Programme Voyager
Le programme Voyager est un programme d'exploration robotique de l'agence spatiale américaine (NASA) dont l'objectif est d'étudier les planètes extérieures du Système solaire. Il comprend deux sondes spatiales identiques  et  lancées en 1977 qui ont survolé les planètes Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune ainsi que 48 de leurs satellites. Les données collectées par les  portés par chaque sonde en font sans doute la mission d'exploration du Système solaire la plus fructueuse sur le plan scientifique de toute l'histoire spatiale. Les sondes Voyager sont les premières à effectuer un survol d'Uranus et Neptune et les secondes à étudier Jupiter et Saturne après les sondes  et 11.  et 2 ont permis d'obtenir des informations détaillées sur l'atmosphère de Jupiter, Saturne et Uranus. Elles ont révélé de nombreux détails sur la structure des anneaux de Saturne, permis de découvrir les anneaux de Jupiter et ont fourni les premières images détaillées des anneaux d'Uranus et de Neptune. Les sondes ont découvert en tout  lunes. Elles ont révélé l'activité volcanique de Io et la structure étrange de la surface de la lune galiléenne Europe.

La NASA met sur pied en 1972 le programme Voyager pour exploiter une conjonction exceptionnelle des planètes extérieures qui doit permettre aux sondes de survoler plusieurs planètes pratiquement sans dépense en carburant, en utilisant l'assistance gravitationnelle. Malgré les contraintes budgétaires liées à un climat économique et politique peu favorable à l'espace, la NASA après avoir renoncé à un projet plus ambitieux, parvient à construire deux engins parfaitement adaptés à ce programme complexe comme vont le prouver la longévité et la qualité du matériel scientifique récolté par les deux sondes.  et 2 sont, dans leur catégorie, des engins lourds,  emportant plus de  d'instrumentation scientifique (à comparer à la masse totale de  des sondes Pioneer lancées en 1972-1973) qui ont pénétré pour la première fois dans les régions externes du système solaire et survolé Jupiter et Saturne.

Les sondes Voyager sont, en 2020, toujours en état de fonctionnement ; plusieurs de leurs instruments continuent à transmettre des informations sur le milieu environnant. Le ,  a traversé le choc terminal, faisant de lui le premier objet humain explorant l’héliogaine. En , la sonde spatiale a quitté l'héliosphère, la zone placée sous l'influence du Soleil. Se déplaçant à plus de  par rapport au Soleil, , porteur d'un message symbolique de l'Humanité, devrait être la première sonde spatiale à passer à proximité d'une autre étoile dans . Depuis 2019, un plan spécial a été élaboré par le JPL afin d'économiser au maximum les générateurs thermoélectriques à radioisotope qui fournissent leur énergie, rallongeant leur vie opérationnelle de plusieurs années.

Historique

Planètes externes : des objectifs difficiles à atteindre 

Au début de l'ère spatiale, l'exploration du Système solaire se limite à l'envoi de sondes spatiales vers les planètes intérieures proches : Mars et Vénus. Mercure et les planètes extérieures du Système solaire, de Jupiter à Pluton, sont des objectifs difficiles à atteindre pour un engin spatial : pour y parvenir, celui-ci doit être lancé avec une vitesse qui nécessite un lanceur très puissant dont l'agence spatiale américaine ne dispose pas au début des années 1960. À l'époque, la conception des sondes spatiales en est à ses balbutiements et leur fiabilité est limitée. Au début des années 1960, Américains comme Soviétiques lancent généralement leurs sondes spatiales par paire pour accroitre la probabilité que l'une d'entre elles remplisse les objectifs de la mission. La durée importante du transit d'une sonde spatiale vers les planètes externes (plusieurs années) s'accompagne d'une dégradation progressive de certains organes et augmente la probabilité de panne. Par ailleurs, au fur et à mesure de l'éloignement du Soleil, la diminution du rayonnement solaire réduit l'énergie disponible et la distance limite le débit des transmissions et nécessite un fonctionnement en quasi-autonomie.

Découverte de l'assistance gravitationnelle et d'une conjonction exceptionnelle de planètes 

L'origine du programme Voyager remonte au milieu des années 1960. À l'époque, Michael Minovich du Jet Propulsion Laboratory (JPL), établissement de la NASA spécialisé dans l'exploration robotisée du Système solaire, attire l'attention sur le fait que la gravité très élevée de Jupiter peut être utilisée pour accélérer une sonde spatiale (mécanisme d'assistance gravitationnelle) vers les planètes les plus lointaines du Système solaire. Trois ans plus tard, Gary Flando également du JPL, constatant une conjonction unique de planètes qui doit se produire entre 1976 et 1978, met au point des trajectoires utilisant cette technique qui doivent permettre à une sonde spatiale de visiter plusieurs planètes extérieures. Une sonde lancée durant cette période pourra au choix survoler successivement soit Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune, soit Jupiter, Uranus et Neptune, soit enfin Jupiter, Saturne et Pluton. La configuration qui permet le survol des quatre planètes gazeuses par le même engin spatial ne se reproduit que tous les . La NASA décide de concevoir une sonde spatiale pouvant profiter de cette conjonction.

