Ces "joyaux spatiaux" qui dévoilent les secrets du système solaire

Dante Lauretta se prépare avec sérénité à vivre les dix-sept secondes pour lesquelles il travaille depuis seize ans. 

Planétologue à l’université de l’Arizona, Dante Lauretta scrute, médusé, l’écran qui offre trois vues simulées d’un objet rocheux flottant dans une mer d’étoiles –l’astéroïde 101955 Bennu. C’est à Littleton (Colorado), dans un bâtiment qui évoque un immeuble de bureaux. Mais les autocollants d’engins spatiaux ornant les murs et les panneaux surmontant chaque poste de travail (« Électricité », « Guidage », « Télécommu­nications », « Navigation et Contrôle ») révèlent sa véritable fonction : le contrôle des missions de Lockheed Martin Space.

Il est 13 h 49, en ce 20 octobre 2020, et l’écran montre Bennu au milieu d’un cercle vert repré­sentant l’orbite d’un engin de la Nasa au nom évocateur : Origines, Interprétation des Spectres, Détermination des Ressources, Sécurité–Explo­rateur de Régolithe (ou OSIRIS­REx). Dans moins de trois heures, cet émissaire robotisé tentera de se poser sur Bennu et, si tout se passe bien, de piéger un échantillon de poussière et de roche extraterrestres pour le rapporter sur la Terre.

Lancé en 2016, OSIRIS­-REx a dû tourner deux fois autour du Soleil pour rattraper Bennu, alors distant de plus de 300 000 000 km de la Terre. Large d’environ 500 m, l’astéroïde présente une surface si accidentée que l’équipe de Lauretta a passé un an à la cartographier pour trouver un point sûr où poser cette mission à 1 milliard de dollars.

Pourtant, Lauretta semble paisible. « Le vaisseau spatial est vraiment de bonne humeur, aujourd’hui », m’assure­-t-­il.

Mais pourquoi déployer tant d’efforts pour 2 kg de poussière et de graviers ? D’abord, les élé­ments constitutifs de l’astéroïde se sont formés aux premiers temps du système solaire, il y a plus de 4,5 milliards d’années. Ces roches, qui recèle­raient du carbone, sont des témoins inaltérés de la façon dont les planètes se sont constituées, voire de l’origine des matériaux ayant présidé à l’apparition de la vie sur Terre. « Scientifique­ment, affirme Lauretta, c’est un véritable filon. »

Ensuite, Bennu s’approche assez de nous pour qu’existe un risque (faible, mais réel : 1 chance sur 2 700) qu’il entre en collision avec la Terre entre 2175 et 2199, selon les astronomes. Les échantillons rapportés par OSIRIS­-REx pour­raient se révéler cruciaux pour concevoir une bonne défense contre un impact susceptible de libérer plus de 2 millions de fois l’énergie de l’explosion qui a secoué Beyrouth il y a un an.

Plus largement, Bennu et OSIRIS­-REx symbo­lisent deux révolutions parallèles de l’astronomie moderne, bouleversant nos conceptions du système solaire. Les télescopes actuels détectent plus de petits objets peu lumineux que jamais. Les astronomes peuvent ainsi inventorier la population cosmique qui entoure les huit pla­nètes du système solaire. Il y a vingt ans, nous connaissions environ 100 000 corps célestes en orbite autour du Soleil. Début 2021, nous en avions répertorié un peu plus de 1 million.

Dans le même temps, les agences spatiales du monde entier ont conçu les outils et les techno­logies pour explorer ces mondes, voire pour en rapporter des éléments sur la Terre à fin d’étude. Les enjeux sont loin d’être théoriques.

L’architecture du système solaire que nous avons tous apprise à l’école semble logique. Mais les astronomes et les planétologues se doutent depuis des décennies que quelque chose cloche.

Il est extrêmement ardu d’expliquer comment Uranus et Neptune ont pu se former là où elles orbitent aujourd’hui. De plus, des types de pla­nètes parmi les plus courants autour des étoiles lointaines sont absents du système solaire. Et la Terre reste le seul refuge connu pour la vie.

Alors, comment expliquer avec précision la façon dont le système solaire s’est retrouvé dans cette situation – et la façon dont la vie y est née ?

