Contexte

La sonde Cassini était le premier orbiteur (et seul à ce jour) de l’humanité autour de la planète Saturne, seulement survolée auparavant par les sondes Pioneer 11 (1979), Voyager 1 (1980) et Voyager 2 (1981) de la NASA. Fruit d’une coopération entre les agences spatiales américaine (NASA) et européenne (ESA), cette sonde partie de la Terre le 15 octobre 1997 avait pour objectif d’entrer en orbite saturnienne pour étudier la planète géante et son cortège d’anneaux et de lunes. Elle devait également déposer au passage le module Huygens pour un atterrissage sur Titan. Celui-ci s’est posé sur sa surface le 14 janvier 2005.

Titan est la plus grosse lune du système saturnien, la seconde du système solaire après la lune Ganymède de Jupiter, et la seule à posséder une atmosphère épaisse. Son climat, lié à la présence d’hydrocarbures sous forme solide, liquide et gazeuse, suscite un grand intérêt chez les planétologues. L’intérêt est tel qu’une nouvelle mission est programmée pour Titan, cette fois avec un drone volant, un octocoptère nommé DragonFly, destiné à explorer concrètement cet environnement extraterrestre exotique, à la fois très proche et pourtant radicalement différent de celui de la Terre.

Les objectifs scientifiques de l'orbiteur Cassini étaient les suivants :

• déterminer la température, les propriétés des nuages et la composition de l'atmosphère de Saturne, ce qui implique : prendre des images de l'atmosphère de Saturne sur une large gamme de latitudes et longitudes ; déterminer les émissions thermiques à la longueur d'onde de 2 cm des nuages bas dans l'atmosphère ; étudier les variations de la concentration en ammoniaque dans les structures de la ceinture.
• mesurer le champ planétaire des vents, y compris ses variations ; réaliser des observations à long terme des structures nuageuses pour voir comment elles grossissent, évoluent et se dissipent.
• déterminer la structure interne ainsi que la rotation de l'atmosphère profonde, ce qui implique : explorer les propriétés dynamiques jusqu'ici inconnues de l'atmosphère ; étudier l'ammoniaque en tant que traceur de la circulation atmosphérique ; déterminer le gradient de température de l'équateur aux pôles, ainsi que les structures longitudinales des nuages bas encore inconnues.
• étudier les variations journalières et les relations entre l'ionosphère et le champ magnétique de la planète.
• déterminer la composition, le flux de chaleur et l'environnement radiatif présent lors de la formation de Saturne et de son évolution.
• investiguer les sources et la nature des éclairs de Saturne.
• comprendre la dynamique de la magnétosphère de Saturne, et les interactions de cette magnétosphère avec les multiples satellites de Saturne, les anneaux et l'atmosphère de Saturne.

Objectifs Scientifiques concernant Titan

Les objectifs scientifiques de l'orbiteur Cassini et du module de descente Huygens concernant le satellite Titan étaient les suivants :

• Déterminer les abondances des constituants de l'atmosphère (gaz rares inclus) ; établir les rapports isotopiques pour les éléments abondants ; contraindre les scenarii de formation et d'évolution de Titan et de son atmosphère.
• Observer les distributions verticales et horizontales des gaz trace ; rechercher des molécules organiques plus complexes ; investiguer les sources d'énergie de la chimie atmosphérique ; modéliser la photochimie de la stratosphère ; étudier la formation et la composition des aérosols.
• Mesurer les vents et les températures globales ; investiguer la physique des nuages, la circulation générale et les effets saisonniers dans l'atmosphère de Titan ; rechercher les éclairs.
• Déterminer l'état physique, la topographie et la composition de la surface ; en déduire la structure interne du satellite.
• Investiguer la haute atmosphère, son ionisation, ainsi que son rôle en tant que source de matière neutre et ionisée pour la magnétosphère de Saturne.

Déroulé du projet

La sonde Cassini et son module d’atterrissage Huygens ont été lancés le 15 octobre 1997 depuis Cap Canaveral (USA) par le lanceur Titan-IVB/Centaur.

Pour atteindre Saturne en 2004, Cassini-Huygens a utilisé l'assistance gravitationnelle des planètes rencontrées qui lui ont conféré à chaque passage un nouvel élan. Elle a ainsi survolé 2 fois Vénus, est revenue au voisinage de la Terre en août 1999, avant de parvenir aux abords de Jupiter en décembre 2000. L'impulsion délivrée par ces planètes a permis d'économiser l'équivalent de 75 tonnes de carburant et plusieurs dizaines d'années de voyage.

