Le vaisseau spatial Ulysse se balance au-dessus du pôle sud du Soleil
Ulysse se lance dans une troisième série de cols polaires
Le 17 novembre, la mission conjointe ESA-NASA Ulysse franchira une autre étape importante de son épique voyage hors de l’écliptique : le début du troisième passage au-dessus du pôle sud du Soleil. Lancé en 1990, le vaisseau spatial de construction européenne est engagé dans l’exploration de l’héliosphère, la bulle dans l’espace soufflée par le vent solaire. Compte tenu de la nature capricieuse du Soleil, cette troisième visite révélera sans aucun doute des caractéristiques nouvelles et inattendues de l’environnement de notre étoile.
Les premiers passages polaires en 1994 (sud) et 1995 (nord) ont eu lieu près du minimum solaire, tandis que la seconde série s’est produite au plus fort de l’activité solaire en 2000 et 2001. « Lors des premiers passages polaires, Ulysse a trouvé une héliosphère bien ordonnée avec des différences nettes entre le vent solaire aux pôles et à l’équateur », explique Richard Marsden, scientifique du projet Ulysse et chef de mission de l’ESA. « Au maximum solaire, les choses étaient plus complexes, ce qui rendait difficile de distinguer une région particulière d’une autre.
Alors qu’Ulysse s’approche des régions polaires pour la troisième fois, le Soleil s’est à nouveau calmé et sera proche de son minimum. « Ulysse orbite autour du Soleil une fois tous les 6,2 ans, ce qui le rend parfait pour étudier le cycle d’activité solaire de 11 ans », explique Marsden. « En fait, nous pouvons vraiment dire qu’Ulysse explore l’héliosphère en quatre dimensions – couvrant les trois dimensions spatiales ainsi que le temps. » Même si le Soleil sera proche de son minimum d’activité comme il l’était en 1994-95, il y a une différence fondamentale : le champ magnétique du Soleil a inversé sa polarité. En plus du cycle d’activité de 11 ans, le Soleil a un cycle magnétique de 22 ans, connu sous le nom de cycle de Hale. Ulysse, maintenant dans sa 17e année en orbite, donne aux scientifiques la chance d’observer l’héliosphère d’un point de vue unique, hors de l’écliptique et avec le même ensemble d’instruments sur presque un cycle de Hale complet. Qu’est-ce que l’équipe scientifique d’Ulysse s’attend à trouver cette fois-ci ? « Si nos idées sont correctes, le changement de polarité du champ magnétique du Soleil aura un effet clair sur la façon dont les particules de rayons cosmiques atteignent notre emplacement dans l’héliosphère intérieure », explique Marsden. « Au cours du dernier minimum solaire, les particules chargées positivement ont eu un peu plus de facilité à atteindre les régions polaires ; cette fois, les électrons chargés négativement devraient avoir l’avantage. »
Mais il pourrait y avoir des surprises. En 1994, la différence pôle-équateur dans le nombre de particules observées, bien que présente, était beaucoup plus faible que prévu. Cela a conduit à plusieurs nouveaux modèles de la façon dont les particules chargées se déplacent dans l’environnement complexe de l’espace interplanétaire. Les nouvelles observations permettront de tester si ces nouvelles théories sont correctes. Une autre surprise des premiers passages polaires était le fait que l’héliosphère n’est pas aussi symétrique que les scientifiques le croyaient. Le champ magnétique du Soleil s’est avéré légèrement plus fort au sud qu’au nord. « Nous surveillerons cet effet alors qu’Ulysse basculera du pôle sud vers le nord en 2007 », déclare Marsden. Bien qu’important en soi, Ulysse est également un membre clé de la flotte de vaisseaux spatiaux connue sous le nom de réseau héliosphérique qui comprend SOHO et les vaisseaux spatiaux ACE, Wind et Voyager de la NASA. Le Réseau a récemment accueilli deux nouveaux membres, le vaisseau spatial jumeau STEREO qui a été lancé par la NASA fin octobre. « Nous sommes vraiment enthousiasmés par les possibilités d’observations conjointes utilisant STEREO, ACE et SOHO pendant le transit pôle à pôle d’Ulysses en 2007 », déclare Marsden.
