Voyager 1

1 est l'une des deux sondes spatiales jumelles du programme spatial  de la NASA destinées à l'étude des planètes externes du Système solaire qui n'avaient jusque-là été observées qu'au moyen de télescopes situés sur Terre, notamment les systèmes de Jupiter et de Saturne. Son lancement a eu lieu le .

 1 est, avec sa sonde jumelle Voyager 2, à l'origine d'un grand nombre de découvertes sur le Système solaire remettant parfois en cause ou affinant les modèles théoriques existants et, à ce titre, une des missions spatiales les plus fructueuses de l'agence spatiale américaine. Parmi les résultats les plus remarquables figurent le fonctionnement complexe de la Grande Tache rouge de Jupiter, la première observation des anneaux de Jupiter, la découverte du volcanisme d'Io, la structure étrange de la surface d'Europe, la composition de l'atmosphère de Titan, la structure inattendue des anneaux de Saturne ainsi que la découverte de plusieurs petites lunes de Jupiter et de Saturne. La sonde est aussi à l'origine de la célèbre photographie Un point bleu pâle ( en anglais) de la planète Terre prise en 1990 à une distance de  de kilomètres, ce qui en a fait la photographie la plus lointaine jamais prise pendant .

La sonde spatiale fait preuve d'une grande longévité et dispose toujours en 2023 d'instruments opérationnels qui collectent des données scientifiques sur le milieu traversé. Elle a quitté en  l'héliosphère et progresse désormais dans le milieu interstellaire, même si à compter de 2020, les instruments devront néanmoins être progressivement arrêtés pour faire face à l'affaiblissement de sa source d'énergie électrique. Voyager 1 ne sera plus capable de transmettre de données au-delà de 2025. Au , la sonde est à environ  () de la Terre et à environ  () du Soleil, ce qui en fait l'objet d'origine humaine le plus éloigné de la Terre.

Programme  

 1 est, avec Voyager 2, l'une des deux sondes composant le programme . Ce programme spatial est mis en place par l'agence spatiale américaine (NASA), pour explorer les planètes externes (Jupiter, Saturne et au-delà) qui n'ont jusque-là pas été étudiées du fait de la complexité technique d'un tel projet. L'agence spatiale souhaite profiter d'une conjonction exceptionnelle des planètes extérieures qui ne se reproduit que tous les  et qui doit permettre aux sondes de survoler plusieurs des planètes pratiquement sans dépenser de carburant, en utilisant l'assistance gravitationnelle des objets précédemment visités. Après avoir renoncé pour des raisons budgétaires à un projet très ambitieux, la NASA 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. Le projet est lancé officiellement le  et la fabrication des sondes spatiales démarre en  avec l'achèvement de la phase de conception. Les sondes Pioneer 10 (lancée en 1972) et 11 (1973), chargées de reconnaître le parcours, apportent des informations vitales sur la forme et l'intensité du rayonnement autour de la planète Jupiter qui sont prises en compte dans la conception des 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 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 Saturne a pu être menée à bien.

Voyager 1, qui précède sa sonde jumelle, a pour objectif initial d'explorer Jupiter et Saturne. Elle doit achever sa mission d'exploration par le survol à faible distance de Titan, la principale lune de Saturne. Mais elle doit, pour y parvenir, effectuer une manœuvre qui lui fait quitter le plan de l'écliptique, excluant toute possibilité d'explorer une autre planète extérieure. Le survol et l'étude d'Uranus et Neptune sont donc confiés à Voyager 2. Pour passer de Jupiter à Saturne, la sonde utilise l'assistance gravitationnelle de la première planète qui lui fournit une accélération importante tout en la plaçant dans la direction de la seconde.

Compte tenu de leur bon état de fonctionnement à l'issue de leur mission primaire en 1989, de nouveaux objectifs ont été fixés aux sondes spatiales après leur survol des planètes externes. La mission VIM () a pour objectif l'étude des régions très mal connues situées aux limites de la zone d'influence du Soleil. Sont distingués le choc terminal et l'héliopause avant de, une fois l'héliogaine traversée, déboucher dans le milieu interstellaire dont les caractéristiques ne dépendent plus de notre étoile.