Le programme Grand Tour 

À la fin des années 1960, dans l'euphorie des succès du programme Apollo, la NASA imagine de lancer plusieurs sondes de grande taille en utilisant la fusée lunaire . Dans cette optique, l'agence spatiale définit les caractéristiques d'une nouvelle famille de sondes dédiées à l'exploration des planètes extérieures qui est baptisée « Thermoelectric Outer Planets Spacecraft » (TOPS) ; ces sondes doivent avoir recours à des générateurs thermoélectriques à radioisotope qui fournissent l'énergie en se substituant aux panneaux solaires utilisés habituellement. Le programme Grand Tour renommé par la suite « Outer Planets Grand Tour Project » (OPGTP) est mis sur pied en 1969. Il prévoit le lancement de 4 à  reposant sur le concept TOPS dont deux, lancées en 1976 et 1977, doivent survoler Jupiter, Saturne et Pluton tandis que deux autres, lancées en 1979, doivent survoler Jupiter, Uranus et Neptune. Le coût du programme est compris entre 750 et  de dollars auxquels il faut ajouter  US$ pour le lancement. Les postes de dépense les plus importants étaient associés au développement d'un ordinateur permettant à la sonde spatiale de fonctionner de manière autonome et baptisé STAR (Self-Test And Repair computer) et l'autre au développement de la plateforme des TOPS.

Annulation du programme Grand Tour 
 
Le début des années 1970 est une période de récession économique pour les États-Unis qui se traduit notamment par une forte réduction des budgets accordés à la NASA. Par ailleurs, la compétition avec l'Union soviétique n'est plus aussi vive et ne permet pas de motiver les décideurs politiques comme l'opinion publique à investir dans le spatial. Plusieurs motifs se conjuguent pour entraîner l'annulation du programme Grand Tour. Le budget alloué à la NASA qui avait crû dans des proportions énormes au milieu des années 1960 pour le programme Apollo est en forte réduction. Au sein des programmes de la NASA, le programme Grand Tour est en concurrence avec d'autres grands projets : le grand télescope spatial (futur télescope spatial Hubble) et le programme de la navette spatiale américaine tandis que le développement du programme Viking va de dépassement en dépassement. La communauté scientifique, dont les représentants sont réunis par la NASA au mois d', donne son appui au projet Grand Tour et la NASA décide à l'automne de soumettre un budget incluant à la fois le développement de la navette spatiale américaine et le projet Grand Tour. Mais le président Nixon, favorable au développement de la navette spatiale, n'est pas prêt à financer les deux projets. C'est à l'administrateur de la NASA de l'époque, James Fletcher, de trancher. Celui-ci décide en  de retirer le projet d'exploration des planètes externes de sa proposition de budget 1973 et de le remplacer par la réalisation de deux petites sondes spatiales Mariner qui seraient lancées en 1977.

Le programme Mariner Jupiter-Saturn 

Dès , la NASA a lancé un projet d'exploration des planètes à faible coût baptisé "Mariner Jupiter/Saturn 1977" (MJS). Pour un tiers du prix du Grand Tour (361 millions US$ contre 1 milliard US$), ce projet doit permettre de suivre les recommandations du Space Science Board. Le nouveau programme prévoit la fabrication de deux sondes spatiales dérivées de la famille Mariner mise en œuvre pour l'exploration des planètes intérieures. Par rapport au programme Grand Tour, l'objectif scientifique est réduit au survol des deux principales planètes externes Jupiter et Saturne. Le nouveau projet est accueilli favorablement par la communauté scientifique (qui émet néanmoins le souhait que le vol des sondes spatiales pourra prolonger leur exploration au-delà de l'orbite de Saturne). Le budget est débloqué par le Sénat américain en 1973. Une enveloppe budgétaire de 250 millions US$ doit couvrir à la fois les coûts de fabrication et les coûts opérationnels. La NASA décide de confier la conception et le développement des sondes spatiales à son centre Jet Propulsion Laboratory au lieu de le sous-traiter aux sociétés Boeing, General Electric, Hughes, Martin Marietta ou North American Rockwell qui avaient travaillé sur le programme Grand Tour. Officiellement, cette mesure doit permettre de réduire les coûts mais les dirigeants de la NASA visent également à maintenir une expertise dans le domaine de la conception des sondes planétaires, Les sondes baptisées, qui portent les noms de Mariner 11 et 12, sont conçues pour une durée de vie de 4 ans suffisante pour le survol de Jupiter et de Saturne contre 10 ans pour les sondes TOPS du programme Grand Tour.

