de Titan, Saturne et de ses lunes pour mieux connaître l'étendue de leurs atmosphères et ionosphères28.
MAG (Dual-Technique Magnetometer) est un magnétomètre utilisé pour étudier le champ magnétique de Saturne et ses interactions avec le vent solaire, les anneaux et les lunes de Saturne29.
RPWS (Radio and Plasma Wave Spectrometer) analyse les ondes plasma générées par le vent solaire, les émissions naturelles d'ondes radio et la poussière30.
MIMI (Magnetospheric Imaging Instrument) est un instrument chargé de cartographier la magnétosphère de Saturne et de mesurer les interactions entre la magnétosphère et le vent solaire31
Cassini embarque par ailleurs :

Un radar pour cartographier la surface de Titan qui a la capacité de percer le voile nuageux. Il est aussi utilisé pour mesurer les hauteurs des éléments de la surface32.
RS (Radio Science Subsystem) est une expérience de radioscience qui utilise l'oscillateur ultrastable de l'émetteur radio pour analyser l'atmosphère de Titan et de Saturne, la structure et la composition des anneaux et pour mesurer le champ de gravité de Saturne et de ses lunes par analyse de l'effet Doppler33.

RAPPORT DE
LA N.A.S.A
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Voir le profil de l'utilisateur http://www.atelier-yannistignard.com

ESA’s Geos-1 satellite: The way we were

Title Geos-1 being tested at ESTEC
Released 26/04/2017 8:30 am
Copyright ESA
Description
A vintage view of ESA’s Geos-1 satellite being prepared for flight
at ESA’s technical centre in the Netherlands, which was
launched 40 years ago this month.

This first ‘Geostationary Scientific Satellite’ is seen being
prepared for a boom deployment test inside the Dynamic
Test Chamber of the ESTEC technical centre in Noordwijk,
the Netherlands. Note the solar cells mounted
on the spin-stabilised satellite body.

Geos-1 was designed for geostationary orbit to study
the particles, fields and plasmas of Earth's magnetosphere
using seven instruments provided by ten European laboratories.
Because of its high orbit and the sophistication
of its payload, Geos-1 was selected as the reference mission
for the global 'International Magnetospheric Study'.

Unfortunately, Geos-1 was left in a low transfer orbit following
launch because of a problem with its US Delta launcher,
reducing its ability to gather observations.

As a result, the mission’s qualification model was subsequently launched
as Geos-2 on 14 July 1978 with an identical payload and successfully
reached the planned orbit. In spite of its orbit, Geos-1 made
a significant contribution to IMS, and its mission formally ended
on 23 June 1978.

To learn more about past missions and space anniversaries,
follow ESA’s European Space History Facebook and Twitter accounts.

Id 376627

RAPPORT DE
ESA’s Geos-1 satellite: The way we were

Flora - Firth of Fifth (Genesis Cover)
https://www.youtube.com/watch?v=I3-BevscSSM

A Moment You Won't Want to Miss: Cassini's Daring Mission Finale Between the Rings and Saturn
After almost 20 years in space, NASA's Cassini spacecraft has begun the final chapter of its remarkable story of exploration: its Grand Finale. This last phase of the mission will deliver unprecedented views of Saturn and its rings when, on April 26, the spacecraft dives between the planet and its rings – a feat that has never been attempted. Cassini will complete 22 of these ring-gap orbits before making a grand finale dive into Saturn’s atmosphere to protect the environments of Saturn’s moons, including the potentially habitable Enceladus.
Find out how the mission team will accomplish this exciting endeavor, which will provide unprecedented opportunities for science at Saturn. It's all in the latest Teachable Moment from NASA/JPL Education – plus related lessons, activities and resources for bringing all the wonder of Cassini's Grand Finale into the classroom.
› Learn more on the Teachable Moments blog
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Download a poster of Saturn and the Cassini mission timeline.
Lesson: Flying By Saturn's Moon Enceladus – Teach students about Saturn's scientifically intriguing moon Enceladus and investigate its fascinating features, including its ocean and plumes, using math.
Learn about one way we study Titan in this educational video.
Take afterschool youth on a journey of science and engineering to Saturn through literacy and creative arts with this Jewel of the Solar System afterschool program unit for grades 4-5 – Download ZIP (28.6 MB).
Have older students use mathematics to calculate fuel reserves and the date of Cassini's Grand Finale dive into Saturn.
Explore our entire collection of Cassini lessons for educators
Cassini activities for students...

A Moment You Won't Want to Miss: Cassini's Daring Mission Finale Between the Rings and Saturn
By Ota Lutz

n the News

After almost 20 years in space, NASA's Cassini spacecraft has begun the final chapter of its remarkable story of exploration: its Grand Finale. This last phase of the mission will deliver unprecedented views of Saturn and its rings when, on April 26, the spacecraft dives between the planet and its rings – a feat that has never been attempted. Cassini will complete 22 of these ring-gap orbits before making a grand finale dive into Saturn’s atmosphere to protect the environments of Saturn’s moons, including the potentially habitable Enceladus.

Animation of Cassini Pi in the Sky 4 math problem

How It Works

On April 22, Cassini flew within 608 miles (979 km) of Saturn’s giant moon Titan, using the moon’s gravity to place the spacecraft on its path for the ring-gap orbits. Without this gravity assist from Titan, the daring, science-rich mission ending would not be possible.

Cassini is almost out of the propellant that fuels its main engine, which is used to make large course adjustments. A course adjustment requires energy. Because the spacecraft does not have enough rocket fuel on board, Cassini engineers have used an external energy source to set the spacecraft on its new trajectory: the gravity of Saturn’s moon Titan. (The engineers have often used Titan to make major shifts in Cassini’s flight plan.)

Titan is a massive moon and thus has a significant amount of gravity. As Cassini comes near Titan, the spacecraft is affected by this gravity – and can use it to its advantage. Often referred to as a “slingshot maneuver,” a gravity assist is a powerful tool, which uses the gravity of another body to speed up, slow down or otherwise alter the orbital path of a spacecraft.

When Cassini passed close by Titan on April 22, the moon’s gravity pulled strongly on the spacecraft. The flyby gave Cassini a change in velocity of about 1,800 mph (800 meters per second) that sent the spacecraft into its first of the ring-gap orbits on April 23. On April 26 at 5 a.m. EDT (2 a.m. PDT), Cassini will attempt its first daring plunge between the planet and its mighty rings.

As Kepler’s third law indicates, Cassini will be traveling faster than ever before during these final smaller orbits. Cassini's orbit will continue to cross the orbit of Titan during these ring-gap orbits. And every couple of orbits, Titan will passing near enough to give the spacecraft a nudge. One last nudge will occur on September 11, placing the spacecraft on its final, half-orbit, impact trajectory toward Saturn.

Because a few hardy microbes from Earth might have survived onboard Cassini all these years, NASA has chosen to safely dispose of the spacecraft in the atmosphere of Saturn to avoid the possibility of Cassini someday colliding with and contaminating moons such as Enceladus and Titan that may hold the potential for life. Cassini will continue to send back science measurements as long as it is able to transmit during its final dive into Saturn.

Why It’s Important

Flying closer than ever before to Saturn and its rings provides an unprecedented opportunity for science. During these orbits, Cassini’s cameras will take ultra-close images of the planet’s clouds and the mysterious north polar hexagon, helping us to learn more about Saturn’s atmosphere and turbulent storms.

Cassini spacecraft diagram
Cassini spacecraft diagram.
+ Enlarge image

The cameras will take high-resolution images of the rings and, to improve our knowledge of how much material is in the rings, Cassini will also conduct gravitational measurements. Cassini's particle detectors will sample icy ring particles being funneled into the atmosphere by Saturn's magnetic field. Data and images from these observations will bring us closer to understanding the origins of Saturn’s massive ring system.

Cassini will also make detailed maps of Saturn's gravity and magnetic fields, revealing how the planet is structured internally and possibly helping to solve the great mystery of just how fast Saturn is rotating.

On its first pass through the unexplored 1,500-mile-wide (2,400-kilometer) space between the rings and the planet, Cassini will be oriented so that its high-gain antenna faces forward, shielding the delicate scientific instruments from potential impacts by ring particles. Depending on what we learn during this first orbit about the number of particles in the gap between the rings and the planet, the spacecraft may be oriented differently for future orbits, allowing for even more science data to be collected.

The Cassini Grand Finale is our last chance to gather important data about Saturn and its rings – until another spacecraft journeys to this distant planet. Over the past nearly 13 years of exploration at Saturn, Cassini has returned an abundance of data about the planet, its unique moons and rings. Cassini’s final moments will be spent doing what it does best, returning data on never-before-observed regions of the Saturnian system.

