vignette|Jupiter photographiée par la caméra de la sonde spatiale Cassini–Huygens.
L'exploration du système jovien (Jupiter, ses satellites, ses anneaux) à l'aide de sondes spatiales débute en 1973 avec le survol de la planète par . Malgré la puissance toujours plus importante des télescopes terrestres, les missions spatiales, grâce aux mesures effectuées , constituent une source d'informations irremplaçable sur les caractéristiques du système jovien.
La planète Jupiter, avec son cortège de satellites, constitue l'archétype des planètes géantes gazeuses présentes dans le Système solaire. Plus grande planète du système solaire, elle est entourée de 79 satellites naturels. Les quatre plus grands, les lunes galiléennes, présentent un intérêt particulier. Par ordre d'éloignement à la planète : Io, caractérisé par une forte activité volcanique, Europe, qui pourrait abriter des formes de vie dans son océan souterrain, Ganymède, plus grande lune du système solaire, et Callisto, qui pourrait également abriter un océan souterrain.
Jupiter, du fait de sa distance de la Terre et du Soleil et de son environnement radiatif, est toutefois une destination spatiale complexe qui nécessite un savoir-faire et des ressources financières que seule l'agence spatiale américaine, la NASA, est parvenue à réunir jusque dans les années 2010. En 2021, une dizaine de missions spatiales ont visité Jupiter et ses satellites, dont près de la moitié avait pour objectif principal de bénéficier de l'assistance gravitationnelle de celle-ci pour atteindre une autre destination. Seules deux d'entre elles, Galileo et, depuis 2016, Juno, ont pu mener des missions prolongées en se plaçant en orbite. Toutefois, deux missions, qui doivent se placer en orbite autour des lunes galiléennes, sont programmées pour la décennie 2020. La mission JUICE, de l'Agence spatiale européenne, dont le lancement a eu lieu le , est la première mission vers les planètes externes du système solaire qui ne soit pas développée par la NASA. Cette sonde spatiale doit étudier en les survolant à plusieurs reprises trois des lunes glacées de Jupiter, à savoir Callisto, Europe et Ganymède, avant de se placer en orbite en 2032. La NASA développe de son côté la mission , dont le lancement est programmé pour 2024. Elle repose sur une sonde spatiale de plus de six tonnes emportant plusieurs instruments, dont un radar permettant de sonder l'océan sous la glace. Après un transit de plus de six ans, avec un recours à l'assistance gravitationnelle de Vénus et de la Terre, la sonde spatiale doit se placer en orbite autour de Jupiter. La partie scientifique de la mission est centrée sur l'étude de la lune Europe et comporte de celle-ci sur une période de .
Enjeux scientifiques
L'étude de la planète Jupiter débute avec l'invention de la lunette astronomique, au début du . Galilée découvre en 1610, avec la première de ces lunettes, que Jupiter est accompagnée par plusieurs lunes, ce qui remet en question la conception de l'Univers de l'époque, selon laquelle tout ce qui orbitait devait le faire autour de la Terre. Les quatre lunes découvertes, Io, Europe, Ganymède et Callisto, prennent le nom de lunes galiléennes.. Les télescopes, de plus en plus puissants, permettent par la suite de découvrir la Grande Tache rouge dans l'atmosphère de Jupiter, une cinquième lune, Amalthée (1892), et, grâce à la spectroscopie, d'identifier les principaux composants présents dans l'atmosphère visible de la planète géante.
Problèmes soulevés par une mission vers Jupiter
L'exploration des planètes externes du système solaire, telles que Jupiter, présente de nombreuses difficultés supplémentaires, par rapport aux planètes plus proches, comme Mars et Vénus, du fait de la distance et d'un milieu plus hostile.
Vitesse de lancement
Pour parvenir à lancer une sonde spatiale vers une planète externe du système solaire comme Jupiter, il faut que la vitesse de départ soit très importante : il faut en effet s'extraire de manière plus importante du puits gravitationnel du système solaire et, compte tenu de la distance (Jupiter est cinq fois plus éloigné du Soleil que la Terre), il faut aller plus vite, pour que le temps de transit entre la Terre et Jupiter ne soit pas trop important. Mais cette vitesse élevée nécessite de freiner de manière plus importante à l'arrivée sur Jupiter, si on souhaite s'insérer en orbite autour de la planète. Tous ces paramètres jouent sur la taille du lanceur qui envoie la sonde spatiale dans l'espace. Pour gérer ces contraintes, les agences spatiales peuvent avoir recours à un lanceur plus important, avec un impact sur le coût, réduire la taille de la sonde spatiale, utiliser l'assistance gravitationnelle d'autres planètes pour gagner en vitesse (mais au prix d'un allongement du temps de transit), ou effectuer un simple survol, qui demande moins d'ergols qu'une insertion en orbite.
Énergie
Pour fonctionner, une sonde spatiale a besoin de disposer en permanence d'énergie. Les engins spatiaux développés récemment doivent disposer d'une puissance électrique comprise entre , pour alimenter les ordinateurs embarqués, l'émetteur-récepteur radio, les moteurs, les instruments scientifiques, les radiateurs ainsi que de nombreux autres équipements. Il n'existe que deux sources possibles d'énergie pour un engin spatial interplanétaire : les panneaux solaires et les RTG, qui reposent sur la décomposition d'un élément radioactif. Au niveau de l'orbite de Jupiter, cinq fois plus éloignée du Soleil que la Terre, une sonde spatiale reçoit moins d'énergie solaire qu'au niveau de la Terre. Aussi, jusqu'au lancement de la sonde spatiale Juno, toutes les sondes ayant visité Jupiter étaient équipées de RTG. Mais cet équipement est coûteux et l'isotope de plutonium qu'il utilise n'est pratiquement plus produit. Pour Juno, la NASA a choisi d'équiper la sonde de panneaux solaires d'une superficie de qui, grâce à leur technologie avancée, parviennent à fournir au niveau de Jupiter.