Développement 

Le projet est lancé officiellement le  et la première réunion du groupe de travail scientifique chargé de fixer les objectifs détaillés de la mission a lieu en . La fabrication des sondes spatiales démarre en  avec l'achèvement de la phase de conception. Les sondes à faible coût Pioneer 10 (lancée en 1972), et 11 (lancée en 1973), chargées de reconnaître le parcours, apportent des informations vitales sur la forme et l'intensité du rayonnement autour de la planète Jupiter (1000 fois plus intense que prévu) et confirment qu'il existe bien une région dégagée d'obstacles entre l'atmosphère supérieure de Saturne et l'anneau interne de la planète géante. Ces informations sont prises en compte dans la conception des Voyager et dans la sélection des instruments scientifiques.

L'expérience acquise avec la série particulièrement réussie des sondes spatiales Mariner développées par le JPL est largement mise à profit pour le développement des sondes Voyager. Mais pour obtenir la fiabilité et les performances recherchées, les ingénieurs du JPL utilisent également des sous-systèmes des orbiters Viking. La durée de vie des batteries développées par la Commission de l'énergie atomique est portée à 10 ans à la demande de la NASA. Une enveloppe supplémentaire de 7 millions US$ est débloquée par le Congrès américain pour financer des améliorations scientifiques et technologiques dont le développement d'un ordinateur reprogrammable en vol qui jouera un rôle crucial durant la mission de Voyager 2. L'objectif officiel du programme était le survol uniquement des deux géantes gazeuses. La fenêtre de lancement des sondes spatiales est identique à celle du Grand Tour et permet donc également le survol d'Uranus et Neptune. Les ingénieurs impliqués dans la réalisation des sondes, contrevenant aux spécifications, définissent un engin aux caractéristiques très proches des sondes TOPS aptes à survoler Uranus et Neptune. Présentée officiellement comme une option en cas de succès du survol de Saturne, il ne faisait pas de doute pour les scientifiques que la mission serait prolongée.

Sélection des instruments scientifiques 

Les objectifs scientifiques avaient été largement fixés par la communauté scientifique. Toutefois, le JPL, sans prendre en considération les attentes des scientifiques, impose l'emport de deux instruments scientifiques développés en interne : les caméras et l'expérience de radio-science. En , la NASA lance un appel à propositions pour la sélection des autres instruments scientifiques et reçoit 200 réponses principalement de laboratoires et universités américaines. La sélection donne largement l'avantage aux grandes institutions comme le centre de vol spatial Goddard ou à des laboratoires en relation étroite avec la NASA. Chaque instrument sélectionné est conçu et développé par l'équipe scientifique dirigée par un responsable scientifique. Les 11 responsables instrumentaux forment le comité de pilotage scientifique chargé de conseiller la NASA dans le domaine scientifique. Fin 1972, Edward C. Stone, un physicien du California Institute of Technology spécialisé dans l'étude de la magnétosphère et qui avait participé au programme Grand Tour dès 1970 est nommé responsable scientifique de la mission. Son rôle est d'assurer l'interface entre les besoins des scientifiques et les contraintes techniques et budgétaires. En , soit quelques mois avant le lancement des deux sondes spatiales, le projet Mariner Jupiter/Saturn 1977 est rebaptisé Voyager.

Objectifs 

L'objectif du programme Voyager est de collecter des données scientifiques sur les planètes externes (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) qui à l'époque sont pratiquement inexplorées : seules Pioneer 10 et 11, des sondes légères développées pour servir d'éclaireurs aux sondes Voyager mais disposant de peu d'instruments, se sont jusqu'à présent approchées de Jupiter et de Saturne. L'objectif principal assigné aux deux sondes est de recueillir des données permettant de mieux connaître les deux planètes géantes, leur magnétosphère et leurs satellites naturels. Ces derniers, qui sont pour certains de la taille d'une planète, sont très mal connus. L'étude de la lune Titan, dont on sait déjà à l'époque qu'elle possède une atmosphère évoluée, est jugée aussi importante que l'exploration de Saturne, sa planète mère. Enfin, le recueil des données sur les deux autres planètes géantes du Système solaire, Uranus et Neptune, sur lesquelles très peu d'informations sont acquises du fait de leur éloignement, constitue un objectif majeur dans la mesure où l'étude de Jupiter et de Saturne a pu être menée à bien.

Caractéristiques techniques des sondes Voyager 

Les sondes Voyager 1 et 2 sont pratiquement identiques :  Voyager 1 dispose d'une électronique mieux blindée car la sonde s'approche plus près de Jupiter tandis que Voyager 2 a des générateurs thermoélectriques à radioisotope plus puissants car elle doit visiter la planète la plus éloignée de la Terre.