Explore the many discoveries made by Cassini and the story of the mission on the Cassini website.

Teach It

Use these standards-aligned lessons to get your students excited about the science we have learned and have yet to learn about the Saturnian system.

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Cassini Mission Website
Cassini Grand Finale Toolkit
Interactive Cassini Mission Timeline
Video: NASA VR: Cassini's Grand Finale (360 Video)
Slideshow for Students (includes a free poster!): 8 Real World Space Facts About Saturn's Moon Enceladus
Slideshow for Students (includes a free poster!): Ocean Worlds
TAGS: Saturn, Titan, Cassini, Grand Finale, Teachable Moments, Kepler's Laws, K-12, Lessons,

RAPPORT DE
Ota Lutz

ABOUT THE AUTHOR
Ota Lutz, STEM Elementary and Secondary Education Specialist, NASA/JPL Edu

Ota Lutz is a STEM elementary and secondary education specialist at NASA’s Jet Propulsion Laboratory. When she’s not writing new lessons or teaching, she’s probably cooking something delicious, volunteering in the community, or dreaming about where she will travel next.

L'AVENTURE DE Huygens

Cassini sert également au transport de Huygens34, un module d'exploration de 318 kilogrammes destiné à pénétrer dans l'atmosphère de Titan, la plus grosse lune de Saturne et, après Ganymède, la deuxième plus grosse lune du système solaire, dont la composition comprend des hydrocarbures et autres molécules à l'origine de la vie. Le module, réalisé par l'ESA, a été baptisé d'après l'astronome Christian Huygens, qui a découvert le satellite en 1655.

Huygens est composé de deux sous-ensembles : le module de rentrée atmosphérique (Entry Assembly ou ENA) et le module de descente (Descent Module ou DM). Le premier assure le transport du second depuis la séparation de Cassini jusqu'à Titan, sert de protection thermique durant la rentrée dans l'atmosphère de Titan, et ralentit la sonde à l'aide de ses parachutes avant de libérer le module de descente. Ce dernier contient toute l'instrumentation scientifique ainsi que ses propres parachutes pour la phase finale de la descente et le système de contrôle d'orientation de la sonde.


Instruments et équipements à l'intérieur de l'atterrisseur.
L'instrumentation de Huygens35 située dans le module de descente comprend les instruments suivants :

HASI (Huygens Atmospheric Structure Instrument) est un ensemble d’instruments chargé d'étudier les propriétés physiques et électriques de l’atmosphère de Titan et la détection d’éventuels éclairs d’orage36.
DWE (Doppler Wind Experiment) est un système de mesure de l’effet Doppler pour l’étude des vents dans l’atmosphère de Titan et la reconstitution de la trajectoire suivie par Huygens durant sa descente37.
DISR (Descent Imager/Spectral Radiometer) est un imageur - spectromètre pour la mesure de la composition chimique atmosphérique, l’étude de la structure des nuages et la réalisation de photographies de la surface38.
ACP (Aerosol Collector and Pyrolyser) est un système de pyrolyse qui doit permettre l’étude de la composition chimique des aérosols de l’atmosphère de Titan39.
GCMS (Gas Chromatograph and Mass Spectrometer) est composé d' un chromatographe et d’un spectromètre pour l’analyse des constituants atmosphériques, leur répartition en fonction de l’altitude et leur mode de formation40.
SSP (Surface Science Package) est un ensemble de senseurs pour la caractérisation de l’état et de la composition du site d’atterrissage de Huygens41.
Déroulement de la mission
Article détaillé : Chronologie de la mission Cassini-Huygens.
Le lancement

Lancement de la sonde Cassini-Huygens le 15 octobre 1997 à Cap Canaveral par la fusée Titan-IVB/Centaur.
La fusée Titan-IVB/Centaur choisie pour lancer la sonde spatiale est le plus puissant des lanceurs existants. La version Titan IV B n'a jusque là volé qu'une seule fois en avril 1997 pour placer en orbite un satellite militaire américain. L'utilisation d'un étage Centaur sur cette version est complètement inédite. D'un coût particulièrement élevé (422 millions $ à l'époque) cette fusée ne sera plus jamais utilisée pour lancer une sonde spatiale. Huygens et Cassini arrivent à la base de lancement de Cap Canaveral en avril et mai 1997 pour un dernier test avant d'être assemblés avec leur lanceur42.

Il était impératif de lancer Cassini-Huygens durant la fenêtre de tir allant du 6 octobre au 15 novembre 1997 car c'était la dernière à permettre à la sonde spatiale de bénéficier d'une assistance gravitationnelle de Jupiter. Les solutions de tir suivantes faisaient arriver la sonde spatiale dans le système de Saturne en 2009 au lieu de 2004. Un mois avant l'ouverture de la fenêtre, une installation de climatisation défectueuse endommage la protection thermique de la sonde Huygens. Il faut démonter la sonde spatiale déjà installée sur son lanceur en place sur sa rampe de lancement, remplacer le revêtement endommagé et replacer la sonde sous la coiffe. Toutes ces tâches ne peuvent être achevées que le 13 octobre. Après un dernier incident dû à un problème d'ordinateur qui repousse de deux jours le lancement, la fusée s'élance depuis le pas de tir no 40 de Cap Canaveral le 15 octobre 1997 à 8h43 Temps Universel (4h43 en heure locale). L'étage Centaur place la sonde spatiale sur une orbite de parking puis, 19 minutes plus tard, est rallumé durant 7 minutes 15 secondes pour placer Cassini-Huygens sur une orbite héliocentrique. Le tir est presque parfait et ne nécessite qu'une correction minime de 2,7 m/s effectuée le 9 novembre42.

Assistance gravitationnelle des planètes internes (1997-1999)
Malgré la puissance de son lanceur, Cassin-Huygens ne peut pas parvenir sur sa seule lancée jusqu'à Saturne. Pour y parvenir, il aurait été nécessaire que la fusée Titan puisse accélérer la sonde spatiale à une vitesse de 15,1 km/s, or compte tenu de la masse de celle-ci, le lanceur n'a pu lui communiquer qu'une vitesse de 12,4 km/s. Les concepteurs de la mission ont donc prévu d'obtenir la vitesse manquante en utilisant l'assistance gravitationnelle de Vénus (deux fois) et de la Terre. Une dernière assistance gravitationnelle de Jupiter est utilisée pour raccourcir la durée du voyage. La sonde spatiale se dirige d'abord vers Vénus. Comme elle se rapproche du Soleil, la vaste parabole de l'antenne grand gain est interposée entre l'astre et le corps de l'engin spatial, pour limiter l'échauffement. Le 27 avril 1998, Cassini frôle la planète en passant à 287 km de la surface, ce qui lui permet d'infléchir sa trajectoire de 70°, accélère de 3,7 km/s (dans le référentiel héliocentrique) et la place sur une orbite dont l'aphélie se situe au-delà de Mars. Le 3 décembre 1998 la propulsion principale est utilisée pour effectuer une importante correction de vitesse (et donc de trajectoire) de 452 m/s, qui ramène la sonde spatiale pour la deuxième fois au-dessus de Vénus, le 24 juin 1999 à 603 km d'altitude. Avec l'accélération obtenue (3,1 km/s dans le référentiel héliocentrique), la sonde spatiale survole la Terre seulement 56 jours plus tard, à une altitude de 1 166 km, le 18 août 1999. L'assistance gravitationnelle liée à ce survol procure à son tour une accélération supplémentaire de 4,1 km/s, et porte la vitesse de la sonde spatiale à 19,1 km/s, ce qui lui permet désormais d'atteindre Saturne. Faute de budget, tous les survols de Vénus sont effectués sans aucune investigation scientifique. Les instruments sont utilisés pour des opérations de calibrage durant le survol de la Terre et son passage près de la Lune. Le 1er décembre 1999, l'orientation de la sonde spatiale est modifiée de manière à ce que l'antenne grand gain soit pointée vers la Terre : compte tenu de l'éloignement du Soleil, il n'est plus nécessaire qu'elle s'interpose entre le Soleil et le corps de la sonde spatiale. Le 23 janvier 2000, la sonde spatiale passe à 1,5 millions de kilomètres de l'astéroïde (2685) Masursky. Ce sera le seul astéroïde survolé par Cassini durant son transit vers Saturne, et l'éloignement est tel que Masursky n'apparaît que comme un simple point sur la photo prise avec le téléobjectif de Cassini43,44.