On a longtemps considéré les petits corps tels que Bennu comme de simples résidus du proces­sus de formation des planètes. Un grand nombre d’entre eux sont pourtant comme des capsules temporelles, témoins quasi inchangés depuis la naissance du Soleil. En surveillant et en visitant ces mondes primordiaux, nous avons enfin la possibilité de voir d’où nous venons et, peut­ être, d’empêcher ces objets de nous détruire.

Un petit objet céleste désigne tout corps naturel en orbite autour du Soleil qui n’est ni une planète, ni une planète naine, ni un satellite. Depuis des millénaires, les civilisations du monde entier ont repéré comètes et météores dans le ciel nocturne, et y ont associé d’impor­tants présages. Mais il n’était guère possible d’en savoir davantage, car ces petits corps reflètent très peu la lumière du Soleil. Ils sont donc diffi­ciles à détecter dans le noir de l’espace.

À l’aube du xxe siècle, les astronomes avaient repéré environ 500 astéroïdes en orbite autour du Soleil – le premier fut la planète naine Cérès, dès 1801. Le rythme des découvertes s’est réel­lement accéléré dans les années 1980 et 1990, avec des télescopes plus perfectionnés.

En 1992 a été décelé le premier objet céleste (en dehors de Pluton et de l’un de ses satellites) situé au­delà de l’orbite de Neptune. Cela venait confirmer les théories relatives à la zone externe du système solaire désormais appelée ceinture de Kuiper. Aujourd’hui, les astronomes savent que des milliers (voire des centaines de milliers) de corps glacés parsèment la région.

Une date­ clé est le 11 mars 1998. Ce jour­-là, le Minor Planet Center, l’organisme international officiel qui recense les orbites de tous les asté­roïdes et de toutes les comètes, a publié un com­muniqué inquiétant : un astéroïde découvert en décembre 1997 allait s’approcher à moins de 42 000 km de la surface de la Terre en 2028. Et il existait un petit risque qu’il frappe la planète. Or, quelques années plus tôt, des géologues avaient identifié le cratère laissé par l’astéroïde ayant percuté la Terre il y a 66 millions d’années, tuant tous les dinosaures sauf les oiseaux.

Alors les astronomes ont aussitôt revérifié les calculs. Dès le 12 mars, Don Yeomans et Paul Chodas, de la Nasa, estimaient que l’astéroïde passerait à 960 000 km au large de la Terre. Ouf ! Ce branle­bas avait toutefois sonné l’alerte sur le peu de moyens mis à disposition des chas­seurs d’astéroïdes dangereux.

En mai 1998, le Congrès des États­Unis a enjoint à la Nasa de trouver en dix ans au moins 90 % des astéroïdes larges de plus de 1 km qui s’approcheraient à 195 000 000 km ou moins du Soleil. Dès juillet, la Nasa mettait en place un organisme chargé de superviser cette tâche.

Les astronomes disposaient aussi de la techno­logie idoine. À la fin des années 1990, les capteurs photographiques numériques étaient devenus assez grands et sensibles pour surpasser les mas­sives plaques de verre utilisées depuis des décen­nies pour prendre des images du ciel nocturne.

Les télescopes étaient soudain capables de voir des objets plus petits, moins lumineux et plus éloignés. Et, les données étant numériques, les chercheurs pouvaient les analyser à l’aide de logiciels, ce qui simplifiait le processus.

L’astronome Mike Brown a vécu en direct les avancées ultérieures. En 2002, lui et son équipe ont perfectionné le télescope de l’observatoire Palomar (Californie), large de 1,2 m, y adjoignant une grande caméra numérique. L’instrument a été orienté vers la ceinture de Kuiper (au­-delà de Neptune), en quête d’objets plus gros et bril­lants que les quelques centaines de corps déjà connus dans la zone. Et l’équipe a commencé à en découvrir tant, se rappelle Brown, que « j’avais l’impression que les choses tombaient du ciel ».

Parmi les découvertes de Brown : trois objets, chacun d’au moins la moitié de la taille de Pluton, et un autre qui était plus gros, nommé Éris. C’est ainsi qu’en 2006, l’Union astronomique interna­tionale a voté la création de la catégorie des « pla­nètes naines », dont Pluton fait désormais partie.