Qu’était Ulysse ?
La mission conjointe ESA-NASA Ulysse a effectué près de trois orbites complètes du Soleil pendant plus de 18 ans de service. La sonde a fonctionné plus de quatre fois sa durée de vie prévue et a fait de nombreuses découvertes importantes. Les principales conclusions d’Ulysse comprenaient des données qui montraient qu’il y avait un affaiblissement du vent solaire au fil du temps (qui était à son plus bas niveau en 50 ans en 2008). Les données de la mission ont indiqué que le champ magnétique solaire aux pôles du Soleil est beaucoup plus faible qu’on ne le supposait auparavant. Ulysse a aidé à déterminer que le champ magnétique du Soleil « s’inverse » en direction tous les 11 ans.
La rencontre du vaisseau spatial en mai 1996 avec la comète Hyakutake a révélé que les queues des comètes sont beaucoup plus longues que prévu.
Instruments scientifiques d’Ulysse
Expérience de plasma éolien solaire BAM
Expérience sur la composition des ions du vent solaire GLG
Expérience de champs magnétiques HED
Expérience sur la composition des particules énergétiques/gaz neutre KEP
Expérience de composition/anisotropie de particules chargées à faible énergie LAN
Expérience SIM sur les rayons cosmiques et les particules solaires
Expérience STO sur les ondes radio/plasma
Expérience sur les rayons X solaires et les sursauts gamma cosmiques HUS
Expérience de poussière cosmique GRU
Premières
Première mission d’étude de l’environnement spatial au-dessus et au-dessous des pôles de notre Soleil
Dates clés
6 octobre 1990 : lancement depuis la soute de la navette spatiale Discovery
8 février 1992 : Ulysse devient le cinquième vaisseau spatial à atteindre Jupiter
26 juin-6 novembre 1994 : Observations du pôle sud du Soleil
19 juin et 30 septembre 1995 : Ulysse passe au-dessus des régions polaires nord du Soleil
12 mars 1995 : Approche la plus proche du Soleil (environ 124 millions de miles ou 200 millions de kilomètres)
1er octobre 1995 : l’ESA prolonge la mission d’Ulysses et la rebaptise Second Solar Orbit
30 juin 2009 : Perte de contact avec le vaisseau spatial
En profondeur : Ulysse 
La mission Ulysse était une excroissance de la mission polaire solaire internationale (ISPM) abandonnée qui impliquait à l’origine deux engins spatiaux – un américain et un européen – survolant des pôles solaires opposés pour étudier le Soleil en trois dimensions. Finalement, la NASA a annulé son vaisseau spatial, érodant considérablement la confiance des partenaires internationaux dans la fiabilité de la NASA en tant que partenaire, et la mission a fusionné en un seul vaisseau spatial, fourni par l’ESA.
La charge utile scientifique était partagée par l’ESA et la NASA, la NASA fournissant les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes, ou RTG (similaire à la source d’alimentation de Galileo), un lancement de navette spatiale et un suivi depuis le Deep Space Network. Les opérations de contrôle au sol étaient partagées par les Américains et les Européens.
Le véhicule a été conçu pour suivre une trajectoire unique qui utiliserait une assistance gravitationnelle de Jupiter pour le faire passer sous le plan écliptique et au-delà du pôle sud solaire, puis au-dessus de l’écliptique pour survoler le pôle nord. Finalement, 13 ans après que le conseil scientifique de l’ESA eut approuvé la mission (considérablement retardée par la catastrophe du Challenger), le 6 octobre 1990, environ 7,5 heures après le lancement, Ulysses a été envoyé en orbite héliocentrique via un étage supérieur inertiel/PAM Combinaison moteur -S. La vitesse de fuite était d’environ 10 miles par seconde (15,4 kilomètres par seconde), plus élevée que celle atteinte par l’un ou l’autre des Voyagers ou des Pionniers, et la vitesse la plus rapide jamais atteinte par un objet fabriqué par l’homme à l’époque. Après une correction à mi-course le 8 juillet 1991, Ulysse est passé à environ 235 000 milles (378 400 kilomètres) de Jupiter à 12 h 02 TU le 8 février 1992, devenant le cinquième vaisseau spatial à atteindre Jupiter.