L'anomalie du système de télécommunication de Huygens[modifier | modifier le code]
En février 2000 des tests de performance réalistes simulant les liaisons radio entre Huygens et Cassini mises en œuvre durant la descente vers le sol de Titan, détectent que, dans ces conditions, 90 % des données émises par Huygens sont perdues. Une investigation menée par une commission comportant des représentants de l'ESA, de la NASA et des industriels concernés - Alenia Spazio en tant que concepteur du système de télécommunications et Alcatel ex-Aerospatiale en tant qu'intégrateur - permet de déterminer que les changements intervenus dans la conception de Cassini ont induit un certain flou dans le cahier des charges du système de télécommunications de Huygens. Il en résulte que les données sont transmises par Huygens dans une plage de fréquence située pratiquement à l'extérieur des capacités du récepteur de Cassini, après application de l'effet Doppler induit par les mouvements relatifs des deux engins spatiaux. Pour contourner cette anomalie, une modification majeure de la trajectoire de l'orbiteur et du scénario de séparation des deux engins est décidée en juillet 2001. Pour limiter l'effet Doppler, la distance entre l'orbiteur et l'atterrisseur au moment de l'arrivée de ce dernier sur Titan est portée de 1 200 km à 65 000 km, ce qui diminue fortement la vitesse relative d'un engin par rapport à l'autre. Mais pour obtenir ce résultat, il est nécessaire de réduire la première orbite autour de Saturne de 148 à 116 jours, ce qui diminue d'un quart à un tiers la quantité d'ergols disponible pour la suite de la mission. Celle-ci s'en trouve potentiellement raccourcie de 8 à 10 mois45.

Le survol de Jupiter (décembre 2000)
Trajectoire arrivée Cassini dans le système de Saturne.
Les premières véritables données scientifiques de la mission sont recueillies lors du survol de Jupiter. Celui-ci a pu être programmé grâce à une conjonction exceptionnelle des deux planètes géantes, qui ne se reproduit que tous les 19,88 ans. Ce survol a été planifié principalement pour permettre à la sonde spatiale de bénéficier de l'assistance gravitationnelle de la planète géante et de regagner ainsi 2,1 km/s faisant passer sa vitesse à 11,6 km/s à la sortie du système de JupiterN 5. Le gain obtenu permet de réduire de 2 ans la durée du voyage vers Saturne. La sonde passe à relativement grande distance de Jupiter — 9,72 millions de km — pour que l'accélération obtenue ne soit pas trop importante, ce qui aurait nécessité une plus grande quantité de carburant pour freiner la sonde spatiale et la placer en orbite autour de Saturne. Le volet scientifique de ce survol comprend l'étude de la magnétosphère de la planète ainsi que des particules et des champs électrique et magnétique de manière conjointe avec la sonde Galileo, en orbite autour de Jupiter depuis 1996. Cassini doit également prendre des photos de la planète (celle-ci remplit le champ de la caméra à partir d'une distance de 23,3 millions de km) pour permettre l'étude de son atmosphère. La sonde spatiale débute officiellement sa campagne d'observation le 1er octobre 2000 en effectuant une première photo de la planète géante, alors que celle-ci se trouve encore à 84,4 millions de km. Mais le 15 décembre 2000, une des roues de réaction assurant le contrôle d'orientation de la sonde spatiale montre des signes de frottement anormaux. Le logiciel embarqué, qui supervise le fonctionnement de la sonde, confie immédiatement le contrôle d'orientation aux petits propulseurs RCS brûlant de l'hydrazine. L'incident n'est détecté par les ingénieurs de la NASA que deux jours plus tard. Les instruments nécessitant des corrections permanentes de l'orientation, tels que les caméras sont arrêtés pour limiter la consommation de carburant. Seuls restent en fonctionnement les instruments de mesure in situ. Le 18 août 2000, Cassini passe à 4,42 millions de km d'Himalia, une des lunes de Jupiter, mais compte tenu des mesures prises, peu d'informations sont recueillies. Les ingénieurs de la NASA parviennent à déterminer que le problème de friction est dû à une mauvaise lubrification lorsque la roue de réaction tourne à faible vitesse sur de longues périodes, mais que le problème disparaît lorsque la roue atteint une vitesse de rotation importante. Le fonctionnement de la sonde et de ses instruments retourne à la normale le 28 décembre, soit 2 jours avant que Cassini passe au plus près de Jupiter. Mais les observations des lunes et des anneaux programmées principalement durant cette interruption ne peuvent être menées à bien. Le 30 décembre 2000 Cassini passe au plus près de la planète géante, qui est alors distante de 9,72 millions de km. La sonde réalise une suite continue de photos de l'atmosphère de Jupiter sur une période exceptionnellement longue, qui permet d'observer le comportement dynamique de celle-ci. La campagne d'observation de Jupiter s'achève le 22 mars 200146,43,47.

L'insertion en orbite autour de Saturne (1er juillet 2004)[modifier | modifier le code]
Sur Terre, depuis le départ de Cassini, de nombreuses observations du système de Saturne ont été effectuées, à l'aide du télescope spatial Hubble, du radiotélescope d'Arecibo et des télescopes optiques terrestres les plus puissants, désormais équipés d'optique adaptative. Les résultats ont permis de découvrir de nombreux satellites irréguliers de Saturne. La présence de mers d'hydrocarbure à la surface de Titan est un sujet controversé, mais les observations effectuées ne permettent d'apporter aucune preuve décisive. Au cours du trajet entre Jupiter et Saturne, Cassini effectue plusieurs petites corrections de trajectoire. Une des roues de réactions présente, de manière sporadique, des signes de frottement anormaux, et elle est remplacée dans son rôle par une des roues de réserve. L'instrument RPWS commence à capter des signaux radio produits par Saturne, alors que la sonde spatiale se trouve encore à 2,5 U.A. de la planète géante. Les observations systématiques de l'atmosphère de Saturne et de ses anneaux débutent en décembre 2003, alors que la sonde se trouve à 111 millions de kilomètres de son objectif. Les premières prises d'image de Saturne sont effectuées le 6 février 2004 et celles de Titan en avril. Tous les autres instruments scientifiques sont progressivement mis en marche. Les membres de la mission recherchent avec les instruments de la sonde spatiale, et des télescopes basés sur Terre, la présence d'éventuels obstacles sur la trajectoire que doit suivre Cassini, lorsque la sonde coupera le plan des anneaux. Les photos prises par la sonde spatiale permettent de découvrir deux petits satellites de quelques kilomètres de diamètre, Méthone et Pallène, qui se trouvent sur une orbite proche de Mimas 48.

Cassini pénètre dans le système de Saturne en effectuant un survol de la lune Phœbé, qui orbite à 13 millions de kilomètres de la planète, et dont le diamètre est d'environ 200 km. Phœbé est le plus important des satellites irréguliers de la planète géante, caractérisés par leur éloignement de celle-ci et l'inclinaison importante, et dans certains cas rétrograde, de leur orbite. Ces satellites, compte tenu de ces spécificités, ne se sont pas formés avec Saturne, mais ont été capturés par la planète géante. Le 11 juin 2004, la sonde spatiale passe à 2 071 km de la lune, qui n'avait jusque là jamais été observée de près. Les photos de Phœbé montrent un monde irrégulier, couvert de cratères de grande dimension. Il reste 3 semaines avant la manœuvre qui doit permettre d'insérer la sonde spatiale en orbite autour de Saturne. Le 1er juillet vers 2h00 (en Temps Universel) la sonde spatiale, qui navigue sous le plan orbital des anneaux de Saturne, le traverse à la vitesse de 22 km/s, en s'insinuant dans l'espace théoriquement libre d'obstacles situé entre le mince anneau F, qui marque la limite de Roche de la planète, et l'anneau G (cf schéma). Cette traversée s'effectue avec l'antenne grand gain pointée vers l'avant, pour protéger le corps de Cassini d'éventuelles particules. Une demi-heure plus tard, après que la sonde a pivoté de 180° pour présenter ses tuyères vers l'avant, le propulseur principal est allumé, pour réduire la vitesse de Cassini et permettre son insertion en orbite autour de Saturne. Le moteur-fusée fonctionne durant 96 minutes en consommant 830 kg d'ergols, et la vitesse chute de 622 m/s. Durant cette phase la sonde passe à 19 880 km du sommet des nuages de la planète, soit 0,3 fois le rayon de Saturne. La sonde est le premier objet artificiel à se placer en orbite autour de Saturne : cette orbite est parcourue en 116 jours, avec un périgée se situant à 78 520 km du centre de Saturne (18 000 km au-dessus de la couche des nuages), un apogée à 9,06 millions de kilomètres, et une inclinaison de 16,8°. Immédiatement après l'arrêt de la propulsion, Cassini utilise les instruments VIMS et UVIS pour prendre des images des anneaux, dont elle ne sera plus jamais aussi proche durant le reste de la mission. L'objectif est notamment d'obtenir des informations sur la structure de ceux-ci. À 5h50, la sonde spatiale traverse à nouveau le plan orbital des anneaux, entre les anneaux F et G49. Le jour suivant, la sonde spatiale effectue son premier survol de Titan, mais celui-ci se fait à grande distance (339 000 km) et les instruments fournissent peu d'informations. L'orbite sur laquelle circule Cassini est temporaire, car elle fait passer la sonde à travers les anneaux. Aussi la propulsion principale est utilisée pour la dernière fois, le 23 août, durant 51 minutes pour accélérer la sonde de 398 m/s, et faire passer son périgée à 300 000 km, c'est-à-dire à l'extérieur des anneaux les plus denses50, et environ les trois quarts de la distance Terre-Lune.