Depuis lors, les astronomes ont décelé encore plus d’objets au­-delà de Neptune – et ont décou­vert à quel point ceux-­ci suivent des trajectoires diverses autour du Soleil. Certains affichent des orbites stables et prévisibles, ce qui semble indi­quer qu’ils se sont formés là où ils se trouvent aujourd’hui. D’autres ont été dispersés sur des orbites erratiques par la gravité de Neptune.

Et puis, quelques rares objets ont des orbites si éloignées et allongées autour du Soleil que, sans doute, ils ne sont soumis à l’attraction gra­vitationnelle d’aucune planète connue.

Ces petits corps « sans attaches » se conduisent de façon très bizarre. Au point que Brown et cer­tains astronomes soupçonnent qu’ils trahissent la présence d’une planète invisible. Celle­-ci, plu­sieurs fois plus massive que la Terre, se tapirait à des dizaines de milliards de kilomètres du Soleil. Cependant, pour vraiment commencer à com­pléter le puzzle, les humains avaient besoin de rapporter des morceaux du cosmos sur la Terre.

À l'aube du 6 décembre 2020, l’hélicoptère de Shogo Tachibana s’est posé dans la zone interdite de Woomera, en Australie, à environ 450 km au nord d’Adélaïde. Ce matin­-là, le site a servi de terrain d’atterrissage à un engin spa­tial revenant d’un astéroïde. Shogo Tachibana, de l’université de Tokyo, et son équipe devaient retrouver la capsule, large de 40 cm. C’était seulement la deuxième fois qu’étaient livrés sur la Terre de la poussière et des cailloux inaltérés venus de l’espace – et presque aussi anciens que le Soleil lui­même.

La première fois remontait à 2005 : la mission Hayabusa avait eu rendez­-vous avec l’astéroïde 25143 Itokawa. Hélas, la manœuvre de prélève­ment ne s’était pas déroulée comme prévu. Une capsule ne rapportant que quelques grains de poussière avait atterri en 2010 à Woomera.

Puis, en 2014, Hayabusa2 avait décollé pour l’astéroïde géocroiseur (dont l’orbite croise celle de la Terre) 162173 Ryugu. L’engin spatial était rempli d’instruments scientifiques, d’un atter­risseur, de trois rovers, d’un impacteur conçu pour créer un cratère artificiel, ainsi que d’une caméra amovible, afin de filmer le choc créé par l’impacteur. Et Hayabusa2 avait atteint son but : se poser deux fois sur Ryugu, tirer un projectile sur sa surface et collecter la poussière générée par la collision. Désormais, 5,4 g de grains de matière et de cailloux d’une noirceur saisissante, issus de Ryugu, sont conservés dans un labora­toire des environs de Tokyo.

Avant de telles missions, les scientifiques se servaient des météorites tombées sur la Terre pour étudier l’origine du système solaire. Les analyses indiquaient que certaines provenaient d’astéroïdes recelant une quantité surprenante de minéraux contenant de l’eau, ainsi que les types de composés chimiques carbonés pouvant générer certains éléments constitutifs de la vie.

Mais il y avait un hic. Une météorite n’est pas totalement vierge. Elle nous arrive seulement après une brûlante traversée de l’atmosphère.

Visiter des astéroïdes dans l’espace et y préle­ver des échantillons pourrait aider à résoudre un mystère persistant : comment la surface de la Terre est­-elle devenue une oasis de vie, alors que la planète s’est formée si près du Soleil ?

Notre planète est née voilà plus de 4,5 mil­liards d’années. Elle a connu une jeunesse torride et infernale. Pourtant, nous sommes là, sur notre petit point désormais bleu pâle, havre biologique dépendant de l’eau et du carbone.

Quand la Terre s’est formée, le système solaire interne était un four. Cependant, des recherches suggèrent que les éléments qui ont constitué la planète ont pu contenir assez d’hydrogène pour être à l’origine d’une grande partie de son eau. Les météorites et les cratères d’impact dans tout le système solaire indiquent toutefois une autre source d’apport d’eau : les bombardements par des astéroïdes et des comètes. Jusqu’à présent, les missions envoyées vers les petits corps ont fourni des indices prometteurs quant à l’influence stimulatrice de ces anciens impacts sur la chimie prébiotique (d’avant la vie) de la Terre.

