Un nouveau regard sur la Terre

Pas d’anaglyphe de stéréovision ou de vision en relief ici… Après la série d’articles sur l’exploit de la mission Rosetta et l’atterrissage de Philae sur la comète, il est temps de se tourner vers la Terre. Avant de rejoindre notre orbite habituelle à quelques centaines de kilomètres d’altitude, l’actualité récente m’a donné envie de vous montrer quelques images prises à plus grande distance par des sondes spatiales et qui permettent de voir simultanément la Terre et la Lune sur la même image.

Double-cheese : souriez deux fois, vous êtes filmés deux fois…

Parmi ces exemples, Rosetta, Messenger, Mars Global Surveyor ou Cassini-Huygens. C’est le succès de mission chinoise Chang’e-5T 1 qui m’a donnée l’idée de cet article et la première image a donc été prise par cette sonde. Le 28 octobre 2014, elle passait au plus près de la Lune, à environ 12000 km d’altitude, avec la Terre à l’arrière-plan. Cela vous rappelle un peu « Earth Rise » et Apollo 8. Moi aussi…

La Lune et la Terre sur une même image. Photographie prise par la sonde
Chang’e-5T 1 le 27 octobre 2014. Crédit image : China Space Administration of Science,
Technology and Industry for National Defence

Pas un pékin dans la mer de Moscou : deux russes

C’est étonnant mais on voit donc ici la face cachée de la Lune. La zone sombre au centre de la Lune est Mare Moscoviense. Rien à voir avec Pierre Moscovici, notre ancien ministre de l’économie et des finances, devenu commissaire européen aux Affaires économiques et monétaires, à la Fiscalité et à l'Union douanière au sein la commission Juncker, pratiquement le jour où la photo de la Lune a été prise. C’est la mer de Moscou, une des rares mers de la face cachée de la Lune. Pour fixer les idées, elle a un diamètre d’environ 280 kilomètres. A l’intérieur, on distingue avec un peu d’attention les deux cratères baptisés en l’honneur des cosmonautes Komarov (décédé en avril 1967 pendant le crash du vaisseau Soyouz 1 à cause des parachutes en torche) et Titov (le deuxième cosmonaute à effectuer un vol orbital à bord de Vostok 2 et premier à souffrir du mal de l’espace).

Une séparation et une rentrée réussies

Après avoir d’abord posé un lapin, le nouveau rendez-vous était toujours aussi réussi : le 31 octobre 2014, la capsule de rentrée « Xiaofei » se séparait à 21h53 UTC du module de service et atterrissait en douceur à 22h42 UTC au nord de la Chine, en Mongolie intérieure (comté chinois de Siziwang Banner).

Octobre rouge

Une mission principale parfaitement réussie qui confirme que, étape après étape, la Chine concrétise son programme spatial ambitieux : lancée le 23 octobre à 18h00 UTC par une fusée Longue marche 3C/E (Chang-Zheng), l’objectif de Chang’e-5T 1 était de préparer une future mission de retour d’échantillons prélevés sur la Lune. La mission devait démontrer en particulier la maîtrise de la technique de rentrée atmosphérique à haute vitesse (11 km/s), inspirée de la méthode russe dite « SKIP » (un petit rebond avec un angle d’attaque très précis sur les hautes couches de l’atmosphère pour dissiper l’énergie).

Objectif Lune : on repart

Le module de service ne rentrait pas sur Terre : une longue impulsion (12 minutes) de son moteur principal (490 N de poussée), correspondant à un changement de vitesse de 180 m/s, lui a permis d’éviter de rentrer dans l’atmosphère terrestre et l’a remis sur une orbite très elliptique avec un apogée au-delà de la Lune.

En route, il a également pris une photographie du couple Terre-Lune, avec cette fois-ci la Terre au premier plan… Si on peut parler de premier plan : au moment où la caméra du module de service immortalise notre planète et son satellite, le vaisseau spatial Chang’e-5T 1 est à 540.000 kilomètres de la Terre et à 920.000 kilomètres de la Lune. L’image de la Terre est centrée sur l’équateur et l’océan indien. On repère facilement la corne de l’Afrique, Madagascar et l’Australie.