Premiers survols de Titan et premières découvertes (26 octobre 2004)[modifier | modifier le code]
Le 26 octobre 2004, la sonde spatiale Cassini effectue un premier passage à faible distance (1 200 km) de Titan. Le satellite, entouré d'un voile opaque de nuages a, jusque là, révélé peu de choses sur sa nature, malgré les nombreuses observations effectuées depuis la Terre ou durant son survol par les sondes Voyager. Beaucoup d'informations sont attendues du passage de la sonde, grâce à la faible distance et la présence du radar capable d'observer la surface à travers les nuages. Parmi les objectifs principaux de ce survol figurent la validation de la modélisation de l'atmosphère, pour la mise au point du scénario de descente de Huyguens vers le sol de Titan et la mesure de l'expansion verticale de l'atmosphère de Titan, en vue de survols ultérieurs à plus faibles altitude51. Tous les instruments étant fixes, le pointage du radar vers la surface entre en conflit avec d'une part la mise en œuvre des instruments de télédétection (caméras...) et certains instruments de mesure des champs et particules, qui n'ont pas les mêmes axes de visée. Aussi l'utilisation du radar est relativement brève et ne concerne qu'une bande étroite de terres de 120 km de large sur 2 000 km de long, soit moins de 1 % de la surface de la lune, avec une résolution maximale de 300 mètres. Les informations collectées par le radar et les caméras fonctionnant en lumière visible et en infrarouge permettent de distinguer une surface jeune, c'est-à-dire pratiquement dépourvue de cratères d'impact, aux caractéristiques très variées, reflétant une géologie dynamique avec la présence de chenaux et peut-être de cryovolcans rejetant un mélange de glace d'eau et de méthane enfouis sous la surface. Selon les théories élaborées avant le survol, la présence de mers de méthane était nécessaire pour expliquer la présence d'une atmosphère comportant une proportion notable de ce gaz, à la durée de vie pourtant relativement courte. Mais aucune surface liquide de grande étendue n'est détectée. Le magnétomètre indique que Titan ne génère pas de champ magnétique. Deux jours plus tard, l'orbiteur atteint son périgée et boucle ainsi sa première orbite autour de Saturne, avant de commencer à s'éloigner de la planète géante52,53,54,55. Un deuxième survol de Titan a lieu le 16 décembre, à une altitude pratiquement identique. Cette fois le radar n'est pas utilisé et les observations portent plus particulièrement sur le comportement de l'atmosphère et sa composition. L'assistance gravitationnelle de Titan est utilisée pour ajuster précisément le prochain passage au-dessus de Titan, qui doit s'accompagner de l'atterrissage de Huygens56.

L'atterrissage de Huygens sur Titan (14 janvier 2005)

Photo de la surface de Titan prise par la caméra de Huygens après son atterrissage.
Le 16 décembre, la sonde Cassini modifie sa trajectoire en utilisant ses propulseurs durant 85 secondes, de manière à pouvoir placer l'atterrisseur Huygens, dépourvu de moyens de manœuvrer, sur une trajectoire de collision avec Titan. Le 23 décembre, une dernière petite correction est effectuée, et deux jours plus tard l'atterrisseur se détache de Cassini : des ressorts lui impriment un léger surcroît de vitesse de 33 cm/s, qui l'éloigne progressivement de son vaisseau porteur. Auparavant, Huygens a été mis en rotation autour de son axe (7,5 tours par minute), pour que son orientation reste stable jusqu'à son arrivée aux abords de Titan, 22 jours plus tard57. Le 28 décembre, l'orbiteur Cassini corrige sa trajectoire en utilisant ses propulseurs durant 153 secondes, pour passer au large de Titan. Le 31 décembre 2004, l'orbiteur passe à relativement faible distance (123 000 km) de l'hémisphère éclairé de Japet, ce qui lui permet d'obtenir des images de bonne qualité avec une résolution maximale de 700 mètres. Aucune photo détaillée n'avait jusque là pu être prise de cette lune, qui présente un contraste inexpliqué de couleur entre sa face avant (dans le sens de sa progression sur l'orbite) et sa face arrière. Plusieurs caractéristiques intriguent les scientifiques dans les données recueillies lors du survol : Japet possède une crête équatoriale de 20 km de large et 13 km de haut qui court tout au long de son équateur. Ses dimensions, 749x747x713 km, lui confèrent une forme ovale inexplicable pour un objet céleste de cette taille. Les analyses spectroscopiques de la surface ne fournissent pas, dans un premier temps, d'explication satisfaisante au contraste de couleur des deux faces58.

Rentrée atmosphérique
À compter de sa séparation avec Cassini, Huygens a été mise en sommeil. Alors qu'elle arrive à proximité de Titan, le 14 janvier, les équipements de la sonde sont réactivés. L'orbiteur Cassini, qui suit une route parallèle, pivote pour pointer son antenne grand gain vers l'atterrisseur, alors que celui-ci s’apprête à pénétrer dans l'atmosphère. L'orbiteur, relativement proche, peut recevoir un volume de données plus important, et va servir de relais entre Huygens et les stations à Terre. Néanmoins, plusieurs radio-télescopes terrestres sont également à l'écoute des émissions de Huygens, pour détecter l'onde radio porteuse, qui doit signaler le déploiement réussi du parachute principal. À 9 h 6 T.U. Huygens pénètre dans l'atmosphère de Titan, à 1 270 kilomètres d'altitude, à une vitesse de 5 km/s. Les frottements à grande vitesse dans l'atmosphère portent le bouclier thermique de la sonde à température de 1 700 °C, tout en la ralentissant avec une décélération qui culmine à 13 g. Trois minutes plus tard, alors que la vitesse de l'engin spatial a chuté à moins de 1 400 km/h et qu'il se trouve à 160 km d'altitude, un premier parachute pilote de 2,6 mètres de diamètre est déployé et éjecte le bouclier thermique arrière. Le parachute principal, de 8,3 mètres de diamètre, est déployé 2,5 secondes plus tard. Il s'écoule une minute, puis le bouclier thermique avant est largué et l'émetteur radio de Huygens est mis en marche. Le signal émis est capté de manière très atténuée par le radio-télescope terrestre de Green Bank, environ 67 minutes plus tard (temps mis par le signal pour cheminer à la vitesse de la lumière). Les instruments de l'atterrisseur sont mis en marche. La caméra DISR prend une première image, alors que la sonde se trouve entre 143 et 140 km, et restitue une atmosphère faiblement éclairée. Le chromatographe à gaz GCMS commence à collecter des données, tandis que le pyroliseur ACP commence ses prélèvements à 130 km. Les capteurs de la suite instrumentale HASI sont déployés, et le spectromètre de masse GCMS effectue une première analyse de l'atmosphère à 140 km d'altitude, et en effectue trois autres avant l'atterrissage, à 85, 55 et 20 km. Le SSP est également mis en route, mesurant des propriétés de l'atmosphère. Huygens commence à transmettre les données collectées en direction de Cassini, qui défile à une distance 60 000 kilomètres59, 60.

Observations atmosphériques
15 minutes après le début de la rentrée atmosphérique, le parachute principal est largué et un autre parachute plus petit (3 mètres de diamètre) prend le relais. La vitesse a en effet suffisamment chuté, et l'atterrisseur doit atteindre rapidement le sol pour que ses batteries soient en mesure de fournir l'énergie après l'atterrissage, alors que l'orbiteur est encore au-dessus de la ligne d'horizon. À 9 h 42, alors que la sonde se trouve à 60 kilomètres d'altitude, Huygens met en marche son altimètre radar, qui doit désormais mesurer son altitude. Les images du sol qui sont prises sont beaucoup moins nettes que prévu, car l'atterrisseur traverse des couches de brume épaisse, constituée de méthane à saturation. Le premier panorama du sol dans lequel on peut distinguer de vagues formes brillantes et sombre est pris entre 50 et 29 km d'altitude. Vers 35 km, la sonde, qui se déplace horizontalement à 20 m/s, est secouée par de fortes turbulences. L'atmosphère s'éclaircit vers 30 km. À 11 h 23, à proximité de la surface, Huygens allume une lampe, qui doit fournir une lumière homogène et aux caractéristiques connues pour les prises d'images ultérieures. À 11 h 38, soit deux heures 30 après avoir entamé la rentrée atmosphérique, Huygens touche le sol, à une vitesse de 17 kilomètres par heure. La nature du terrain est inconnue, mais selon toute vraisemblance, ce pourrait être de la glace.