Caractéristiques techniques 
Voyager 1 est une sonde de  (ergols compris) dont la partie centrale est constituée par un cylindre aplati en aluminium à dix facettes latérales d'un diamètre de  et d'une hauteur de . Cette structure contient l'essentiel de l'électronique protégée par un blindage ainsi qu'un réservoir dans lequel est stocké l'hydrazine utilisée pour la propulsion. Une antenne parabolique à grand gain fixe de  de diamètre est attachée sur le sommet du cylindre. Sa grande taille permet un débit exceptionnel de  par seconde en bande X au niveau de l'orbite de Jupiter et compense en partie l'affaiblissement du signal au niveau de l'orbite de Saturne. Voyager 1 dispose de seize petits propulseurs redondants brûlant de l'hydrazine et utilisés à la fois pour les modifications de trajectoire et pour les changements ou corrections d'orientation. La quantité d'ergols embarquée permet un changement de vitesse cumulé très modeste de  par seconde sur l'ensemble de la mission. Trois perches fixées sur le corps de la sonde et déployées en orbite servent de support à différents équipements et instruments scientifiques. Sur l'une d'elles sont fixés les trois générateurs thermoélectriques à radioisotope (RTG) qui fournissent l'énergie ( au départ de la Terre) à la sonde spatiale. En effet l'énergie solaire disponible au niveau des planètes externes ne permet pas d'utiliser des panneaux solaires photovoltaïques. Les instruments scientifiques sont fixés sur une perche longue de  située à l'opposé des RTG pour limiter l'incidence du rayonnement émis par la désintégration radioactive du plutonium 238 sur les mesures. Les instruments de télédétection (caméras ISS, spectromètres IRIS et UVS et photopolarimètre PPS) sont installés sur une plateforme orientable avec deux degrés de liberté. D'autres instruments de mesure  (CRS, PLS, LECP) sont fixés directement sur la perche. Les magnétomètres sont installés sur la troisième perche de  de long pour réduire l'influence magnétique du corps de la sonde spatiale. Enfin deux antennes de  de long en béryllium et cuivre faisant un angle de  entre elles servent de capteurs pour la mesure des ondes de plasma.

La sonde Voyager 1 est stabilisée sur ses trois axes, ce qui reflète la priorité donnée aux instruments de télédétection, c'est-à-dire à l'étude des planètes et des lunes. L'orientation de la sonde est contrôlée à l'aide de deux capteurs : un viseur d'étoiles et un capteur 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.

Instrumentation scientifique 
La sonde spatiale emporte onze instruments scientifiques représentant une masse totale de  répartis entre instruments de télédétection utilisés pour l'observation des planètes et des lunes et instruments de mesure in situ chargés de caractériser le milieu traversé.

Les quatre instruments de télédétection sont :
 les deux caméras couleur à objectif grand angle et standard formant l'ensemble ISS ;
 l'interféromètre, spectromètre, radiomètre infrarouge IRIS qui permet de déterminer la température d'un corps, de repérer la présence de certaines substances dans une atmosphère ou à la surface ;
 le photopolarimètre PPS qui mesure l'intensité et la polarisation de la lumière de huit longueurs d'onde comprises entre 235 et  ;
 le spectromètre ultraviolet UVS.

Les instruments d'observation du milieu traversé – rayons cosmiques, vent solaire et magnétosphères de Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune – sont :
 le détecteur de rayons cosmiques CRS ;
 le détecteur de plasmas PLS ;
 le détecteur de particules à faible énergie LECP ;
 le magnétomètre MAG destiné à mesurer les variations du champ magnétique solaire.

Le récepteur d'ondes émises par les plasmas (PWS) et le récepteur radio astronomique de planète (PRA) sont destinés à l'écoute des signaux radio émis par le Soleil, les planètes, les magnétosphères.

Comme Voyager 2, Voyager 1, qui doit approcher dans environ  un système planétaire voisin, emporte de manière symbolique un enregistrement de différentes manifestations de l'humanité.

Déroulement de la mission

Lancement 

La sonde Voyager 1 est lancée le  par une fusée Titan 3E, trois semaines après sa sonde jumelle. Des petites manœuvres de correction de trajectoire sont effectuées avec les moteurs-fusées  après le lancement et douze jours avant l'arrivée dans le système jovien. Grâce à une trajectoire plus tendue et une vitesse plus élevée () elle atteint Jupiter quatre mois avant Voyager 2. Cette configuration permet aux scientifiques de disposer d'observations par les instruments des deux sondes  de l'évolution de l'atmosphère de Jupiter sur une période continue de six mois.

