Contexte

La Terre baigne en permanence dans un flux de particules venant du Soleil : le vent solaire. Il s’agit d’un courant de protons et d’électrons lancé à très grande vitesse (environ 400 km/s). Quand ce vent rencontre la Terre, il se heurte à un obstacle : notre champ magnétique.

Ce champ agit comme une bulle protectrice, appelée magnétosphère. Elle est aplatie du côté du Soleil et étirée du côté opposé, un peu comme la traîne d’une comète. La frontière entre la magnétosphère et le vent solaire est appelée magnétopause.

Même si cette bulle agit comme un bouclier, elle n’est pas complètement étanche : une partie du vent solaire parvient à pénétrer, entraînant des échanges d’énergie et de matière avec la Terre. Ces phénomènes sont complexes, car ils impliquent des plasma (gaz chargés électriquement) qui interagissent surtout par des ondes et de la turbulence, et non par des collisions comme dans l’air que nous respirons.

Jusqu’ici, les satellites utilisés pour étudier ces phénomènes n’étaient envoyés qu’un par un. Cela permettait de « cartographier » l’espace, mais pas de suivre les phénomènes rapides et turbulents. Pour aller plus loin, l’agence spatiale européenne (ESA) a lancé en 2000 le projet Cluster : quatre satellites identiques volant en formation tétraédrique.

Grâce à cette configuration unique, les scientifiques peuvent enfin observer en trois dimensions comment le vent solaire interagit avec la magnétosphère. Cela leur permet de distinguer ce qui change dans le temps et dans l’espace, et d’étudier plus finement les échanges d’énergie et de particules qui régissent cette frontière invisible, mais vitale pour la protection de notre planète.

Grâce à ces quatre satellites en formation, les scientifiques peuvent mieux comprendre les phénomènes complexes qui se produisent là où le vent solaire rencontre le champ magnétique terrestre.

Les principaux objectifs de Cluster sont :

• Étudier les frontières entre deux environnements spatiaux, par exemple là où le vent solaire pénètre partiellement la bulle magnétique de la Terre, et comprendre les mécanismes comme la reconnexion magnétique, qui permet aux particules de franchir ces frontières.
• Observer comment des particules sont accélérées lorsque le champ magnétique de la Terre se déforme, notamment dans sa longue queue du côté opposé au Soleil.
• Mieux comprendre la turbulence et les tourbillons qui se forment dans le plasma, et qui jouent un rôle important dans le transfert d’énergie.
• Analyser la façon dont des ondes et des particules sont créées lors de chocs sans collision (comme celui entre le vent solaire et le champ magnétique terrestre), et comment elles accélèrent des particules à très grande vitesse.
• Étudier en détail le vent solaire lui-même, qui peut servir de modèle pour d’autres vents stellaires dans l’Univers.

Cluster II, qui a été envoyé dans l’espace, a bénéficié d’une meilleure capacité d’enregistrement que la mission initiale (avortée du fait d’un échec lanceur, lire ci-dessous « Déroulé du projet »). Cela a permis de couvrir une orbite entière et donc de récolter plus de données, notamment sur l’origine de certaines ondes électromagnétiques dans la magnétosphère, du rôle du vent solaire dans les transferts de matière vers la Terre, ou encore sur les phénomènes liés aux aurores polaires.

La distance entre les quatre satellites a été régulièrement ajustée pour s’adapter aux différentes régions traversées et pour optimiser la configuration tétraédrique, afin d’obtenir les mesures les plus utiles possibles.

Déroulé du projet

Le projet Cluster est officiellement né en février 1983 à l’ESA lors d'une réunion de démarrage d’une phase d’étude regroupant des scientifiques et ingénieurs européens (dont une forte composante scientifique française et allemande). Cette phase avait été précédée par de nombreuses études menées principalement en France depuis la fin des années 1970.

Le projet a ensuite franchi avec succès toutes les étapes de décision pour finalement devenir conjointement avec le projet solaire SOHO la première « pierre angulaire » du programme Horizon 2000 de l’ESA.

La sélection de la charge utile a été entérinée par le Comité des programmes scientifiques de l’ESA en 1988.

Le lancement du 4 juin 1996 s’est malheureusement soldé par un échec dû à un mauvais fonctionnement du lanceur (premier vol de qualification d’Ariane 5).

À la suite de la résolution adoptée par son Comité des programmes scientifiques du 3 avril 1997, l’ESA a décidé, en accord avec la communauté scientifique internationale, de relancer une mission Cluster appelée Cluster II, avec quatre satellites et des instruments identiques à ceux de la mission initiale, dans le but de remplir les objectifs scientifiques prévus dans la première pierre angulaire du programme Horizon 2000.

La mission Cluster II a été lancée en juillet et août 2000, depuis la base de Baïkonour (Kazakhstan), à l’aide de deux fusées Soyouz. La mission s’est terminée en 2024.

Organisation

L’ESA était en charge de l’organisation du projet puis, durant la phase opérationnelle, de la coordination des opérations scientifiques sur les satellites, en lien avec le centre JSOC (Joint Scientific Operation Center) localisé au RAL en Grande-Bretagne.

Parmi les membres du groupe projet, il faut également noter la présence d’un responsable du segment sol localisé à l’ESOC, responsable de l'envoi des télécommandes, du recueil de la télémesure, du stockage et de la mise à disposition des données en ligne à l’ESOC et sur CDROM expédiées aux investigateurs principaux et aux centres nationaux.

Pour le CSDS (CLUSTER Science Data System), deux niveaux de coordination sont assurés par l’ESA :

• Le niveau technique est dévolu à l'Implementation Working Group (IWG). Il est animé par le scientifique de projet de l’ESA et comporte des responsables scientifiques et techniques des expériences, chargés de réaliser le système de traitement des données. La France y délègue le chef de projet CNES, le responsable scientifique du CFC et les trois scientifiques représentant chacune des expériences CIS, STAFF et WHISPER.
• Le niveau décisionnel est dévolu au Steering Commitee (SC). Il comporte notamment les responsables des centres ayant le pouvoir décisionnel, en particulier budgétaire, et des représentants des PI. La France est représentée par le chef de projet CNES. Le responsable scientifique du CFC ainsi que le responsable de programme CNES sont invités à y participer.

Le CNES était responsable de la gestion des développements au niveau maîtrise d’ouvrage : il a établi et géré les conventions passées avec les laboratoires français qui assuraient la reconstruction des instruments, le développement des logiciels de traitement des données (décommutation des télémesures et exploitation scientifique) et la définition des opérations. Le CNES a assuré le développement, la mise en place et l’exploitation du CFC pendant la durée de la mission.

Liste des laboratoires impliqués :

• Instrument CIS, sous responsabilité de l’IRAP, en collaboration avec le CODIF et le HIA
• Instrument STAFF, sous responsabilité du Centre d'Etude des Environnements Terrestre et Planétaires (CETP), en collaboration avec le DESPA, le LCPE et le CEPHAG et l’IRAP
• Instrument WHISPER, responsabilité du LPC2E, en collaboration avec le CETP
• Instrument WEC, responsabilité du CETP
• Instrument PEACE, sous responsabilité du CETP