Opérations sur le sol de Titan
Le Surface Science Package commence à transmettre des informations peu après l'atterrissage de Huygens. Une heure et demie après l'atterrissage, Cassini passe sous l'horizon de Titan, empêchant toute transmission de données de la part de Huygens. L'atterrisseur est parvenu à transmettre 474 mégaoctets de données depuis le début de la descente. À la suite d'une erreur de programmation de l'atterrisseur, la moitié des 1 215 photos prises durant la descente et au sol ainsi que toutes les mesures de vent réalisées par l'instrument DWE sont perdues61.

Flying Through the Plume on Saturn's Moon Enceladus

Note: This activity is related to a news event from October 2015.
See "Seven Key Facts About Cassini's Oct. 28 'Plume Dive'."
Materials
Educator Guide - Download PDF

Student Worksheet - Download PDF

Management
Download the Student Worksheet from the materials list
and make copies of the full problem set or individual problems
to hand out to students.
Background
UPDATE – April 13, 2017: Scientists for NASA's Cassini mission
have released the results from the spacecraft's flyby through
the geyser plume at Enceladus in October 2015. By analyzing
the material sampled during the flyby, as well as
previous measurements made, scientists discovered
that the ocean under Enceladus’ ice shell contains hydrogen.
This hydrogen is being pumped into the ocean by hydrothermal vents
on the seafloor. If microbes exist in Enceladus’ ocean, they could use
hydrogen combined with CO2 as a source of energy.
This process, called methanogenesis, could have played
an important role in the origin of life on Earth.

For more, read the news release "NASA's Missions Provide New Insights
Into 'Ocean Worlds' in Our Solar System" from April 13, 2017.

In the News

Saturn’s icy moon Enceladus has been making news lately,
and it could make even bigger news soon! In September 2015,
scientists confirmed that there was a global ocean underneath
Enceladus’ thick icy shell. That was just the latest in a long history
of exciting finds dating back to the beginning of
NASA’s Cassini-Huygens Mission to Saturn in 2004
that have helped scientists to better understand
this fascinating world!

Even while Cassini was still on its way to Saturn,
its Cosmic Dust Analyzer detected microscopic grains of silica
(tiny grains of sand).
On Earth, grains of silica similar in size to those detected
near Saturn form when hydrothermal activity --
the processes involving heated water beneath Earth’s surface
or ocean -- causes salty water to chemically interact
with rocky material to form silica. But where were these grains
coming from in the space around Saturn?

In 2005, scientists were surprised to find out that Enceladus’ south pole
is both warmer than expected and warmer than the surrounding areas,
suggesting there is a heat source inside Enceladus.
Not only that, but they also discovered long parallel cracks in
the ice on Enceladus’ south pole. The young age of these cracks,
nicknamed Tiger Stripes, meant that Saturn’s icy moon is
a geologically active place.

Another piece of this puzzle was put in place with the discovery
of jets of material spraying out of the Tiger Stripes.
Studies have shown these jets are composed of mostly of water vapor,
tiny ice particles and small amounts of other material
(for example, microscopic silica grains).
Together, over 100 jets make up a feature called a plume.
Investigating further, scientists have hypothesized that these silica grains
are the result of hydrothermal activity
on the ocean floor below Enceladus’ icy crust.

On October 28, 2015, Cassini will fly right through
the plume jetting out of Enceladus’ south pole at
an altitude of only 49 kilometers (30 miles) –
closer than any previous passes directly through the plume!
This is an exciting moment in the mission --
one that allows science teams to use a combination
of tools on board the spacecraft to strengthen previous
findings and potentially make new discoveries.

Why It's Important

Cassini will use its Cosmic Dust Analyzer to study the solid plume
particles and an instrument called the Ion and Neutral Mass Spectrometer
to “sniff” the gas vapor in order to determine the composition of the jets.
Specifically, the latter instrument is looking for H2,
or molecular hydrogen. Finding H2 in the plume will strengthen
the evidence that hydrothermal activity
is occurring on Enceladus’ ocean floor.
And the amount of H2 in the plume, will tell scientists just
how much activity is happening.

In addition to indicating that hydrothermal activity
is taking place, figuring out the amount of hydrothermal activity
will give scientists a good indication of how much internal energy
there is deep inside Enceladus.

That Cassini is making a pass through the plume at such a low,
49-kilometer-high altitude is also important. Organic compounds --
substances formed when carbon bonds with hydrogen,
nitrogen, oxygen, phosphorus or sulfur -- tend to be heavy
and would fall out of the plume before reaching the heights
of Cassini’s previous, higher altitude flybys and be undetected.
Organic compounds are the building blocks of life on Earth.
Without them, life as we know it wouldn’t exist.
If they are present in Enceladus’ oceans,
they could be detected when Cassini
passes through the plume on this encounter.

Perhaps more important, though, are the implications of finding
hydrothermal activity somewhere other than Earth.
It was once believed that all forms of life needed sunlight
as a source of energy, but in 1977, the first hydrothermal vent --
essentially an underwater geyser of hot, mineral-rich water --
was discovered and it was teeming with life.
The organisms were using the heat and minerals as a source of energy!
Some scientists have hypothesized that hydrothermal vents could be
where life on our planet first took hold and could represent environments
in the solar system with the necessary ingredients to support life.

Use it in the Classroom
Use the lessons and resources below to teach key concepts
related to the October 28, 2015, Enceladus flyby and engage
your students in science at Saturn.

Procedures
Modeling

Standard(s):

NGSS 5-ESS2-1 - Develop a model using an example to describe
ways the geosphere, biosphere, hydrosphere, and/or atmosphere interact.
Activity:

Because scientists can’t dig beneath the ice and see what’s below,
they rely on creating models that show what is happening beneath the surface.
A model helps us imagine what can’t be seen and explains the things that
we can see and measure. A model could be a drawing, a diagram
or a computer simulation. For this model, students will draw a cut away model
of Enceladus and iterate, or improve, their model as
you provide more description, just as scientists improved their models
as they learned more about Enceladus.

Tell students there is a moon around Saturn.
They should draw a moon (likely a circle, half-circle, or arc, depending
on how big you want the drawing to be).

Explain to students that the moon is covered in a shell of ice
(students will need to modify their model by drawing a layer of ice).
Thus far, everything students are modeling is observable by looking at the moon.

Share with students that temperature measurements
of the south pole revealed spots that are warmer than
the rest of the moon’s surface. Ask students to brainstorm possible sources
of heat at the south pole and explain what might happen
to ice near a heat source. Based on this new information,
and what they think might be causing the heat,
allow them to modify their drawing.
(Depending on what students brainstorm,
their drawing might now include volcanoes, hot spots, magma,
hydrothermal vents and a pool of liquid water beneath the ice).

The next piece of information the students will need to incorporate
into their drawing is that there are large cracks
in the ice over the warmer south-pole region.

Explain that students have now received images
that show jets expelling material from the cracks.
They will need to incorporate this new data
and add it to their drawing.

Tell students that by studying the gravity of the moon,
scientists now believe there is an ocean covering the whole surface
of the moon beneath the ice. Ask students to share
how they would represent that in the model.
Allow them to modify their drawing.

Show students the following image depicting a model of Enceladus:

This model shows what scientists believe the interior of Enceladus
may look like. Have students compare it to what they drew
and note similarities and differences.
Particle Travel Rate

Standard(s):

CCSS.MATH 6.RP.A.3.B - - Solve unit rate problems including
those involving unit pricing and constant speed. For example,
if it took 7 hours to mow 4 lawns, then at that rate,
how many lawns could be mowed in 35 hours?
At what rate were lawns being mowed?
Problem:

Based on the size of the silica grains (6 to 9 nanometers),
scientists think they spend anywhere from several months
to a few years
(a longer time than that means the grains would be larger)
traveling from hydrothermal vents to space,
a distance of 40 to 50 km.

What rate (in km/day) are the particles traveling if it takes
them 6 months to travel 50 km (assume 182 days)?
50 km ÷ 182 days = 0.27 km/day

What rate are they traveling if it takes two years to travel 40 km?
40 km ÷ 730 days = 0.05 km/day

Do you think the particles in each example traveled at the same speed
the entire time they moved?

Why might the particle rate vary?

At what point in their journey might particles
have been traveling at the highest rate?