Survol de Jupiter et de ses lunes (1979) 
 
Voyager 1 commence ses observations de Jupiter  avant le survol le  et les premières photographies sont prises en  lorsque la distance permet d'obtenir des images des bandes de nuages qui encerclent la planète géante avec une définition meilleure que celle fournie par les télescopes sur Terre. La sonde spatiale commence à bénéficier d'une couverture permanente du réseau d'antennes de télécommunications de la NASA  avant son survol de Jupiter. Voyager 1 passe au plus près de la planète géante le  à une distance de  de son centre (ou  de sa surface). La phase principale des observations scientifiques, qui regroupe l'étude de Jupiter, des lunes galiléennes, des anneaux de Jupiter et de son champ magnétique débute le  et dure seulement deux jours : le  Voyager 1 survole à très faible distance () la lune Io puis Ganymède (à ) et Europe (à ). Le lendemain la sonde spatiale passe à  de Callisto. La phase d'observation de Jupiter s'achève fin avril. À l'issue de ce survol la sonde spatiale a pris  de Jupiter et de ses cinq lunes principales. En passant à proximité de Jupiter, la vitesse de la sonde augmente à . Environ  d'hydrazine sont utilisés pour effectuer une ultime correction de trajectoire avant que Voyager 1 se dirige vers Saturne.

La principale découverte est celle du volcanisme de la lune Io. C'est la première fois qu'un phénomène volcanique était observé sur un autre corps céleste que la Terre. Les données collectées permirent de se rendre compte que ce phénomène a une grande influence sur tout le système jovien : les matériaux éjectés par les volcans sont dispersés par le champ magnétique très puissant de Jupiter et constituent l'essentiel de la matière présente dans la magnétosphère de la planète géante. Voyager 1 réalise les premières photographies à faible distance des nuages de Jupiter qui permettent de mettre en évidence la complexité des processus à l’œuvre. La Grande Tache rouge se révèle être une tempête aux dimensions gigantesques se déplaçant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre tandis que d'autres tempêtes sont découvertes. Voyager 1 découvre et photographie les anneaux de Jupiter beaucoup plus ténus que ceux de Saturne. Au sein de ces anneaux, la sonde découvre deux petites lunes : Thébé, d'environ  de diamètre, est la plus éloignée du groupe des satellites internes de Jupiter ; tandis que Métis environ deux fois plus petite et la plus interne de ce groupe. Les images d´Europe prises par les caméras de la sonde spatiale montrent un réseau de lignes à la surface de cette lune qui semblent d'origine tectonique. Leur résolution est faible car la sonde spatiale est passée assez loin mais les photographies prises par la suite par Voyager 2 permettront d'exclure cette origine et seront à l'origine de la théorie de l'océan gelé recouvrant l'ensemble de ce corps céleste.

Survol de Saturne et de ses lunes (1980) 
Le , Voyager 1 pénètre au cœur du système planétaire de Saturne. Le jour suivant, la sonde effectue un survol très rapproché () de la lune Titan, un des corps célestes les plus intéressants du Système solaire. Les scientifiques savaient avant ce survol que Titan possède une atmosphère comportant du méthane et certains d'entre eux avaient émis l'hypothèse que des formes de vie avaient pu se développer dans cet environnement créé par l'effet de serre. Mais bien avant le rendez-vous avec la lune, les photos prises permettent de constater que Titan est entouré d'une couche de nuages continue, opaque en lumière visible qui ne permet pas de distinguer la surface. Les instruments IRIS et UVS sont utilisés pour déterminer les caractéristiques de l'atmosphère. Des traces d'éthylène et d'autres hydrocarbures sont détectées tandis qu'une température sans doute trop basse pour la vie est mesurée. Après ces observations Voyager 1 survole le pôle sud de Saturne en passant à  de son centre le . Les anneaux et les autres satellites dont l'observation est programmée (Dioné, Mimas et Rhéa) sont tous très proches de la planète géante puisque le survol doit durer, en tout, à peine dix heures : la plateforme orientable porteuse des principaux instruments scientifiques utilisés pour le recueil des données planétaires est programmée pour de rapides changements d'orientation à la limite de ses capacités mais parvient à exécuter les instructions pré-programmées.

Choix sur survol de Titan 
Les ingénieurs de la NASA ont dû faire un choix :
 Voyager 1 peut explorer Titan à  et conserver suffisamment d'ergol pour se diriger ensuite vers Pluton ;
 Voyager 1 fait une approche à quelque  de Titan et l'étude de Pluton est sacrifiée. La NASA a fait ce choix en espérant percer l'épaisse couche de nuages.