Les 1 500 particules d’Itokawa rapportées par la première mission Hayabusa le montrent : les minéraux de l’astéroïde recèlent une eau qui paraît assez proche de celle de la Terre sur le plan chimique. Quant à la mission Rosetta, de l’Agence spatiale européenne, entre 2014 et 2016, elle a été la première à placer un engin en orbite autour d’une comète et à y poser une sonde. Elle a révélé que jusqu’à un quart de la masse de la comète était constitué de molécules organiques formées par des processus non vivants.

Rosetta a aussi montré qu’une partie des maté­riaux ayant formé la Terre primitive étaient peut­-être très parfumés. Selon son profil chimique, la comète devait sentir un mélange toxique d’œufs pourris, de formaldéhyde et de relents gazeux d’écurie, avec un soupçon d’amande.

Les petits corps ne sont pas des acteurs secon­daires dans la saga de l’évolution de la Terre. Mais astéroïdes et comètes sont également des mondes en miniature, avec des terrains qui leur sont propres. Ces objets offrent une formidable diversité de formes, de tailles, et d’histoires.

« C’est comme si nous avions soudainement un million de nouveaux types de mondes à explorer », remarque Lindy Elkins­-Tanton, la chercheuse en chef d’une mission de la Nasa visant à explorer Psyché, un astéroïde étonnam­ment réfléchissant et sans doute métallique.

Les petits corps, au­-delà de leur composition, suivent des mouvements très divers. Cela trahit l’importance qu’ils ont revêtue dans l’élaboration du système planétaire abritant notre Terre natale.

Le même bâtiment du Colorado où se trouve le centre de contrôle de la mission OSIRIS­-REx abrite la salle caverneuse où les ingénieurs mettent sur pied d’autres missions de la Nasa. Parmi celles­-ci, une sorte de paléontologue robotisé qui partira bientôt vers Jupiter. Pour voir cet engin spatial, je me suis mis sur mon trente­-et­-un spatial, en octobre dernier : un masque et une combinaison intégrale mou­lante conçue pour éviter que mes vêtements et ma peau ne contaminent quoi que ce soit.

J’ai alors pénétré dans une immense salle sté­rile, couleur crème, où bourdonnait la ventilation. Hal Levison et Cathy Olkin, de l’Institut de recherche du Sud­-Ouest à Boulder, m’ont rejoint.

Levison, dont Olkin est l’adjointe, dirige la première mission d’exploration des astéroïdes troyens. Ces deux groupes d’objets primordiaux accompagnent Jupiter dans son orbite autour du Soleil – l’un précède la planète, l’autre la suit. Les deux chercheurs voient dans les troyens des fossiles du système solaire. Cathy Olkin a sug­géré de nommer la mission Lucy, d’après le célèbre squelette d’Australopithecus afarensis.

Je ne suis pas le seul à regarder l’engin spatial de près pour la première fois. C’est aussi le cas de Levison. Pendant notre visite, les ingénieurs qui assemblent Lucy vont tester un mécanisme crucial. Le regard de l’engin spatial devra rester fixé sur ses cibles pendant une série de survols à grande vitesse. Pour cela, les instruments de Lucy seront fixés à une plateforme, elle­-même montée sur le châssis de l’engin par un support de suspension à deux axes (un peu comme les stabilisateurs gyroscopiques des caméras).

L’ensemble de la mission repose sur ce seul membre robotique. S’il ne se déploie pas comme il le faut ou au bon moment, les instruments de Lucy risquent de recueillir des données floues – ou, pire, de ne scruter que l’obscurité.

Nous formons un demi­-cercle distancié autour de la plateforme, impatients d’assister au spectacle. Le bras se déplace lentement, méthodiquement. Même ce petit mouvement ravit Olkin et Levison. « Il vit ! Il vit ! », s’exclame ce dernier en plaisantant. Les yeux du tandem restent rivés à la création de leur équipe alors qu’elle commence à s’animer.

Les troyens de Jupiter que Lucy étudiera pré­sentent une énigme en matière de dynamique. Il semble qu’ils ne se soient pas formés sur place. Mais leurs orbites sont extrêmement difficiles à comprendre, car elles sont très similaires à la trajectoire de la planète géante autour du Soleil.