Caractéristiques générales 

Chacune des deux sondes spatiales Voyager a une masse de  dont  d'instrumentation scientifique à comparer aux  de Pioneer 10. Les ordinateurs et le système de télécommunication se trouvent logés au centre de celle-ci dans un cylindre aplati de  de diamètre et de  de hauteur au cœur duquel se trouve le réservoir de carburant utilisé par les moteurs. Tous les autres composants de la sonde se rattachent à ce cylindre. Les instruments scientifiques qui doivent être orientés vers les planètes et lunes (ISS, IRIS et PPS) sont installés sur une plateforme située au bout d'une perche s'étendant jusqu'à environ  du centre de la sonde : la plateforme est orientable selon deux degrés de liberté avec une précision de 0,1°. Les magnétomètres sont installés sur une perche de  de long. Une troisième perche porte à son extrémité les générateurs thermoélectriques à radioisotope (RTG) produisant l'énergie nécessaire à la mission. Les instruments radio PRA et PWS fonctionnent quant à eux grâce à deux antennes de , perpendiculaires l'une par rapport à l'autre. Tous les instruments scientifiques sont installés de manière à être au moins à  du RTG pour limiter l'incidence du rayonnement émis par la décomposition radioactive du plutonium 238.

Pour garantir le fonctionnement de la sonde durant les 5 ans de la mission, une durée exceptionnelle pour l'époque, chaque système vital est doublé : ordinateurs, senseur solaire et d'étoile, équipement radio, système de propulsion, etc. C'est ainsi que sur la sonde Voyager 1 c'est l'ordinateur principal de secours qui remplace le système d'origine tombé en panne.

Propulsion 

Le système de propulsion est constitué par 16 petits moteurs-fusées utilisant de l'hydrazine qui, en se décomposant sur un catalyseur, fournit une poussée de 0,89 newton par moteur. Pour la première fois sur une sonde spatiale, les mêmes moteurs sont utilisés pour contrôler l'orientation et corriger la trajectoire permettant de réduire la masse du système. Seuls huit moteurs sont nécessaires : 2 pour faire pivoter la sonde sur chaque axe et 2 pour accélérer ou freiner l'engin. Les huit autres moteurs sont là en secours. Les moteurs-fusées et le réservoir, qui contient au départ  d'hydrazine, sont situés dans le corps central de la sonde. Ce carburant qui permet de fournir un delta-v de  s'est révélé largement suffisant, grâce à la précision de la trajectoire suivie ( d'erreur contre  prévus au maximum) puisqu'il subsistait encore plus du tiers du carburant en l'an 2000 bien après l'achèvement des manœuvres de survol.

Contrôle de l'orientation 

La sonde est stabilisée sur ses 3 axes : le contrôle de l'orientation de la sonde et celle de la plateforme portant les instruments est pris en charge par un ordinateur dédié l'AACS. L'orientation de la sonde est contrôlée à l'aide de deux senseurs : un senseur d'étoile qui pointe vers Canopus (Voyager 1 utilise également l'étoile Rigel sur certaines portions de son trajet) et un senseur solaire installé sur l'antenne parabolique. Lorsque l'étoile visée s'écarte du champ de vision du senseur de plus de 0,05°, les moteurs-fusées effectuent automatiquement une correction. Pour de courtes périodes (quelques jours), le contrôle de l'orientation est confié à un ensemble de gyroscopes par exemple lorsque le Soleil est masqué ou durant les corrections de trajectoire.

Informatique embarquée 

La sonde embarque trois ordinateurs existant chacun en deux exemplaires pour faire face à une panne :
l'ordinateur principal est le CCS (Computer Command System) et dispose d'une capacité de stockage non volatile de 4086 mots de 18 bits utilisant une Mémoire à film mince sur fil. Il a deux rôles : interpréter et faire exécuter les instructions envoyées par le centre de contrôle sur Terre et traiter les anomalies de fonctionnement. Une partie de sa mémoire (2800 mots) est non effaçable et contient les programmes fixes, le reste pouvant être modifié pour adapter les séquences d'opérations scientifiques. Le CCS transmet des commandes d'une part à l'AACS chargé de contrôler l'orientation de la sonde spatiale et d'effectuer les corrections de trajectoire et d'autre part au FDS pour modifier la configuration des instruments scientifiques, le débit des télémesures et fournir des instructions aux nombreux autres sous-systèmes ;
le FDS (Flight Data System) est un ordinateur utilisant des mots de  et disposant d'une mémoire modulaire contenant  ;
le système de contrôle de l'attitude et de la plateforme (Attitude and Articulation Control Subsystem AACS) est un ordinateur utilisant des mots de 18 bits et disposant d'une mémoire contenant .