De l’autre côté… La Lune et la Terre toujours sur une même image. Photographie prise par la
sonde Chang’e-5T 1 le 2 novembre 2014 à 8h00 UTC. Crédit image : CCTV/CASC

Selon les informations communiquées par la Chine, Chang’e-5T 1 a été mis temporairement au point de Lagrange L2 du système Terre-Lune (EM-L2), à environ 64500 km de la Lune, en attente de nouvelles manœuvres autour de la Lune, toujours destinées à préparer les futures missions lunaires chinoises.

Par comparaison, le point de Lagrange L2 du système Soleil-Terre, là où opère actuellement la mission européenne Gaia ou bientôt le JWST (James Webb Space Telescope) est à 1 500 000 km de la Terre dans la direction opposée au soleil.

Philae a rebondi. Rosetta aussi !

Revenons à Rosetta… Vous avez suivi les rebonds de Philae. Saviez-vous que Rosetta avait également « rebondi » au cours de sa longue course vers la comète : une fois sur Mars. Trois fois sur la Terre. Le terme « rebond » n’est pas tout à fait le "bond" : on doit plutôt parler d’assistance gravitationnelle (ou swing-by en anglais), ou encore d'effet de fronde, à savoir l'utilisation de l'attraction d'un corps céleste (une planète en général) pour modifier la valeur et la direction de la vitesse d’un véhicule spatial. Il s’agit de réduire la quantité de carburant utilisé par un moteur fusée pour obtenir le même effet.

Le mot « rebond » permet quand même de rappeler que, comme dans un choc, les manœuvres d’assistance gravitationnelle respectent un principe important de la physique : la conservation de l’énergie totale du système. La sonde « emprunte » ou « apporte » un peu de vitesse à la planète. En proportion du rapport de masse de la sonde et de la planète… Le changement de vitesse de la sonde est significatif, alors que celui à la planète reste négligeable. Envoyez une balle de tennis rebondir contre une lourde porte qui se ferme rapidement : vous aurez une bonne analogie. Plus simplement, l’assistance gravitationnelle peut être illustrée simplement avec deux billes, une grosse et une petite, roulant un tissu tendu sur une bassine… Cette deuxième analogie montre bien le changement de direction du vecteur vitesse du fait de la force de gravitation mais elle ne permet pas de comprendre le rôle essentiel du mouvement de la planète.

Toutes les missions spatiales à destination des corps célestes éloignés de la Terre utilisent cette technique qui fait le bonheur des ingénieurs en mécanique spatiale, frustrés de ne plus trouver de flippers ou de billards dans les cafés et les bars.

Coniques de répétition : ça va swinguer !

Avant de s’intéresser aux détours autour de Mars et de la Terre de Rosetta, revenons aux mois qui suivent son lancement par Ariane 5 le 2 mars 2004.

Dix ans avant de rejoindre la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, début août 2004, la sonde Rosetta est à 70 millions de kilomètres de la Terre. La caméra de navigation NAVCAM est utilisée à l’occasion de tests du système de navigation et fournit également une image du couple Terre-Lune.

La terre et la Lune vues par la caméra NAVCAM de la sonde Rosetta en août 2004. La sonde est
alors à 70 millions de kilomètres de la Terre. Crédit image : ESA (Agence spatiale Européenne)

C’est petit ? C’est normal, c’est pris de très loin… C’est surexposé ? C’est normal aussi : la caméra Navcam est un viseur d’étoiles (Star Tracker), un système qui détecte les étoiles pour aider le système de navigation d’un satellite ou d’une sonde à se repérer comme le faisaient les anciens marins (ou plus récemment les astronautes des missions Apollo) avec leurs sextants. On cherche à détecter des étoiles peu lumineuses par rapport à la Terre et la Lune qui apparaissent ici très blanches en raison de la grande sensibilité de la caméra NAVCAM. En cherchant un peu, vous verrez également des étoiles dans le champ de vision de l’instrument.