Après une période de 17 jours à travers et à étudier le système jovien, le vaisseau spatial s’est dirigé vers le bas et est revenu vers le Soleil. À partir de la mi-1993 environ, Ulysse se trouvait constamment dans la région de l’espace dominée par le pôle sud du Soleil, comme l’indique la polarité négative constante mesurée par le magnétomètre. Les observations polaires sud se sont étendues du 26 juin au 6 novembre 1994, lorsque le véhicule était au-dessus de 70 degrés de latitude solaire. Il a atteint un maximum de 80,2 degrés en septembre 1994. Ses instruments ont constaté que le vent solaire souffle plus vite au pôle Sud qu’aux régions équatoriales.
Volant au-dessus de l’équateur solaire le 5 mars 1995, Ulysse est passé au-dessus des régions polaires nord entre le 19 juin et le 30 septembre 1995 (latitude maximale de 80,2 degrés). L’approche la plus proche du Soleil a eu lieu le 12 mars 1995, à une distance d’environ 124 millions de miles (200 millions de kilomètres).
L’ESA a officiellement prolongé la mission d’Ulysse le 1er octobre 1995, en renommant cette partie comme la deuxième orbite solaire. Trois fois au cours de sa mission, le vaisseau spatial a traversé de manière inattendue des queues de comètes – la première fois en mai 1996 (comète C/1996 B2 Hyakutake), la deuxième fois en 1999 (comète C/1999 T1 McNaught-Hartley) et la troisième fois en 2007 (comète C/2006 P1 McNaught). Le vaisseau spatial a effectué un deuxième passage au-dessus du pôle sud solaire entre septembre 2000 et janvier 2001 et du pôle nord entre septembre et décembre 2001. À l’époque, le Soleil était au sommet de son cycle de 11 ans ; Ulysse a découvert que le pôle magnétique sud était beaucoup plus dynamique que le pôle Nord et ne disposait d’aucun emplacement clair et fixe.
Le comité du programme scientifique de l’ESA a approuvé une quatrième extension de la mission Ulysse afin qu’elle puisse poursuivre ses investigations au-dessus des pôles du Soleil en 2007 et 2008. Au début de 2008, l’ESA et la NASA ont annoncé que la mission se terminerait finalement dans les prochains mois, après avoir fonctionné plus de quatre fois sa durée de vie. 
Avec les systèmes de communication défaillants ainsi que l’épuisement de la puissance en raison du déclin des RTG (et permettant ainsi à la carburante hydrazine de son système de contrôle d’attitude de geler), le vaisseau spatial était sur son dernier souffle à ce moment-là. Les opérations de la mission se sont poursuivies à capacité réduite jusqu’à la perte de contact le 30 juin 2009, plus de 18,5 ans après le lancement.
Les principales découvertes d’Ulysse incluent des données qui ont montré qu’il y a un affaiblissement du vent solaire au fil du temps (qui était à son plus bas niveau en 50 ans en 2008), que le champ magnétique solaire aux pôles est beaucoup plus faible qu’on ne le supposait auparavant, que le soleil le champ magnétique « inverse » sa direction tous les 11 ans, et que les petites particules de poussière provenant de l’espace lointain dans le système solaire sont 30 fois plus abondantes qu’on ne le supposait auparavant .