Or, à l’heure actuelle, si des petits corps ten­taient d’envahir l’orbite de Jupiter de la même façon, ils entreraient sans doute en collision avec le mastodonte ou seraient dispersés par sa gravité, voire expulsés du système solaire. Alors comment Jupiter a­-t-­elle réuni son entourage ?

Levison et ses collègues de l’observatoire de la Côte d’Azur ont émis en 2005 une hypothèse qui a fait date. Selon ce « modèle de Nice », le système solaire est né avec bien plus de petits corps qu’il n’y en a maintenant ; de plus, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune se sont formées plus près du Soleil qu’elles ne le sont de nos jours. Or, les petits corps exerçant une attraction gravita­tionnelle sur les planètes géantes gazeuses, celles­-ci ont infléchi leurs orbites, jusqu’à atteindre une configuration instable.

Soudain, pense­-t-­on, les planètes ont louvoyé, leurs orbites se décalant vers l’extérieur jusqu’à leurs positions actuelles – pour Jupiter, là où elle a capturé ses troyens. Dans la mêlée, nombre de petits corps auraient plongé vers l’intérieur du système solaire ou en auraient été éjectés. Les planètes internes, dont la Terre, ont pu subir des effets secondaires du processus, comme des bombardements plus nombreux de petits corps.

«C’est vraiment comme si quelqu’un avait empoigné le système solaire très tôt, explique Levison, et l’avait secoué dans tous les sens. »

Après son lancement, en octobre prochain, Lucy survolera une série de troyens entre 2027 et 2033. La couleur des corps, leur composition, leur densité et la configuration de leurs cratères devraient aider les chercheurs à préciser quand et où chacun s’est formé dans le système solaire. Ce qui devrait faciliter des estimations similaires pour le reste des troyens de Jupiter.

Ces données augurent un véritable défi. Pour être correctes, les futures simulations de la formation du système solaire primitif devront reproduire les modèles découverts par Lucy. Au passage, la sonde prendra les toutes premières images à haute résolution des troyens.

«Il s’agit de la dernière population stable d’astéroïdes non encore explorée, déclare Cathy Olkin. Le moment est venu. »

Malgré tous ces progrès, les astronomes savent que nous commençons tout juste à lever le voile sur ce qu’abrite l’obscurité de l’espace – et sur ce que l’on pourrait en tirer ou en craindre. L’observatoire Vera C. Rubin entrera en ser­vice en 2023, au Chili. Il passera une décennie à cartographier le ciel nocturne austral, avec un degré de précision étonnant. Et il en observera quasiment chaque région 825 fois.

Cela revient à tourner « le plus grand film de tous les temps », aime à dire l’astronome Željko Ivezić, directeur de projet scientifique de l’étude. En mettant bout à bout toutes les images qui seront prises, on obtiendrait une vidéo couleur à très haute définition qui durerait onze mois.

D’ici la fin 2033, grâce à l’observatoire Rubin, le nombre des petits corps connus devrait aug­menter énormément. On escompte un butin de 5 millions d’astéroïdes supplémentaires rien que dans la ceinture principale (entre Mars et Jupiter), d’environ 300 000 troyens de Jupiter, de 40 000 objets au­-delà de Neptune – plus 10 à 100 objets traversant notre système solaire mais nés autour d’étoiles lointaines, s’ajoutant aux deux que les astronomes ont détectés depuis 2017.

Les découvertes potentielles de l’observatoire Rubin sont sidérantes, témoigne l’astronome Michele Bannister, de l’université de Canterbury, en Nouvelle­-Zélande. 

« En gros, nous avons été jusqu’à présent comme des enfants ramassant sur le rivage quelques coquillages et admirant leur beauté, explique­-t-­elle. Mais, tout autour de nous, il y a ce vaste océan qui s’étend à perte de vue –et où, soudain, nous pourrons nous aventurer, et que nous pourrons explorer. »

Cartographier cet océan céleste devrait aussi permettre de détecter 100 000 autres astéroïdes géocroiseurs dans un rayon de 195 000 000 km autour du Soleil. Certains d’entre eux peuvent être « potentiellement dangereux », à l’instar de Bennu : des objets larges de plus de 150 m, que leur orbite amène à moins de 7 500 000 km de la trajectoire de la Terre autour du Soleil.