Mission interstellaire (depuis 1989) 

Depuis 1989, la sonde spatiale a entamé une nouvelle mission, baptisée VIM (), consistant à étudier les régions situées aux confins du Système solaire et, après avoir franchi les limites de la zone d'influence du Soleil, à étudier les caractéristiques du milieu interstellaire. Le , les caméras ISS sont utilisées une dernière fois pour réaliser une mosaïque de  comprenant six des planètes du Système solaire vues sous un angle inédit. Cette mosaïque, appelée « Portrait de famille », est notamment connue pour l'image qu'elle donne de la Terre qui apparaît, compte tenu de la distance (), comme un point bleu pâle à peine visible, qui sera une source d'inspiration pour un livre de Carl Sagan.

Au cours des années suivantes, des instruments et des équipements sont progressivement éteints pour faire face à la désintégration progressive du plutonium des RTG qui se traduit par une baisse continue de la puissance de  par an (soit  en moins chaque année). Ainsi  la puissance résiduelle est de , soit 55 % par rapport à la puissance initiale de . Les instruments de télédétection utilisés essentiellement pour observer planètes et lunes ont été les premiers à être mis hors service : les caméras ISS en 1990 et le spectromètre infrarouge IRIS en 1998.

Aux confins de l'héliosphère (2010) 
Dans sa progression Voyager 1 quitte le plan de l'écliptique en prenant de l'avance sur Voyager 2 ; elle poursuit sa route vers les confins du Système solaire. Le ,  se trouve à  ( de kilomètres ou  heures-lumière) de la Terre. Artefact humain le plus éloigné de la Terre, elle dépasse le « choc terminal », c’est-à-dire quitte la sphère d’influence du vent solaire, pénétrant dans l’héliogaine. Son objectif est à présent d'atteindre l’héliopause, région située à la frontière entre la zone d'influence du Soleil et le milieu interstellaire, et d’en étudier les caractéristiques physiques. En , la sonde envoie des données sur la nature du bouclier magnétique du Soleil, aux limites de l'héliosphère, indiquant qu'à  de kilomètres celle-ci est une « sorte de bulle hétérogène de grande dimension » composée d'autres bulles d'environ une unité astronomique, soit un peu moins de  de kilomètres.

En , la NASA annonce que la sonde est désormais proche de l'héliopause. En utilisant au printemps et au cours de l'été 2011 les instruments de  qui fonctionnent encore, la sonde a mesuré la vitesse du vent solaire, le flux des particules énergétiques ainsi que le champ magnétique engendrés par notre Soleil. D'après ces mesures  est entré dans une zone dite de stagnation dans laquelle l'influence du Soleil est contrebalancée par celle de l'espace interstellaire : le champ magnétique du Soleil se renforce, car les lignes du champ se resserrent sous la pression extérieure, le vent solaire est quasi nul tandis que les particules énergétiques émises par le Soleil se raréfient et celles issues du milieu interstellaire augmentent.

Dans le milieu interstellaire (depuis août 2012) 

Après plusieurs échanges polémiques entre spécialistes, la NASA annonce finalement le  que Voyager 1 a quitté un peu plus d'un an auparavant, autour du ,  après son lancement, la région de l'espace placée sous l'influence directe du Soleil, l'héliosphère, qui se définit comme le champ d'action du vent solaire créé par notre astre. Cet événement est survenu alors que la sonde spatiale se trouvait à une distance de  (environ  de kilomètres) du Soleil. En quittant l'héliopause, cette région frontière aux contours mal définis, la sonde spatiale pénètre dans le milieu interstellaire dont le contenu (particules, rayonnement) n'est plus influencé par le Soleil. Cette nouvelle phase de la mission de la sonde va permettre d'obtenir des informations précieuses sur cette région de l'espace dans laquelle l'homme n'avait jusqu'à présent jamais envoyé d'engin. La sonde spatiale va effectuer les premières mesures directes des conditions physiques prévalant dans le milieu interstellaire, lesquelles devraient donner des indices cruciaux sur l’origine et la nature de l’Univers à grande échelle.  va pouvoir mesurer en particulier les caractéristiques des rayons cosmiques bloqués en grande partie par l'héliosphère. C'est en se fondant notamment sur l'augmentation de ce rayonnement mesurée par l'instrument PWS (),  recoupée par les mesures du champ magnétique que les responsables scientifiques de la mission ont abouti à la conclusion que la sonde spatiale avait quitté la zone d'influence magnétique du Soleil. Voyager 1 se trouve toutefois toujours sous l'influence gravitationnelle du Soleil et ne pourra s'en échapper que dans quelques dizaines de milliers d'années. À ce titre, la sonde spatiale se trouve toujours dans le Système solaire.