Ulysse explore le pôle sud du soleil
Faits saillants scientifiques – Vent solaire et champ magnétique
Les passages polaires d’Ulysse ont lieu près du minimum dans le cycle d’activité actuel du Soleil. La structure de la couronne près du minimum solaire est dominée par l’apparition de grands trous coronaux, régions froides de la couronne solaire, aux pôles nord et sud avec relativement peu de perturbations transitoires. D’après des observations de télédétection sur de nombreuses années (utilisant, par exemple, la scintillation de sources radio distantes), on s’attendait à ce qu’Ulysse rencontre un vent solaire rapide provenant des trous coronaux au-dessus des pôles. Des flux rapides de vent solaire sont également observés dans l’écliptique à des moments où les trous coronaux s’étendent aux basses latitudes. Les observations d’Ulysse, les premières jamais réalisées in situ dans le vent solaire provenant des calottes polaires, ont confirmé cette attente. 
De juillet 1992 à avril 1993, le flux de vent solaire à Ulysse a été dominé par l’apparition d’un seul courant à grande vitesse une fois par rotation solaire, avec un vent solaire plus lent entre les deux (Fig. 3). Le flux rapide a été retracé jusqu’à une extension vers l’équateur du trou coronal polaire sud, tandis que le vent plus lent provenait de la soi-disant ceinture de banderoles coronales qui encercle l’équateur magnétique du Soleil. A partir de mai 1993, ce schéma récurrent s’est modifié. Alors que le courant à grande vitesse dominant est resté visible dans les données, la vitesse du vent dans les régions inter-courant a augmenté, réduisant considérablement les excursions de crête à vallée. En raison de sa position de plus en plus méridionale à cette époque, Ulysse n’était plus exposé au vent solaire de l’intérieur de la ceinture de banderoles. 
Une fois au-dessus de 40 degrés de latitude, Ulysse est devenu totalement immergé dans le vent solaire rapide du trou coronal polaire circulant en continu à une vitesse moyenne de 750 km/s. Ces conditions ont persisté tout au long du passage polaire sud, se poursuivant au moins jusqu’à la fin de 1994. Cependant, étant donné le changement beaucoup plus rapide de la latitude de l’engin spatial pendant le segment pôle à pôle de la trajectoire que pendant la montée initiale hors de l’écliptique , il faut s’attendre à ce que bientôt Ulysse rencontre à nouveau un schéma récurrent de flux de vents solaires rapides et lents similaires à ceux observés à des latitudes plus basses avant le passage polaire sud. Le profil de la vitesse du vent solaire illustré à la Fig. 3 est une « carte routière » très utile de la première excursion d’Ulysse vers les hautes latitudes. ![LEGO MOC Ulysses Space Probe [~1:60 scale] by PedroJ | Rebrickable - Build with LEGO](https://cdn.rebrickable.com/media/thumbs/mocs/moc-74211.jpg/1000x800.jpg)
De nombreux phénomènes étudiés présentent des caractéristiques qui peuvent être liées aux mêmes grandes régions que celles trouvées dans les données sur le vent solaire. L’exposition continue au vent solaire rapide sur une période de plusieurs mois a permis à Ulysse d’étudier les caractéristiques des écoulements à grande vitesse avec des détails sans précédent, conduisant à une compréhension très claire des différences fondamentales entre le vent rapide et le vent lent. Le vent rapide des pôles provient d’une région de l’atmosphère solaire qui est plusieurs centaines de milliers de degrés plus froide que la région source de 1,8 million de degrés du vent plus lent à l’équateur. Le vent rapide a également une composition chimique différente du vent lent, étant plus riche en éléments tels que l’oxygène qui sont relativement difficiles à ioniser.
Un phénomène surprenant identifié par l’expérience plasma du vent solaire à bord d’Ulysse était une nouvelle classe d' »éjections de masse coronale » (CME) dans le vent solaire en mouvement rapide aux latitudes élevées. Les CME sont de grosses bulles de gaz, ayant souvent des masses de 10 ^ 13 kg (équivalent à 100 000 gros porte-avions !), propulsées dans l’espace depuis la couronne par les forces magnétiques du Soleil. Les CME proches de l’écliptique sont connues pour « s’enfoncer » dans le vent solaire lent devant elles, créant une onde de choc dans le plasma, un peu comme un avion supersonique dans l’atmosphère terrestre. Les CME de haute latitude observée par Ulysse se comportent tout à fait différemment de leurs cousins écliptiques. Ils se déplacent à la même vitesse élevée que le vent solaire polaire dans lequel ils sont intégrés et se dilatent rapidement (apparemment en raison d’une pression interne élevée). L’expansion rapide des CME à haute latitude entraîne une paire d’ondes de choc, l’une vers et l’autre loin du Soleil. Puisqu’il a été démontré que les CME sont les principaux responsables des orages magnétiques majeurs sur Terre (qui peuvent à leur tour perturber les systèmes technologiques tels que les réseaux électriques et les satellites en orbite), il est important de bien comprendre ces manifestations de l’agitation du Soleil.