Les données scientifiques qui ne peuvent pas être transmises directement vers la Terre sont stockées sur un enregistreur à bande magnétique à 8 pistes DTR (Digital Tape Recorder). Celui-ci peut enregistrer des informations à une vitesse de 115,2 kilobits par seconde, ce qui correspond au débit en sortie de la caméra, ou les restituer en lecture à . Lorsqu'il est utilisé simultanément en lecture et en écriture, le débit est de . Chaque piste permet d'enregistrer l'équivalent de 12 photos ; la capacité de stockage totale est équivalente à 586 mégabits.

Énergie 

Pour disposer de suffisamment d'énergie aux confins du Système solaire, les panneaux solaires photovoltaïques, peu efficaces à grande distance du Soleil, sont remplacés par trois générateurs thermoélectriques à radioisotope. L'énergie électrique est produite par la chaleur émise par la décroissance radioactive du plutonium 238 embarqué. Les  watts de chaleur fournissent  d'énergie électrique au début de la mission en 1977, distribuée sous la forme d'une tension électrique continue de . La décroissance de la radioactivité du plutonium entraîne une diminution de l'énergie électrique produite de  par an. Le contrôle au sol maintient la consommation de manière à disposer d'une marge de  pour éviter des dysfonctionnements. Chacun des 3 générateurs a la forme d'un cylindre de  de hauteur pour  de diamètre.

Télécommunications 

Les communications avec la Terre sont assurées par un émetteur-récepteur radio fonctionnant à la fois en bande S () et en bande X (), relié à une antenne parabolique grand gain de  de diamètre qui émet avec un angle d'ouverture de 2,3° en bande S et de 0,6° en bande X. Une antenne à faible gain est montée sur la structure portant la parabole et émet dans l'hémisphère centrée sur l'axe de la grande parabole. Le système de télécommunications est doublé pour faire face à une défaillance, Il permet de transmettre les données scientifiques recueillies avec un débit compris entre 4,8 et 115,2 kilobits par seconde en bande X et les mesures télémétriques avec un débit de 40 bits par seconde en bande S. Les instructions du contrôle de mission sur la Terre sont reçues avec un débit de 16 bits par seconde.

Instruments scientifiques 

Avec une caméra couleur grand angle de résolution 0.64 MP (800*800) et une deuxième avec un objectif standard, les instruments de mesures scientifiques se composent de :
 le capteur de rayons cosmiques CRS (Cosmic Ray System), le détecteur de plasmas (PLS), ainsi que le capteur de particules faible énergie LECP (Low Energy Charge Particle) sont des détecteurs de particules, destinés à l'étude des rayons cosmiques, du vent solaire et des magnétosphères de Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune… ;
 le magnétomètre MAG mesure les variations du champ magnétique solaire en fonction du temps et de la distance et étudie les champs magnétiques des planètes rencontrées et leurs interactions avec les satellites ou anneaux ;
 le récepteur radio astronomique de planète PRA (Planetary Radio Astronomy) et le récepteur d'ondes émises par les plasmas PWS (Plasma Wawe Investigation) sont des récepteurs d'ondes radio, le premier pour des fréquences de  à  et de  à  et le second pour des fréquences de  à . Ils sont destinés à l'écoute des signaux radio émis par le Soleil, les planètes, les magnétosphères… Ils sont reliés à deux antennes placées perpendiculairement, afin de capter les rayonnements dans deux polarisations décalées de 90° ; 
 le photopolarimètre PPS (Photopolarimeter System) mesure l'intensité et la polarisation de la lumière dans huit longueurs d'onde entre 235 nm et 750 nm. Il permet de déterminer la composition des atmosphères de Jupiter et de Saturne ainsi que de leurs anneaux, la texture et la composition probable des surfaces de leurs satellites… Durant les survols planétaires, il est utilisé pour la recherche des éclairs et des aurores. Celui de Voyager 1 est défectueux ;
 l'interféromètre, spectromètre, radiomètre infrarouge  IRIS (Infrared Interferometer Spectrometer) déterminent la température d'un corps, repère la présence de certaines substances dans une atmosphère ou sur une surface et mesure la proportion de la lumière solaire reçue par un corps et réfléchie par ce dernier ;
 le spectromètre ultraviolet  UVS (Ultraviolet Spectrometer) détecte la présence de certains atomes ou ions, ces derniers absorbant certaines fréquences de lumière.

Première partie de la mission : l'étude des planètes externes 

Voyager 2 est lancée la première le  et sa jumelle Voyager 1 le 5 septembre. Construites pour durer seulement cinq ans, les sondes sont en 2010 plus de trois fois et demie plus éloignées de la Terre que Pluton. Toujours en état de fonctionnement, elles foncent vers l'héliopause, limite de l'influence magnétique du Soleil, où débute « officiellement » l'espace interstellaire.