En mai 2021, la sonde spatiale détecte un signal faible, décrit comme le « bourdonnement persistant du gaz interstellaire ». Des chercheurs de l'université Cornell rendent publique cette découverte dans la revue .

En octobre 2023, la NASA a effectué  avec succès.

Fin de mission 

Voyager 1 s'éloigne du Soleil à une vitesse de  (environ  de kilomètres) par an, soit . Sa trajectoire fait un angle de 35° par rapport au plan de l'écliptique, au nord de celui-ci. Elle se dirige vers l'apex solaire, c'est-à-dire le groupe d'étoiles vers lequel se dirige le Système solaire lui-même. Dans quarante-deux mille ans, la sonde doit passer à  d'une étoile mineure, , située dans la constellation de la Girafe et plus connue sous le nom de  et en l' à  d'une étoile obscure dans la constellation de la Petite Ourse. D'ici 2020, les instruments doivent être progressivement arrêtés pour faire face à l'affaiblissement de la source d'énergie électrique fournie par les trois générateurs thermoélectriques à radioisotope. Il est prévu que soit éteint en 2013 le dernier instrument de télédétection, le spectromètre ultraviolet UVS, qui effectuait des observations de différentes sources d'ultraviolets (étoiles…). En 2015, l'utilisation des gyroscopes, qui consomment , ne sera plus possible. Enfin, à compter de 2020, les instruments scientifiques in situ devront soit être éteints progressivement, soit fonctionner de manière alternée. Voyager 1 ne sera plus capable de collecter et transmettre des données au-delà de 2025.

Le , la NASA rallume quatre propulseurs de la sonde après  d'inactivité. Cela permet, d'après les calculs de l'agence, de gagner deux à trois années de longévité en réorientant les antennes de transmission vers la Terre.

Statut actuel

Sonde 

Mis à jour le  à 

La vitesse de la sonde étant élevée, la Nasa affiche sur Internet la progression en direct de son déplacement :
 table des positions actuelles et jusqu'en 2030 ;
 temps de transit d'une communication aller :  ;
 carburant restant :  (environ 78 % utilisé) ;
 puissance du RTG :  (environ 55 % de la puissance d'origine). Marge :  ;
 débit moyen des communications :  descendant,  montant (avec une antenne de  du Deep Space Network) ;
 débit maximal des communications :  (avec une antenne de  du DSN).

Instruments 
En jaune et vert, les instruments utilisables et utilisés, sauf mention contraire. Mis à jour le .

Investigations scientifiques en cours 
En , les objectifs scientifiques de  portent sur l'étude du milieu interstellaire :
 mesurer la force et la direction du champ magnétique ;  
 déterminer les caractéristiques des particules électriquement chargées de faible énergie ;
 déterminer les caractéristiques du rayonnement cosmique ;
 mesurer les caractéristiques des ondes du plasma.

La collecte des données s'appuie sur les instruments encore opérationnels hormis le spectromètre ultraviolet.

En 2019, une étude tirant parti de la présence de la sonde  en dehors de l'héliopause permet d'invalider l'hypothèse selon laquelle les trous noirs primordiaux seraient à l'origine de la matière noire de la Voie Lactée.

Notes et références

Notes

Références

Voir aussi

Articles connexes 
 Programme 
 Voyager 2

Bibliographie 
NASA 
 

Autre

Liens externes 
 « Voyager Voyager, et jamais ne reviens », La Science, CQFD, France Culture, 25 octobre 2022.
  Les sondes Voyager sur le site du Jet Propulsion Laboratory
  page sur le site de Bernd Leitenberger
  Pages de la Nasa indiquant   la position des sondes Voyager 1 et 2 et le statut des sondes
modèle 3D de la sonde Voyager
 La distance actuelle de Voyager 1

Programme Voyager
Exploration de l'espace en 1977
Sonde échappant à l'attraction solaire
Septembre 1977