Une image similaire a été prise en mai 2010 par la sonde américaine MESSENGER à 183 millions de kilomètres de la Terre. Lancée le 3 août 2004, pratiquement le jour où Rosetta prenait l’image ci-dessus, MESSENGER est la première mission de la NASA vers Mercure après Mariner 10 au milieu des années 70. MESSENGER signifie « Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and Ranging ». On pourrait presque parler de sérendipité, une découverte accidentelle : la sonde de la NASA cherchait alors à détecter, sans succès jusqu’à présent, des vulcanoïdes, des astéroïdes en orbite autour du soleil en deçà de l’orbite de Mercure.

La Terre et la Lune vues par la caméra WAC (Wide Angle Camera) de la sonde américaine MESSENGER
le 6 mai 2010. Crédit image : NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory /
Carnegie Institution of Washington

Cela reste d’actualité : le 20 novembre 2014, au cours d’une cérémonie à la maison blanche, Barack Obama a remis Sean Solomon, le PI (Principal Investigator) de la mission MESSENGER, la médaille nationale de la science (National Medal of Science).

18 mois avant MESSENGER, en mai 2003, la sonde Mars Global Surveyor, en orbite autour de Mars, a été témoin d’un alignement de la Terre, à 139 millions de kilomètres, et de Jupiter, à environ 1 milliard de kilomètres.

En pratique, de différences de distance entraînent des différences de magnitude qui ne permettent pas de faire une image unique avec les mêmes réglages.

En haut, mosaïque d’images montrant Jupiter, la Terre et la Lune vus depuis l’orbite de la planète
Mars. En bas, Callisto, Ganymède et Europe, trois des quatre lunes de Jupiter. Io est caché par Jupiter.
Images prises par la caméra MOC (Mars Orbiter Camera) de la sonde Mars Glogal Surveyor le 8 mai
2003 à 13h00 UTC. Crédit image : NASA / JPL / Malin Space Science Systems

C’est donc une mosaïque d’images qui est présentée ici, avec un traitement de correction de contraste et une colorisation des images : la caméra MOC prend des images en noir et blanc. Les couleurs proviennent d’images de Mariner 10 et de Cassini-Huygens. Impressionnant mais cependant avec beaucoup de traitement d’image derrière…

En 2005, Rosetta revient vers la Terre puis repart

Revenons à Rosetta et à l’assistance gravitationnelle. Un an après son lancement, la trajectoire de Rosetta la ramène vers la Terre pour effectuer la première des trois assistances gravitationnelles autour de la Terre. Une autre assistance gravitationnelle autour de mars a également lieu le 25 février 2007 et donne lieu au « selfie » de Rosetta déjà publié sur le blog Un autre regard sur la Terre.

Rosetta passe au plus près de la planète bleue le 4 mars 2005 à 22:09:14 UTC, à 1954 kilomètres d’altitude et à une vitesse de 38000 km/h. L’augmentation de vitesse est de 3,797 km/s.

L’image suivante a été prise 3 minutes plus tôt et nous montre un beau lever de Lune au-dessus de l’océan Pacifique au large du Mexique. L’image originale a un format de 1024 x 1024 pixels et couvre un champ de 5° de côté. L’image présentée ici a été un peu améliorée en corrigeant des effets de bandes sur le fond noir et avec une légère amélioration de contraste.

La Terre et la Lune vues par Rosetta : Un lever de lune au-dessus de l’océan Pacifique.
Image prise la caméra Navcam de Rosetta le 4 mars 2005 à 22h06 UTC.
Crédit image : ESA (Agence Spatiale Européenne)

En plus de l’accélération de la sonde, cette manœuvre de swing-by a été immédiatement suivie le 5 mars pendant 9 heures d’un test des instruments de Rosetta en vue des futurs survols d’astéroïdes. La caméra de Navigation a été pointée en permanence vers la Lune qui servait de cible.

En 2009, Rosetta n’a pas rendez-vous avec la Lune

Rosetta préfère faire la Java… La dernière assistance gravitationnelle, la 3ème autour de la Terre, est effectuée le 13 Novembre 2009 : Rosetta survole le sud de l’île de Java à 2481 km d’altitude à 13,34 km/s et augmente encore sa vitesse de 3,6 km/s. A nouveau, des images de la Terre sont prises mais cette fois-ci la lune n’est pas au rendez-vous.