Le module orbital Cassini s'est inséré en orbite autour de Saturne le 1^er juillet 2004. Il a ensuite observé la planète et son environnement durant 13 ans.

Son passager, la sonde Huygens, a plongé le 14 janvier 2005 dans l'atmosphère du satellite Titan et s'est posé à sa surface après une descente dans l'atmosphère de 2 heures 30 minutes.

La mission initiale devait durer 4 ans. La Nasa a une première fois annoncé l'extension de la mission jusqu'en juillet 2010. Ensuite, la NASA a de nouveau étendu la mission à multiples reprises jusqu'en mai 2017.

La sonde Cassini a été dirigée vers l’atmosphère saturnienne pour s’y consumer le 15 septembre 2017, événement qui a marqué la fin de sa mission.

Organisation

L'orbiteur Cassini a été construit par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, avec la contribution de l'Agence Spatiale Italienne (ASI) pour son antenne à haut-gain ainsi que les autres sous-systèmes radio par un accord bilatéral NASA / ASI.

La sonde Huygens et les moyens de communication associés, ont été développés par un consortium industriel, dirigé par l'Aérospatiale Cannes (devenue Thalès Alenia Space) pour le compte de l'ESA.

Les charges utiles du module orbital et de la sonde étaient réparties globalement pour moitié entre européens et américains.

Indépendamment de sa contribution financière au programme obligatoire de l'ESA (pour la sonde Huygens), le CNES a contribué directement - au titre du programme national - à la réalisation d'environ la moitié des expériences scientifiques embarquées sur le module orbital et son atterrisseur. Cette participation reposait essentiellement sur le partenariat CNES/laboratoires spatiaux du CNRS. Une dizaine de laboratoires français était impliquée dans le cadre du projet.

La communauté scientifique française s'est fortement mobilisée pour être présente sur cette mission, avec plus de cinquante scientifiques français sélectionnés, dont deux responsables scientifiques d'expérience et trois scientifiques interdisciplinaires (IDS) : elle constituait la première communauté européenne sur la mission.

Contributions françaises à l’orbiteur Cassini

Les laboratoires français ayant contribué à Cassini sont les suivants :

• Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM)
• Commissariat à l'Energie Atomique (CEA)
• Laboratoire d’Instrumentation et de Recherche en Astrophysique (LIRA/Observatoire de Paris)
• Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS)
• Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP)
• Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS)
• Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP)

Contributions françaises et internationales aux instruments de l’orbiteur Cassini

• CAPS (Cassini Plasma Spectrometer) : Southwest Research Institute (USA), LATMOS,
• CDA (Cosmic Dust Analyser) : Max-Planck-Institut für Kernphysik (Allemagne), LAM,
• CIRS (Composite Infrared Spectrometer) : NASA Goddard Space Flight Center (USA), CEA, LIRA/Observatoire de Paris,
• ISS (Imaging Science Subsystem) : Space Science Institute (USA), CNES,
• MIMI (Magnetospheric Imaging Instrument) : Johns Hopkins University (USA), IRAP,
• RPWS (Radio and Plasma Wave Spectrometer) : University of Iowa (USA), LATMOS, LIRA/Observatoire de Paris,
• RADAR (Cassini Radar) : NASA Jet Propulsion Laboratory (USA), LIRA
• RSS (Radio Science Subsystem) : NASA Jet Propulsion Laboratory (USA)
• UVIS (Ultraviolet Imaging Spectrograph) : University of Colorado (USA), IRAP
• VIMS (Visible and Infrared Mapping Spectrometer) : University of Arizona (USA), LIRA/Observatoire de Paris, IAS.

Contribution française à l’atterrisseur Huygens

Les laboratoires français ayant contribué à l’atterrisseur Huygens sont les suivants :

• Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS)
• Le Laboratoire de Physique et Chimie de l'Environnement et de l'Espace (LPC2E)
• Laboratoire d’Instrumentation et de Recherche en Astrophysique (LIRA/Observatoire de Paris)
• Le Laboratoire Inter-universitaire des Systèmes Atmosphériques (LISA)

Contributions françaises et internationales aux instruments de l’atterrisseur Huygens

• ACP (Aerosol Collector Pyrolyser) : LATMOS,
• HASI (Huygens Atmospheric Structure Instrument) : LIRA/Observatoire de Paris, LPC2E,
• DISR (Descent Imager/Spectral Radiometer) : University of Arizona, Tucson (USA), LIRA/Observatoire de Paris,
• GCMS (Gas Chromatograph Mass Spectrometer) : NASA Goddard Space Flight Center, LISA.