Si nous avons appris quelque chose de la Covid­-19, sans parler de la crise climatique et des extinctions d’espèces en grand nombre, c’est que les systèmes qui sous­-tendent la civilisation moderne sont fragiles. Maintenant, imaginez qu’un gros rocher spatial leur fonce dessus...

« Évidemment, les astéroïdes géocroiseurs et les comètes, c’est un problème beaucoup moins probable de se poser qu’une chose comme cette pandémie, observe Amy Mainzer, une spécia­liste des astéroïdes géocroiseurs à l’université de l’Arizona. Mais, [...] au bout du compte, si vous attendez assez longtemps, les événements improbables, ils finiront par se produire. »

Pour protéger la Terre d’un tel destin, il ne sera pas nécessaire de mettre sur pied des équipes hétéroclites d’astronautes équipés de bombes nucléaires, comme dans les films. Si les astro­nomes peuvent prévoir une collision suffisam­ment tôt, un engin spatial rapide pourrait être lancé à temps pour frapper l’astéroïde et rendre son orbite inoffensive.

En 2022, une mission de la Nasa élaborée et gérée par le laboratoire de physique appliquée de l’université Johns Hopkins testera le procédé avec un engin spatial appelé Double Asteroid Redirection Test – ou DART (« Fléchette »). Cet appareil percutera le minuscule satellite mineur d’un astéroïde géocroiseur à une vitesse d’envi­ron 24 000 km/h, ce qui raccourcira la période de révolution du satellite de dix minutes.

Si DART se solde par un succès, les humains du futur pourraient en utiliser une version à plus grande échelle pour tenir Bennu en respect. Mais, bien avant cela, des morceaux beaucoup plus petits de l’astéroïde traverseront sans dom­mages notre atmosphère – et ce, grâce à un vais­seau spatial dirigé depuis la banlieue de Denver.

Il est maintenant 16h13, le 20 octobre 2020. Et les dix­-sept secondes tant attendues par Dante Lauretta se sont écoulées – pour sa plus grande délectation. Deux minutes plus tôt, Lauretta et son équipe ont été informés qu’OSIRIS­-REx se trouvait à moins de 5 m de la surface de Bennu. Et que le système de détection des dangers embarqué dans l’engin spatial avait donné le feu vert pour poursuivre la manœuvre.

Dante Lauretta, qui porte un masque en plas­tique transparent pour montrer une plus grande partie de son visage tout en respectant les pro­tocoles anti­-Covid­-19, affiche un sourire radieux. Quand on lui demande comment il se sent, un seul mot lui vient à l’esprit :   « Transcendantal ».

L’ingénieure système Estelle Church confirme alors que les commandes qu’elle a envoyées ont été exécutées. À des millions de kilomètres de la Terre, esquivant des rochers plus gros que des maisons, OSIRIS­-REx a recueilli son butin avant de prendre le chemin du retour.

Cependant, le bout du bras d’échantillonnage d’OSIRIS­-REx était tellement chargé de débris qu’il s’est bloqué en position ouverte. En toute hâte, l’équipe a dû commander la fermeture du conteneur victime d’une fuite à l’intérieur de sa capsule de retour. Les scientifiques ignorent donc quelle quantité d’échantillons prélevés sur Bennu sera rapportée sur la Terre quand OSIRIS­-REx y larguera la capsule, en 2023.

Ils pensent toutefois qu’il y aura beaucoup de matière et qu’un examen plus approfondi de sa chimie bouleversera notre appréhension des commencements biologiques. « Nous aurons une bien meilleure compréhension de l’éven­tualité qu’il existe de la vie ailleurs dans notre galaxie, voire dans l’Univers », avance Loretta.

Nous sommes faits de poussière d’étoiles, comme l’a si bien dit Carl Sagan. Mais, comme nous sommes des produits du système solaire, nous pourrions aussi nous voir comme des frères de Bennu, des sœurs de Psyché, des cousins des comètes – des proches parents des astéroïdes et des autres objets célestes dont les apparitions jalonnent notre histoire depuis la nuit des temps. En un sens, nous sommes aussi des petits corps en orbite autour du Soleil : infiniment divers et beaux, porteurs des secrets de la vie même.