Les deux images suivantes sont des exemples extraits d’une série d’images acquises avant, pendant et après le passage au plus près. Dans le montage ci-dessous, j’ai mis à la Terre à la même taille mais sur l’image d’origine, les détails visibles à droite sont environ deux fois plus fins que sur l’image de gauche. Les couleurs sont obtenues à la prise de vue par une roue à filtres colorés. On combine ensuite les différentes bandes spectrales acquises successivement.

A gauche, image de la Terre vue à 633000 km de distance par la caméra OSIRIS de Rosetta
le 12 novembre 2009 à 12:28 UTC. A droite, la Terre toujours vue par la caméra OSIRIS le 15
novembre 2009 à 21:28 UTC : au-dessus de l’antarctique un croissant de terre gelée
illuminé par le soleil. Rosetta est alors à 350000 km de la Terre.
Crédit image : ESA - MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/UPM/DASP/IDA

Au cours de l’assistance gravitationnelle de 2007, la caméra OSIRIS de Rosetta avait pris des images de la Terre pendant la nuit. On voit les villes éclairées et on reconnaît la vallée et le delta du Nil. Facile pour OSIRIS, la caméra à très grande sensibilité…

L’Europe et le nord de l’Afrique avec les lumières des villes pendant la nuit. Extrait d’une image
prise par Rosetta en novembre 2007. Crédit image : ESA

Asteroïdes et Obeloïdes à Lutèce

Pendant son tour de Gaule, Astérix passe à Lutèce. De même, au cours de sa longue course vers la comète 67P Churyumov-Gerasimenko, après l’astéroïde (2867) Steins en septembre 2008, Rosetta finit par survoler Lutèce, alias (21) Lutetia. Dans les deux cas, ces survols permettent de collecter des mesures sur ces astéroïdes de la ceinture principale. Au plus près, Rosetta est passé à 3170 km de Lutetia et à 800 km de Steins.

En abolissant les astéroïdes…

Ces survols sont aussi l’occasion de préparer l’étape finale de la mission. Lutetia est gros (132 × 101 × 76 km) mais Steins a des dimensions comparables à celles de la comète 67P.

Voici une image de Lutèce prise à nouveau par la caméra OSIRIS de Rosetta le 10 juillet 2010 alors que Rosetta est à 36000 km de l’astéroïde. L’image est surtout spectaculaire parce qu’on peut voir Saturne et ses anneaux à l’arrière-plan.

L’astéroïde (21) Lutetia avec la planète Saturne à l’arrière-plan. Image prise par la caméra OSIRIS
à champ étroit de Rosetta le 10 juillet 2010. Crédit image : ESA MPS for OSIRIS Team
MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/UPM/DASP/IDA

LRO : elle a l’air haut…

Vous avez lu l’article sur le remake du lever de Terre photographié par les astronautes d’Apollo 8 juste avant noël 1968. Normalement, la sonde américaine Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) tourne ses cameras vers la surface de la Lune.

En mai 2014 (pas mai 68), les ingénieurs en charge des opérations à la NASA ont fait une petite révolution : ils ont visé la Terre pour immortaliser un bel alignement Lune – Terre – Mars.

La Terre et la planète Mars vues depuis l’orbite de la Lune par la sonde LRO. Image prise
le 24 mai 2014. Crédit image : NASA

Au moment où l’image est prise, la terre est à près de 377 000 kilomètres de LRO et Mars à 112,5 millions de kilomètres, 300 fois plus loin. Néanmoins, la planète rouge, en noir et blanc, occupe quelques pixels sur cette image. Ici aussi, le contraste a été modifié pour mieux voir Mars.

Par Jupiter !

La vidéo suivante illustre la combinaison des mouvements de la Lune autour de la Terre et du mouvement du vaisseau spatial. Elle a été réalisée à partir d’une série d’images prises en octobre 2013 par la sonde américaine Juno, lancée en août 2011 pour atteindre Jupiter en juillet 2016. Comme Rosetta, Juno a, utilisé l’assistance gravitationnelle de la Terre.

Le survol de la Terre par la sonde américaine Juno en octobre 2013.
Crédit image : NASA JPL /Caltech / Marlin Space Science Systems.