Ces deux engins de  dotés d'une douzaine d'instruments et de caméras quittaient la Terre pour un grand tour du Système solaire. La mission avait été conçue pour profiter d'un alignement planétaire exceptionnel - survenant une fois tous les 175 ans – qui permettait, avec une dépense minimale de temps et de carburant, de rendre visite aux quatre planètes gazeuses du Système solaire : Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. À l'origine, la NASA ne disposait pas d'un financement suffisant pour prolonger la recherche au-delà de Saturne, mais les ingénieurs américains avaient programmé pour Voyager 2 une trajectoire incluant le survol d'Uranus et de Neptune. Chaque survol rapproché d'une de ces planètes géantes donnait un coup d'accélérateur suffisant aux sondes pour les propulser au voisinage de la planète suivante. C'est ce qu'on appelle la technique de « fronde gravitationnelle » ou d'« assistance gravitationnelle ».

Durant la première phase de sa mission, Voyager 1 a survolé Jupiter le  à  de la planète et Saturne le  à une distance de . Elle a par la suite quitté le plan de l'écliptique en prenant de l'avance sur Voyager 2 et poursuivi sa route pour aller à la rencontre de l'héliopause. Le , Voyager 1 est devenu l'objet le plus distant de la Terre jamais envoyé dans l'espace en battant un record établi précédemment par la sonde Pioneer 10. Elle est à plus de 18 heures-lumière de la Terre (début 2016, il fallait plus de 37 heures aux signaux pour faire l'aller-retour entre Voyager 1 et la Terre).

Voyager 2 a survolé Jupiter le  à  de la planète et Saturne le  à une distance de , puis les ingénieurs de la NASA comprirent que Voyager 2 serait probablement capable de voler jusqu'à Uranus avec tous ses instruments en ordre de marche. Ce fut chose faite le  avec un survol de la planète à , Voyager 2 réussissant à transmettre à la NASA des photos et données uniques de cette planète, de ses lunes et champs magnétiques. Après son passage à  de Neptune le , Voyager 2, au bout de ces 12 ans de voyage, prit à son tour une direction la faisant sortir du Système solaire.

Principaux événements des missions Voyager 1 et 2

Résultats scientifiques 

Le programme Voyager est sans doute la mission d'exploration du Système solaire la plus fructueuse sur le plan scientifique de toute l'histoire spatiale. Les sondes Voyager ont été les premières à effectuer un survol d'Uranus et de Neptune et les secondes à étudier Jupiter et Saturne. Voyager 1 et 2 ont permis d'obtenir pour la première fois un profil détaillé des atmosphères de Jupiter, Saturne et Uranus, et ont amélioré notre compréhension de la composition de l'atmosphère de Jupiter. Les sondes Voyager ont révélé de nombreux détails sur les anneaux de Saturne notamment les pokes de l'anneau B et structure en tresse dans l'anneau F. Les sondes spatiales ont découvert les anneaux de Jupiter et deux nouveaux anneaux ont été identifiés autour d'Uranus. Les arcs (anneaux partiels) de Neptune se sont révélés être des anneaux complets composés d'un matériau particulièrement fin. Des tempêtes à grande échelle dont la Grande Tache Sombre ont été découvertes dans l'atmosphère de Neptune alors qu'on considérait que l'atmosphère de Neptune était trop froide pour produire de telles perturbations atmosphériques. Les sondes ont découvert en tout 22 nouvelles lunes orbitant autour des planètes extérieures ! trois autour de Jupiter, trois autour de Saturne, 10 autour d'Uranus et 6 autour de Neptune. Des mesures plus fines des magnétosphères de Jupiter et de Saturne ont été effectuées. Les magnétosphères d'Uranus et de Neptune ont été découvertes présentant toutes les deux un décalage important par rapport à l'axe de rotation de la planète suggérant une source très différente de celle des autres magnétosphères.

La plus grande surprise du programme a été la découverte de volcans en activité à la surface de Io, bien que ce phénomène ait été prédit peu avant son observation : pour la première fois, un tel phénomène était observé dans le système solaire ailleurs que sur Terre. Des photos de panaches de 9 volcans montant jusqu'à  au-dessus de la surface ont été prises par les deux sondes. L'énergie nécessaire à l'activité de ces volcans émane d'un échauffement interne du satellite, provoqué par les effets de marée qu'engendre l'orbite elliptique du satellite autour de Jupiter, qui se perpétue du fait d'un phénomène de résonance avec les autres lunes.

Les sondes ont également découvert sur Europe, un autre satellite de Jupiter, une surface peu marquée par les cratères d'impact qui trahit un remodelage récent. Un réseau de multiples coutures, balafrant comme autant de lignes de fracture la surface, correspond, selon l'hypothèse élaborée à l'aide des données recueillies plus tard par la sonde Galileo, à une croûte de glace d'une vingtaine de kilomètres d'épaisseur recouvrant un océan souterrain. Enfin, les sondes ont découvert la présence d'une atmosphère très épaisse et très dense autour de Titan, le principal satellite de Saturne, et les geysers de Triton, la plus grosse lune de Neptune.