Distance entre la Terre et Jupiter
La distance entre les opérateurs au sol et Jupiter impose à la fois une grande autonomie des programmes tournant sur l'ordinateur embarqué et un système de communication à la fois puissant (taille de l'antenne, puissance en watts de l'émetteur) et précis (antenne grand gain).
Rayonnement ionisant
Jupiter possède un champ magnétique plus puissant que celui de la Terre, allant de à l'équateur à 10 à aux pôles. Le différentiel de vitesse entre le champ magnétique en rotation rapide de Jupiter (un tour en 10 heures environ) et la rotation plus lente du satellite Io autour de Jupiter (un tour en ) arrache de l’atmosphère de cette lune environ une tonne d'ions de soufre et d'oxygène par seconde et accélère ces particules à grande vitesse, de sorte qu'ils effectuent également un tour de Jupiter en dix heures. Ces ions forment un gigantesque tore autour de Jupiter, à l'origine d'un rayonnement ionisant intense, susceptible de tuer un être humain en quelques jours et qui détériore rapidement une électronique, même si celle-ci est durcie et qu'elle bénéficie d'un blindage. Les missions à destination de Jupiter évitent généralement de traverser le tore, sauf lorsque l'objectif de la mission, comme dans le cas de Juno, l'impose. Dans ce cas, la vie de l'engin spatial est relativement brève.
Historique de l'exploration par des missions spatiales Depuis 1973, une dizaine de missions spatiales ont visité Jupiter et ses satellites et en 2020 deux missions sont en cours de développement.
+ Synthèse des missions d'exploration des planètes externes du système solaire Sonde spatiale Année lancement Objectifs principaux Jupiter Saturne Uranus Neptune Pluton Au-delà de Pluton Statut Pioneer 10 1972 Ceinture d'astéroïdes Jupiter Survol en 1973 Distance max du Soleil : 67 UA Mission achevée en 2003 Pioneer 11 1973 Saturne Survol en 1974 1979 Mission achevée en 1995 Voyager 11977 Jupiter Saturne Titan Survol en 1979 1980 Distance Soleil > 136 UA (2016) En cours Voyager 2 1977 Neptune Uranus Survol en 1979 1981 1986 1989 Distance Soleil > 112 UA(2016) En cours Galileo1989 Jupiter et satellites galliléens Orbiteur (1995) Mission achevée en 2003 Ulysses1990 Soleil Survol en 1992 Mission achevée en 2009 Cassini–Huygens1997 Saturne Titan (sonde atmosphérique) Survol en 2000 En orbite depuis 2004 Mission achevée en 2017 New Horizons2006 Pluton et TNO Survol en 2007 2015 survol (486958) Arrokoth (2019) En cours Juno2011 Jupiter Orbiteur (2016) Fin prévue fin 2025 (extension de mission) JUICEavril 2023 Callisto Europe Ganymède Orbiteur en 2031 Fin prévue en 2033 Europa Clipper2024 Europe Orbiteur en 2030 Fin prévue en 2034 Mission en cours de développementLégende : Les missions sont des survols sauf signalé explicitement autrement, en vert les objectifs principaux de chaque mission
Le programme Pioneer (survols)
L'exploration spatiale de Jupiter débute avec le survol de la planète par les petites ( au lancement) sondes spatiales Pioneer 10 (1973) et Pioneer 11 (1974) : celles-ci passent à faible distance de Jupiter et de plusieurs de ses lunes en effectuant les premières photos détaillées de ces corps célestes. Les données collectées par les instruments permettent de découvrir que la ceinture de radiation autour de la planète géante est dix fois plus intense que ce qui était prévu. mais les deux sondes y survivent sans dommage. Les trajectoires des engins permettent d'affiner les estimations de masse du système jovien. Les occultations de leurs signaux radios par la planète géante conduisirent à de meilleures mesures du diamètre et de l'aplatissement polaire..
Le programme Voyager (survols)
vignette|Voyager 2.
Six ans après les sondes spatiales Pioneer, le système jovien est survolé en 1979 par et .. Les nombreux instruments emportés par ces sondes spatiales, beaucoup mieux équipées, permettent d'effectuer une étude approfondie des lunes galiléennes. Ces observations aboutissent à la découverte des anneaux de Jupiter, confirment que la Grande Tache rouge est un anticyclone et que ses caractéristiques évoluent dans le temps. Le point d'orgue de ces missions est l'observation de volcans actifs à la surface du satellite Io, qui sont les premiers découverts sur d'autres corps du système solaire que la Terre. Les sondes spatiales découvrent, dans le sillage de Io, un tore d'atomes ionisés qui jouent un rôle important dans la magnétosphère de Jupiter...
Ulysses (survol)
La sonde spatiale Ulysses traverse à deux reprises le système jovien (en 1992 et en 2004). Ulysses utilise l'assistance gravitationnelle de la planète géante pour quitter le plan de l'écliptique et se placer sur une orbite polaire autour du Soleil, l'objet principal de sa mission. Durant son survol de Jupiter, la sonde spatiale étudie la magnétosphère de la planète. Aucune photographie ne fut prise, la sonde ne possédant aucune caméra..
L'orbiteur Galileo
vignette|La sonde Galileo en préparation.