Plume Data

Standard(s):

CCSS.MATH 6.RP.A.3.B - Solve unit rate problems including
those involving unit pricing and constant speed.
For example, if it took 7 hours to mow 4 lawns, then at that rate,
how many lawns could be mowed in 35 hours?
At what rate were lawns being mowed?

CCSS.MATH 8.G.B.7 - Apply the Pythagorean Theorem
to determine unknown side lengths in right triangles
in real-world and mathematical problems
in two and three dimensions.

Problem:
Cassini will be flying past Enceladus at a staggering 8.5 km
per second (19,014 mph). At an altitude of 49 km,
the plume is estimated to be approximately 130 km across.

How long will Cassini have to capture particles
and record data while within the plume?

130 km ÷ 8.5 km/sec ≈ 15 seconds

If Cassini is 49 km above the surface of Enceladus
at the center of the plume, what is its altitude as it enters and exits
the plume (the radius of Enceladus is 252.1 km)?

252.1 km + 49 km = 301.1 km
(301.1 km)2 + (65 km)2 ≈ 95,000 km2
√(95,000 km2) ≈ 308 km
≈ 308 km – 252.1 km ≈ 56 km

This information can help scientists determine where in the plume
heavy particles may fall out if they are not detected on the edge
of the plume but are detected closer to the middle of the plume.
It is also important because the Cosmic Dust Analyzer uses a high-rate
detector that can count impacting particles at over 10,000 parts
per second to tell us how much material is being sprayed out.
Volume of Enceladus’ Ocean

Standard(s):

CCSS.MATH 8.G.C.9 - Know the formulas for the volumes
of cones, cylinders, and spheres and use them
to solve real-world and mathematical problems.

CCSS.MATH HSG.GMD.A.3 - Use volume formulas
for cylinders, pyramids, cones, and spheres to solve problems.
Problem:

Gravity field measurements of Enceladus and the wobble
in its orbital motion show a 10 km deep ocean beneath
a layer of ice estimated to be between 30 km and 40 km thick.
If the mean radius of Enceladus is 252.1 km, what is the minimum
and maximum volume of water contained within its ocean?

Volume of a sphere = 4⁄3πr3

Minimum volume with a 40 km thick crust
4⁄3 π212.1 km3 - 4⁄3π202.1 km3 ≈ 40,000,000 km3 – 35,000,000 km3 ≈ 5,000,000 km3

Maximum volume with a 30 km thick crust
4⁄3 π222.1 km3 - 4⁄3 π212.1 km3 ≈ 46,000,000 km3 – 40,000,000 km3 ≈ 6,000,000 km3

This is important because if scientists know how much water
is in the ocean and how much vapor is escaping through the plume,
they can make estimates about how long the plume has existed --
or could continue to exist.

Assessment
Student ability to solve the various math problems
will vary with grade level and exposure to mathematics,
but consider allowing students to examine and discuss
more difficult problems and suggest how they might go about
solving the problem if they had the appropriate mathematical tools
(formulas, etc.). This will give you, the teacher,
insight into students' problem solving ability beyond computational skills.
Extensions
Enceladus flyby information page
Slideshow and poster: 8 Real World Science Facts About Saturn's Moon Enceladus
Enceladus facts and figures
Enceladus images
Eyes on the Solar System: Enceladus flyby simulation
Cassini mission overview
Teachable Moments Blog

RAPPORT DE
LA MISSION SUR LE SATELLITE ARIEL
DE LA PLANÈTE URANUS.
PROJET DE Y'BECCA...

Flying Through the Plume on Saturn's Moon Enceladus

Note: This activity is related to a news event from October 2015.
See "Seven Key Facts About Cassini's Oct. 28 'Plume Dive'."
Materials
Educator Guide - Download PDF

Student Worksheet - Download PDF

Management
Download the Student Worksheet from the materials list
and make copies of the full problem set or individual problems
to hand out to students.
Background
UPDATE – April 13, 2017: Scientists for NASA's Cassini mission
have released the results from the spacecraft's flyby through
the geyser plume at Enceladus in October 2015. By analyzing
the material sampled during the flyby, as well as
previous measurements made, scientists discovered
that the ocean under Enceladus’ ice shell contains hydrogen.
This hydrogen is being pumped into the ocean by hydrothermal vents
on the seafloor. If microbes exist in Enceladus’ ocean, they could use
hydrogen combined with CO2 as a source of energy.
This process, called methanogenesis, could have played
an important role in the origin of life on Earth.

For more, read the news release "NASA's Missions Provide New Insights
Into 'Ocean Worlds' in Our Solar System" from April 13, 2017.

In the News

Saturn’s icy moon Enceladus has been making news lately,
and it could make even bigger news soon! In September 2015,
scientists confirmed that there was a global ocean underneath
Enceladus’ thick icy shell. That was just the latest in a long history
of exciting finds dating back to the beginning of
NASA’s Cassini-Huygens Mission to Saturn in 2004
that have helped scientists to better understand
this fascinating world!

Even while Cassini was still on its way to Saturn,
its Cosmic Dust Analyzer detected microscopic grains of silica
(tiny grains of sand).
On Earth, grains of silica similar in size to those detected
near Saturn form when hydrothermal activity --
the processes involving heated water beneath Earth’s surface
or ocean -- causes salty water to chemically interact
with rocky material to form silica. But where were these grains
coming from in the space around Saturn?

In 2005, scientists were surprised to find out that Enceladus’ south pole
is both warmer than expected and warmer than the surrounding areas,
suggesting there is a heat source inside Enceladus.
Not only that, but they also discovered long parallel cracks in
the ice on Enceladus’ south pole. The young age of these cracks,
nicknamed Tiger Stripes, meant that Saturn’s icy moon is
a geologically active place.

Another piece of this puzzle was put in place with the discovery
of jets of material spraying out of the Tiger Stripes.
Studies have shown these jets are composed of mostly of water vapor,
tiny ice particles and small amounts of other material
(for example, microscopic silica grains).
Together, over 100 jets make up a feature called a plume.
Investigating further, scientists have hypothesized that these silica grains
are the result of hydrothermal activity
on the ocean floor below Enceladus’ icy crust.

On October 28, 2015, Cassini will fly right through
the plume jetting out of Enceladus’ south pole at
an altitude of only 49 kilometers (30 miles) –
closer than any previous passes directly through the plume!
This is an exciting moment in the mission --
one that allows science teams to use a combination
of tools on board the spacecraft to strengthen previous
findings and potentially make new discoveries.

Why It's Important

Cassini will use its Cosmic Dust Analyzer to study the solid plume
particles and an instrument called the Ion and Neutral Mass Spectrometer
to “sniff” the gas vapor in order to determine the composition of the jets.
Specifically, the latter instrument is looking for H2,
or molecular hydrogen. Finding H2 in the plume will strengthen
the evidence that hydrothermal activity
is occurring on Enceladus’ ocean floor.
And the amount of H2 in the plume, will tell scientists just
how much activity is happening.

In addition to indicating that hydrothermal activity
is taking place, figuring out the amount of hydrothermal activity
will give scientists a good indication of how much internal energy
there is deep inside Enceladus.

That Cassini is making a pass through the plume at such a low,
49-kilometer-high altitude is also important. Organic compounds --
substances formed when carbon bonds with hydrogen,
nitrogen, oxygen, phosphorus or sulfur -- tend to be heavy
and would fall out of the plume before reaching the heights
of Cassini’s previous, higher altitude flybys and be undetected.
Organic compounds are the building blocks of life on Earth.
Without them, life as we know it wouldn’t exist.
If they are present in Enceladus’ oceans,
they could be detected when Cassini
passes through the plume on this encounter.

Perhaps more important, though, are the implications of finding
hydrothermal activity somewhere other than Earth.
It was once believed that all forms of life needed sunlight
as a source of energy, but in 1977, the first hydrothermal vent --
essentially an underwater geyser of hot, mineral-rich water --
was discovered and it was teeming with life.
The organisms were using the heat and minerals as a source of energy!
Some scientists have hypothesized that hydrothermal vents could be
where life on our planet first took hold and could represent environments
in the solar system with the necessary ingredients to support life.

Use it in the Classroom
Use the lessons and resources below to teach key concepts
related to the October 28, 2015, Enceladus flyby and engage
your students in science at Saturn.

Procedures
Modeling

Standard(s):

NGSS 5-ESS2-1 - Develop a model using an example to describe
ways the geosphere, biosphere, hydrosphere, and/or atmosphere interact.
Activity:

Because scientists can’t dig beneath the ice and see what’s below,
they rely on creating models that show what is happening beneath the surface.
A model helps us imagine what can’t be seen and explains the things that
we can see and measure. A model could be a drawing, a diagram
or a computer simulation. For this model, students will draw a cut away model
of Enceladus and iterate, or improve, their model as
you provide more description, just as scientists improved their models
as they learned more about Enceladus.