Deuxième partie de la mission : aux frontières du système solaire

La mission Voyager Interstellar Mission (VIM)  
En effectuant le dernier survol des planètes gazeuses, les sondes Voyager ont achevé leur mission primaire. Compte tenu de la bonne santé des deux sondes spatiales, la NASA a décidé de prolonger la mission primaire par une nouvelle mission baptisée Voyager Interstellar Mission (VIM) destinée à collecter des données sur la région de l'espace située au-delà des planètes externes tout en restant sous l'influence du Soleil. Cette exploration sera prolongée si possible au-delà de l'héliopause c'est-à-dire de la région représentant la frontière avec l'espace interstellaire libre de toute influence du Soleil. Cette nouvelle mission commence en 1989 alors que Voyager 1 se trouve à 40 Unités Astronomiques (1 U.A. = distance Terre-Soleil soit 150 millions km) de la Terre et Voyager 2 à 31 U.A. La nouvelle mission est subdivisée en trois phases :
la recherche du choc terminal qui délimite la région de l'espace dite héliosphère, englobant les planètes du système solaire et où le vent solaire n'est pas perturbé par le milieu stellaire ;
l'étude de l'héliogaine, une région de l'espace où le vent solaire est toujours présent mais est ralenti par le milieu interstellaire. Sa limite extérieure est l'héliopause ;
 l'exploration du milieu interstellaire constitué des vents stellaires des astres proches et des nuages de gaz entre ces astres.

Dans cette dernière phase, les sondes pourront mesurer les particules et ondes interstellaires non affectées par les vents solaires, une première dans l'histoire de l'exploration spatiale. Voyager 1 devrait passer dans la périphérie de l'étoile « AC+79 3888 » dans la constellation de la Girafe dans  et Voyager 2 rendre visite à Sirius, la plus brillante des étoiles de notre ciel, dans .

Une fois franchie cette frontière, les Voyager feront partie, avec les sondes Pioneer, des tout premiers objets fabriqués par l'homme à naviguer hors de la bulle de protection du Soleil. Même si les signaux des Voyager mettent plusieurs dizaines d'heures à nous parvenir, les chercheurs espèrent bien obtenir des informations sur la densité du nuage interstellaire, sur les radiations qui le traversent et dont l'héliosphère nous protège. On ignore notamment la densité de toute une classe de particules relativement énergétiques, qui peuvent faire des dégâts sur les êtres humains - dans le cadre futuriste d'un voyage interstellaire - et sur le matériel électronique des sondes.

Depuis 2019, afin de prolonger au maximum les capacités des deux sondes, un plan spécial a été mis en place par les ingénieurs du JPL, en accord avec les directeurs de la mission. Un arbitrage est nécessaire entre les différentes consommations électriques, pour contrer la perte naturelle de puissance des générateurs thermoélectriques à radioisotope fonctionnant au plutonium 238, estimée à 4W/an sur une puissance de départ de 470W. Dans ce cadre, le système de chauffage du CRS est désactivé dès , et la directrice de projet, Suzanne Dodd, n’exclue aucune option dans le futur afin de préserver au mieux les capacités scientifiques des deux sondes.

Voyager 1 est plus éloigné de la Terre que tout autre engin jamais lancé par l'homme dans l'espace, et continue de s'éloigner à la vitesse de . Les deux sondes continuent à envoyer des données qui sont reçues par le réseau d'antennes de la NASA (DSN), dans le cadre d'un projet qui a été rebaptisé Mission interstellaire Voyager. Le coût total de la mission Voyager, incluant le lancement et le suivi des sondes, s'établit aujourd'hui à 895 millions de dollars, dont une rallonge budgétaire de 30 millions accordée par la NASA en 1990 pour la poursuite de la mission.

« Aujourd'hui, malgré leur grand âge, les deux sondes sont en mode d'alerte » explique Rosine Lallement, directeur de recherches au Service d'aéronomie du CNRS. « On surveille ce qu'il en sort, car on guette un changement dans les données concernant le plasma, le gaz ionisé ». Voyager 1, la plus rapide et la plus éloignée des deux sondes, se situait à la date du 15 avril 2021 à près de 23 milliards de kilomètres.

Les deux sondes Voyager, ainsi que Pioneer 10, sont les premiers engins conçus par l'homme à se diriger vers l'extrême frontière du Système solaire qui est englobé dans l'héliosphère. Cette dernière est une sorte d'immense bulle balayée par les particules très énergétiques émises par le Soleil. Au-delà, les petits engins rencontreront l'héliopause, la zone qui constitue la limite entre l'héliosphère et le milieu interstellaire. En théorie, les astronomes placent l'héliopause à une distance de 100 unités astronomiques par rapport au Soleil (une UA = 150 millions de kilomètres). Mais ils ignorent encore sa forme exacte ainsi que les caractéristiques précises de ce milieu.