On repart sur Mars…

Saviez-vous que Rosetta avait un faux-jumeau ? C’est Mars Express. On en parle moins que Rosetta mais cette mission scientifique de l’ESA a produit et continue à produire des résultats scientifiques de grande valeur.

Pour limiter les coûts et réduire les délais de développement, la sonde Mars Express, développée par Airbus Defence and Space, reprend une partie de l’architecture de Rosetta. Comme Rosetta avec Philae, Mars Express emporte aussi son passager : l’atterrisseur Beagle 2 (qui n'a plus donné signe de vie après sa séparation de Mars Express).

Autre similitude : des scientifiques français sont responsables de plusieurs instruments, comme par exemple l’équipe de Jean-Pierre Bibring à l'Institut d'astrophysique spatiale d'Orsay en charge d’OMEGA, un spectromètre destiné à étudier la composition de la surface de Mars et de son atmosphère.

Mars Express est lancée le 2 juin 2003 depuis Baïkonour par une fusée Soyouz équipée d’un étage Fregat. L’image suivante a été prise un mois plus tard par la caméra stéréo HRSC ((High Resolution Stereo Camera) développée par le DLR et l’Université de Berlin. Elle a été prise à l’occasion de tests de bon fonctionnement des instruments de Mars Express. La sonde en route vers Mars est alors à une distance de 8 millions de kilomètres de la Terre, la grande banlieue… En orbite autour de Mars, HRSC permet de voir des détails de 2 mètres en couleurs naturelles.

La Terre et la Lune vue par la camera HRSC de Mars Express le 3 juillet 2003.
Crédit image : ESA

Saturne : le seigneur des anneaux

Pour terminer cet article avant une indigestion d’images, voici en guise de final une très belle image prise par la sonde Cassini-Huygens, lancée en 1997, dans le cadre d’une coopération entre la NASA, l’ESA et l’Agence Spatiale Italienne (ASI).

En plus des détails des superbes anneaux de Saturne, on a ici la totale ou presque à condition de regarder l’image avec un peu d’attention : on peut voir également les satellites de Saturne et trois autres planètes : la Terre, Venus et Mars !

Seul petit bémol : c’est une mosaïque d’images : l’équipe Cassini de la NASA au JPL a assemblé 141 images pour créer un panorama couvrant 652 000 kilomètres.

Mosaïque d’images prises le 19 juillet 2013 par la sonde Cassini montrant Saturne, ses anneaux
et ses satellites, la Terre, Mars et Vénus. Les deux images du haut soint légendées. Celle du bas
est un extrait centré sur la Terre.Crédit image : NASA

Vous vous souvenez de la sonde Voyager et le « pale blue dot » cher à Carl Sagan ? Ici, la Terre est aussi un petit point bleu en bas à droite de l’image. Venus, en bleu également et Mars, avec une dominante rouge comme il se doit, sont plus difficile à trouver en haut à gauche. Sept satellites de Saturne sont « visibles », à condition d’y passer un peu de temps.

C’est fini pour aujourd’hui. Vous trouverez d’autres images surprenantes en cherchant un peu avec Google. J’ai juste retenu ici quelques liens intéressants mais il y en a beaucoup d’autres…

En savoir plus :

Les autres articles du blog Un autre regard sur la Terre :
- dans la catégorie "satellites insolites".
- dans la catégorie "loin de la Terre".
- dans la catégorie "ailleurs dans l'espace"
Un article sur la mission Voyager et une image prise il y a 37 ans.
Un article sur "Earth Rise" et le remake de la mission Apollo 8.
Sur le site planetary.org, d’autres images de la Terre vue depuis l’espace par des sondes spatiales.
“Rosetta Navigation at its first Earth Swing-by”, un papier de Trevor Morley et Frank Budnik (ESA / ESOC) présenté pendant la 25ème conférence ISTS (International Symposium on Space Technology and Science) à Kanazawa (Japon) en 2006.
Sur le site spaceflight101.com, un article très complet sur la mission Change-5T.
Sur le site du CNES, une animation sur la trajectoire de Rosetta.

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