Tell students there is a moon around Saturn.
They should draw a moon (likely a circle, half-circle, or arc, depending
on how big you want the drawing to be).

Explain to students that the moon is covered in a shell of ice
(students will need to modify their model by drawing a layer of ice).
Thus far, everything students are modeling is observable by looking at the moon.

Share with students that temperature measurements
of the south pole revealed spots that are warmer than
the rest of the moon’s surface. Ask students to brainstorm possible sources
of heat at the south pole and explain what might happen
to ice near a heat source. Based on this new information,
and what they think might be causing the heat,
allow them to modify their drawing.
(Depending on what students brainstorm,
their drawing might now include volcanoes, hot spots, magma,
hydrothermal vents and a pool of liquid water beneath the ice).

The next piece of information the students will need to incorporate
into their drawing is that there are large cracks
in the ice over the warmer south-pole region.

Explain that students have now received images
that show jets expelling material from the cracks.
They will need to incorporate this new data
and add it to their drawing.

Tell students that by studying the gravity of the moon,
scientists now believe there is an ocean covering the whole surface
of the moon beneath the ice. Ask students to share
how they would represent that in the model.
Allow them to modify their drawing.

Show students the following image depicting a model of Enceladus:

This model shows what scientists believe the interior of Enceladus
may look like. Have students compare it to what they drew
and note similarities and differences.
Particle Travel Rate

Standard(s):

CCSS.MATH 6.RP.A.3.B - - Solve unit rate problems including
those involving unit pricing and constant speed. For example,
if it took 7 hours to mow 4 lawns, then at that rate,
how many lawns could be mowed in 35 hours?
At what rate were lawns being mowed?
Problem:

Based on the size of the silica grains (6 to 9 nanometers),
scientists think they spend anywhere from several months
to a few years
(a longer time than that means the grains would be larger)
traveling from hydrothermal vents to space,
a distance of 40 to 50 km.

What rate (in km/day) are the particles traveling if it takes
them 6 months to travel 50 km (assume 182 days)?
50 km ÷ 182 days = 0.27 km/day

What rate are they traveling if it takes two years to travel 40 km?
40 km ÷ 730 days = 0.05 km/day

Do you think the particles in each example traveled at the same speed
the entire time they moved?

Why might the particle rate vary?

At what point in their journey might particles
have been traveling at the highest rate?

Plume Data

Standard(s):

CCSS.MATH 6.RP.A.3.B - Solve unit rate problems including
those involving unit pricing and constant speed.
For example, if it took 7 hours to mow 4 lawns, then at that rate,
how many lawns could be mowed in 35 hours?
At what rate were lawns being mowed?

CCSS.MATH 8.G.B.7 - Apply the Pythagorean Theorem
to determine unknown side lengths in right triangles
in real-world and mathematical problems
in two and three dimensions.

Problem:
Cassini will be flying past Enceladus at a staggering 8.5 km
per second (19,014 mph). At an altitude of 49 km,
the plume is estimated to be approximately 130 km across.

How long will Cassini have to capture particles
and record data while within the plume?

130 km ÷ 8.5 km/sec ≈ 15 seconds

If Cassini is 49 km above the surface of Enceladus
at the center of the plume, what is its altitude as it enters and exits
the plume (the radius of Enceladus is 252.1 km)?

252.1 km + 49 km = 301.1 km
(301.1 km)2 + (65 km)2 ≈ 95,000 km2
√(95,000 km2) ≈ 308 km
≈ 308 km – 252.1 km ≈ 56 km

This information can help scientists determine where in the plume
heavy particles may fall out if they are not detected on the edge
of the plume but are detected closer to the middle of the plume.
It is also important because the Cosmic Dust Analyzer uses a high-rate
detector that can count impacting particles at over 10,000 parts
per second to tell us how much material is being sprayed out.
Volume of Enceladus’ Ocean

Standard(s):

CCSS.MATH 8.G.C.9 - Know the formulas for the volumes
of cones, cylinders, and spheres and use them
to solve real-world and mathematical problems.

CCSS.MATH HSG.GMD.A.3 - Use volume formulas
for cylinders, pyramids, cones, and spheres to solve problems.
Problem:

Gravity field measurements of Enceladus and the wobble
in its orbital motion show a 10 km deep ocean beneath
a layer of ice estimated to be between 30 km and 40 km thick.
If the mean radius of Enceladus is 252.1 km, what is the minimum
and maximum volume of water contained within its ocean?

Volume of a sphere = 4⁄3πr3

Minimum volume with a 40 km thick crust
4⁄3 π212.1 km3 - 4⁄3π202.1 km3 ≈ 40,000,000 km3 – 35,000,000 km3 ≈ 5,000,000 km3

Maximum volume with a 30 km thick crust
4⁄3 π222.1 km3 - 4⁄3 π212.1 km3 ≈ 46,000,000 km3 – 40,000,000 km3 ≈ 6,000,000 km3

This is important because if scientists know how much water
is in the ocean and how much vapor is escaping through the plume,
they can make estimates about how long the plume has existed --
or could continue to exist.

Assessment
Student ability to solve the various math problems
will vary with grade level and exposure to mathematics,
but consider allowing students to examine and discuss
more difficult problems and suggest how they might go about
solving the problem if they had the appropriate mathematical tools
(formulas, etc.). This will give you, the teacher,
insight into students' problem solving ability beyond computational skills.
Extensions
Enceladus flyby information page
Slideshow and poster: 8 Real World Science Facts About Saturn's Moon Enceladus
Enceladus facts and figures
Enceladus images
Eyes on the Solar System: Enceladus flyby simulation
Cassini mission overview
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RAPPORT DE
LA MISSION SUR LE SATELLITE ARIEL
DE LA PLANÈTE URANUS.
PROJET DE Y'BECCA...

Les autres lunes de Saturne
Phœbé

Phœbé.
Phœbé est la plus éloignée des lunes de taille significative : elle se trouve quatre fois plus loin (13 millions de km) de la surface de Saturne que la lune suivante Japet. Elle circule sur une orbite rétrograde avec une inclinaison quasi polaire (173°). Ayant une forme sphérique irrégulière elle a un diamètre d'environ 220 km et est très sombre. Les seules images antérieures à la mission Cassini ont été prises par Voyager 2 en 1981. Elles ont fourni peu d'informations compte tenu de la distance (plus de deux millions de km) d'où elles ont été prises. Cassini n'a survolé qu'une seule fois la lune, 16 jours avant son insertion en orbite autour de Saturne, car elle est située à l'extérieur de l'orbite de la sonde spatiale. Le 11 juin 2004 Cassini est passée à 2 068 km de Phoebé et est parvenu à photographier pratiquement toute sa surface grâce à la vitesse de rotation de la lune. Celle-ci présente une surface très sombre (albédo de 0,06), couverte de cratères qui ont pour certains 80 km de diamètre avec des parois pouvant atteindre 16 km de haut. L'hypothèse d'un astéroïde capturé par Saturne est battue en brèche par l'observation de matériaux beaucoup plus clairs à l'intérieur des cratères signalant la présence de glace d'eau dissimulée sous une couche de poussière pouvant atteindre 300 à 500 mètres de diamètre. La glace d'eau représenterait 30 % de la masse de Phœbé (contre 50 % pour les principales lunes glacées de Saturne). Phoebe est sans doute une protoplanète, aux caractéristiques proches de Pluton, qui s'est formée dans la ceinture de Kuiper au tout début de l'histoire du système solaire. Elle a subi un processus de différenciation planétaire au début de son existence. Après s'être refroidie sa surface a été martelée par les impacts lui donnant sa forme irrégulière actuelle. Elle a été par la suite capturée par la planète Saturne107,108.

Encelade
Encelade.
En 2005, les mesures effectuées au cours des deux premiers survols de la petite lune Encelade (500 km de diamètre) ont mis en évidence la présence d'une atmosphère63. Celle-ci est créée par une forme de volcanisme qui génère des geysers une déviation du champ magnétique du satellite a été constatée. Ce type de variation du champ magnétique est caractéristique d'une atmosphère mince mais significative. D'autres mesures semblent montrer que cette atmosphère est essentiellement composée de vapeur d'eau ionisée.

En 2006, des geysers composés de particules très fines de glace (éjectées dans l'espace à plus 200 km de la surface) furent découverts dans la région australe d'Encelade. Pour les étudier, les scientifiques planifièrent un survol de la sonde le 12 mars 2008, à seulement 48 km de la surface, par Cassini. Les premiers résultats révélèrent une température plus élevée que prévu et la présence de composés organiques, voire d'eau liquide. D'autres survols à plus basse altitude ont été programmés en 2008 et au-delà, dans le cadre de la mission étendue de la sonde (après le 30 juin 2008).