Déroulement  

La publication dans la revue Science du  d'une série d'articles concordants officialise l’événement : depuis le , Voyager 1 est la première création humaine à naviguer au-delà de l'une des principales frontières du Système solaire, l'héliosphère. Cette frontière, le choc terminal, se trouve à environ 14,1 milliards de kilomètres du Soleil, soit 94 unités astronomiques. Voyager 1 doit à une chance inouïe la possibilité de témoigner de ces phénomènes. Car, dans les années 1970, ses concepteurs ignoraient tout de l'orientation de l'hėliosphère du Soleil par rapport à la Voie lactée. De ricochet en ricochet autour des planètes visitées, le hasard a voulu que la sonde quitte le Système solaire par l'avant, vers le nez que forme l'héliosphère en rencontrant la résistance du milieu interstellaire (direction où l'hėliopause est au plus proche du soleil).

Le , Voyager 1 a dépassé la barrière symbolique des 100 UA de distance par rapport au Soleil, soit 15 milliards de kilomètres. De son côté, Voyager 2 a franchi le choc terminal le . La sonde était alors située à environ 84  UA du Soleil. Elles poursuivent leur route à la frontière du Système solaire vers la zone que l'on appelle l'héliopause, limite de l'influence du vent solaire. Voyager 1 a dépassé officiellement Pioneer 10 le  pour devenir l'objet le plus distant de la Terre jamais envoyé dans l'espace. Les sondes s'éloignent dans l'espace à des vitesses vertigineuses :  par seconde () pour Voyager 1 ;   () pour Voyager 2. Cette vitesse leur permet de parcourir plus de 500 millions de kilomètres par an. Elles envoient encore des données qui sont collectées par le réseau de communication avec l'espace lointain (DSN) de la NASA, dans le cadre du programme Mission Interstellaire Voyager.

Dans l'espace interstellaire 

La NASA confirme le , après analyse des données recueillies par la sonde, que , à plus de 18 milliards de kilomètres du Soleil, a quitté la zone d'influence directe de ce dernier, l'héliosphère (zone de prédominance magnétique, la sonde étant toujours dans la zone de prédominance gravitationnelle de notre étoile). Elle se trouve désormais dans l'espace interstellaire.

Deux bouteilles dans l'infini 

Les deux sondes Voyager, comme les sondes Pioneer 10 (1972) et 11 (1973) qui les ont précédées, transportent, de manière symbolique, un message tentant de résumer quelques éléments-clés sur l'humanité. Ces informations sont gravées sur un disque de cuivre qui est accompagné d'une cellule et d'une aiguille permettant de le lire. Les données, sélectionnées par un comité présidé par l'astrophysicien Carl Sagan, comprennent une série de 116 photos de différents lieux symboliques sur Terre, des schémas donnant la position de la Terre dans le Système solaire, une espèce de pierre de Rosette définissant le système numérique en usage, les grandeurs employées en physique, des extraits sonores comprenant 27 morceaux de musique ainsi que des enregistrements variés reflétant l'activité humaine. Les sondes approcheront pour la première fois une étoile dans  ans.

Notes et références

Notes

Références

Bibliographie 
Historique du programme

 

Description techniques des sondes Voyager, des instruments scientifiques et des objectifs de la mission
 

Résultats

 Séries d'articles dans le bimestriel The Planetary Report mis en ligne sur les résultats de la mission : janvier 1981 Survol de Jupiter (1981) :
Survol de Saturne (1981)
Survol d'Uranus (1986),
rétrospective sur les résultats scientifiques des survols de Jupiter, Saturne et Uranus (1989)
Premiers résultats du survol de Neptune (1989)
Perspectives de la mission (2002)

Divers
 100 numéros du bulletin du JPL destinés à informer le public du déroulement de la mission : Bulletins 1-18 (1977-1978), Bulletins 19-42 (1978-1979), Bulletins 43-47 (1979-1979), Bulletins 48-61 (1979-1981),Bulletins 62-67 (1981-1981), Bulletins 68-80 (1985-1986), 81-100 (1988-1990)

Voir aussi

Articles connexes 
 Voyager 1
 Voyager 2
Voyager Golden Record
 Pioneer 11
 Pioneer Venus Orbiter
 programme Grand Tour

Liens externes 
  Le portail du programme Voyager de la NASA
  La page dédiée sur le site de Bernd Leitenberger
 Site francophone sur les sondes Voyager

 
Voyager
Voyager
Neptune
Uranus