Japet
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CITOYEN YANIS TIGNARD
OU
TAY LA CHOUETTE EFFRAIE
SECOURISTE DE Y'BECCA

Hypérion
Cassini fournit les premières observations détaillées d'Hypérion, le plus grand des satellites irréguliers (non sphérique) du système solaire. Voyager II, qui l'avait survolé en 1981 à grande distance, avait toutefois permis de dresser un premier portrait de cette lune en forme de patate (410 × 260 × 220 kilomètres) couverte de cratères profonds et avec un axe de rotation chaotique résultant sans doute de la destruction d'un corps céleste d'une taille plus importante. Les photos spectaculaires prises par Cassini montrent un monde évoquant une éponge. Les cratères très profonds, qui criblent sa surface pratiquement sans trace d'éjectas, sont liés sans doute à la très grande porosité et à la faible densité de la lune : le bombardement des météorites n'a pas éjecté les matériaux mais les a comprimés. Les parois des cratères sont brillantes trahissant la présence de glace d'eau. Le fond des cratères est par contre sombre et rougeâtre car la température très basse (−180 °C) a entraîné la sublimation des matériaux volatiles et l'accumulation de matériaux plus sombres. Selon une théorie controversée la profondeur exceptionnelle des cratères découlerait de la concentration des rayons solaires par le matériau sombre qui entraînerait à son tour la sublimation de la glace d'eau. L'excentricité de l'orbite de la lune serait entretenue par la proximité de Titan (260 000 km d'écart entre les orbites moyennes des deux lunes) avec laquelle Hypérion est en résonance orbitale. Le faible albédo (0,3) d'Hypérion serait dû à la présence de dioxyde de carbone et d'autres hydrocarbones dont du méthane échappé de Titan. Compte tenu de la faible densité mesurée de Hypérion (un peu plus de 0,5) celle-ci est sans doute constituée d'un empilement de corps plus petits que la gravité relativement faible n'a pas comprimé109.

Nouvelles lunes de Saturne
La mission Cassini-Huygens a permis de découvrir fin 2012 une dizaine de nouvelles lunes de petite taille (moins de 10 km de diamètre) qui sont venus à s'ajouter à la cinquantaine de lunes connues ou découvertes ces dernières années à l'aide de télescopes basés à Terre. Plusieurs d'entre elles ne portent à cette date qu'un numéro d'ordre provisoire en attendant des observations complémentaires confirmant leur existence110,111. En 2004 sont découverts Méthone (diamètre 1,6 km) et Pallène (3 km de diamètre) situées entre Mimas et Encelade et formant le sous-groupe des Alcyonides112,111 ainsi que Pollux (3 km de diamètre) qui partage l'orbite de Dioné autour du point de Lagrange arrière L5 de Saturne113. Daphnis (8 km de diamètre) découverte en 2005 est, après Pan (26 km), le second satellite par la taille circulant dans les anneaux de Saturne. Il est à l'origine de la division de Keeler (42 km de large) qui divise l'anneau A de Saturne tout près de sa périphérie et au-delà de la Division d'Encke. Son passage déblaie la division mais son champ de gravité génère également des vagues à l'intérieur de l'anneau A sur plusieurs centaines de kilomètres de profondeur, comme le montrent les clichés pris par Cassini114,115. En 2007, l'équipe d'imagerie de Cassini a découvert Anthée une lune de 2 km de diamètre située comme Méthone et Pallène entre Mimas et Encelade116. Égéon, découverte en 2008 et d'un diamètre de 500 mètres, circule dans l'anneau G sans doute formé par des débris éjectés par les collisions affectant cette lune117.

Vérification de la théorie de la relativité générale

Vue d'artiste des effets de la théorie de la relativité.
Le 10 octobre 2003, l'astrophysicien italien Bruno Bertotti de l'université de Pavie et ses collègues Luciano Iess de l'université de Rome « La Sapienza » et Paolo Tortora de l'université de Bologne ont présenté les résultats du test de la théorie de la relativité d'Einstein que la sonde Cassini avait effectué l'année précédente. Durant l'été 2002, la Terre, le Soleil et la sonde Cassini-Huygens ont été exactement alignés, le Soleil se trouvant entre la Terre et la sonde. Lors des communications avec la sonde et grâce à l'antenne de quatre mètres de diamètre de celle-ci ainsi qu'à la nouvelle station au sol du NASA Deep Space Network à Goldstone en Californie, l'équipe d'astrophysiciens italiens a pu observer un glissement de fréquence dans les ondes radio reçues par et émises depuis Cassini-Huygens, lorsque celles-ci voyageaient à proximité du Soleil. D'après la théorie de la relativité générale, un objet massif tel que le Soleil est censé courber l'espace-temps autour de lui. Ainsi, un rayon lumineux ou une onde radio qui passe à proximité de l'étoile doit parcourir une distance plus grande à cause de cette courbure. Ce surplus de distance qu'ont dû parcourir les ondes émises par la sonde pour atteindre la Terre a retardé leur réception et ce retard a pu être mesuré et quantifié et a permis de vérifier la théorie avec une précision cinquante fois supérieure à celle des expériences précédentes effectuées avec les sondes Viking.

Bien que des déviations par rapport à la relativité générale soient prévues par certains modèles cosmologiques, aucune n'a été observée dans cette expérience. Les mesures effectuées se sont trouvées en accord avec la théorie avec une précision de l'ordre de 1 sur 50 000118,119.

RAPPORT DU
Le Bureau des Sciences spatiales du Conseil National de la Recherche.

Le cygne et la chouette effraie, TAY...

"Ils jacassent... Pauvre petit... Le fermier est vraiment cruel de plus les nourrir
à l'OGM et à la Disette..." Chante le Cygne.

"Pourtant tout comme le vieux coq, le fermier possède ses graines d'orges et de froment.
Les allocations d'autonomie inspiré de la relation entre Jésus et Marie-Madeleine,
entre Mohamed et les femmes, entre Zarathoustra et l'Ivresse, entre Jacob et Esaü
pour lui permettre de rechercher, de découvrir et de proposer; j'y avais consenti
tout en montrant les Ethniques et les éthiques de la vie auquel ces différents personnages
se sont livrés tout comme Jean Maris et Jean Cocteau ont établis leurs consciences propre
sur le respect de leurs liaisons... Plus que Progressiste, j'ai été Universel..."

"Et pour moi..." chante le cygne. L'épidémie régnait sur le peuple des canards. Et les abatages
tel des sainte Barthélémy se faisait grande sous les règnes de Jospin, Le Foll et Macron.

"Pour trompette de Jéricho, je te réponds que la famine est aux portes des mondes...
Alors ils stockent voilà les restes de Consciences et d'Humanisme qu'ils nous restent:
Les Cellules souches, Les spermatozoïdes, les ovaires, les Graines, Les Adn's, On stocke...
Tel une décharge qui rentre et qui désosse voilà notre conscience et nos humanismes devant
la Famine, L'Homicide et le Savoir, On stocke et on le revends en incriminant la Nature
pour soulager Le Damné et sa conscience: Emmanuel et Marion...

"Qui ?" trompette le Cygne Claude.
"Personne et Tous ! Mieux que tous : Marion et Emmanuel". Claironne TAY
"Pauvre Chapon... Tu hulules à l'instant où l'on te conduit à la boucherie sans le plaisir
de l'aile et la cuisse." réponds Le Cygne Claude.
" Ce n’est pas vrai... Ils entendent !" Chante TAY la chouette effraie...
"ET QUI et QUOI...? dit Le Cygne Claude.

"Et bien rien justement, ceux qu'ils s’appellent les veaux, les agneaux, les chèvres, les chiennes,
les catherinettes, les orphelins et Benjamin l’Âne... Tu ne peux oublier que les chapons
ont une bravoure et elle s'appelle la paternité... Aux regards de L'Histoire de la Conscience;
La révolution n'est qu'une pâle figure devant l'adversité et le tempérament du peuple agricole et
des pécheurs, premiers piliers de l’Évolution et de la conscience."

"L’arrière salle, le liquide et le paiement." réponds une jeune fille du Marché Saint Cyprien sous le
regard de ses dragonnes et de son berger.

"DE QUI PARLES TU, JEUNE FILLE" Répondent les deux Grognards, TAY ET Claude

"LA LÉGENDE DE LA PRAIRIE DES FILTRES... LE CLANS DES MOUETTES... LES CRUSTACÉS
Sans légion d'honneur, je vous parle de ma grossesse et de ma maternité..." Dit la jeune fille
aux bonnet phrygien accompagné de ses dragonnes et de son berger...

FABLE SUR LA RÉALITÉ
DU CITOYEN TIGNARD YANIS