Les observations d’Ulysse ont confirmé que la structure à grande échelle du champ magnétique dans les régions polaires est, en moyenne, organisée selon les prédictions du modèle faites par le « père » du vent solaire, le professeur Gene Parker, il y a plus de trois décennies. Dans ce modèle, le champ est façonné par les effets combinés du vent solaire qui transporte le champ s’écoulant radialement vers l’extérieur et de la rotation du Soleil à laquelle les points de base des lignes de champ sont ancrés (Fig. 5). Le champ est enroulé en une spirale plus serrée à l’équateur qu’aux pôles. Il existe cependant des variations importantes – et dans de nombreux cas inattendus – à toutes les échelles de temps (Fig. 6). L’étude détaillée de ces variations, qui peuvent être interprétées en termes d’une variété de structures à la fois dynamiques et spatiales du vent solaire, ont révélé une similitude frappante avec les caractéristiques observées occasionnellement dans le vent solaire rapide dans l’écliptique et beaucoup plus près du Soleil (0,3 UA) par le vaisseau spatial Hélios. 
Un résultat surprenant qui ressort des observations du champ magnétique héliosphérique au-dessus des pôles concerne l’intensité du champ. On s’attendait à ce que les données d’Ulysse acquises à des latitudes élevées contiennent des preuves d’un champ de type dipôle (similaire à un barreau magnétique) avec une concentration claire de flux magnétique correspondant à un pôle magnétique sud. Cette attente était basée sur une extrapolation du champ magnétique de surface (photosphérique) du Soleil, tel que mesuré régulièrement depuis la Terre à l’aide de techniques spectroscopiques.
Particules énergétiques et rayons cosmiques
Depuis qu’une mission d’exploration de la troisième dimension héliosphérique a été conçue, les scientifiques ont été intrigués par la possibilité de pouvoir détecter un échantillon plus complet de particules de rayons cosmiques – des noyaux à haute énergie censés être créés dans les explosions de supernova – au-dessus des pôles solaires. Le raisonnement est assez simple : puisque le champ magnétique héliosphérique aux pôles est beaucoup moins étroitement enroulé par la rotation solaire et vraisemblablement moins perturbé que près de l’équateur, les particules de rayons cosmiques (qui sont électriquement chargées et donc obligées de suivre le champ magnétique) devraient avoir un accès plus facile à l’héliosphère intérieure au-dessus des pôles. 
Un sujet de grand intérêt lors du premier passage polaire a été la variation des flux de particules énergétiques avec la latitude. Avant Ulysse, on s’attendait généralement à ce que les flux de particules énergétiques solaires et interplanétaires soient faibles au-dessus des pôles près du minimum solaire, principalement en raison du manque de sites d’accélération aux latitudes élevées. Étonnamment, les augmentations récurrentes de l’intensité des particules observées aux basses latitudes en association avec des ondes de choc corotatives formées par l’interaction de flux de vents solaires rapides et lents à longue durée de vie, ont continué à être observées jusqu’à 70 degrés de latitude, même si les chocs eux-mêmes n’étaient pas détecté à l’emplacement de l’engin spatial. Au cours de la passe polaire sud elle-même et presque jusqu’à la fin de l’année, les flux ont montré très peu de variation, restant essentiellement à des niveaux de fond.
Une explication possible des résultats des particules énergétiques d’Ulysse est la suivante. Les chocs corotatifs, c’est-à-dire les sites d’accélération des particules, se forment aux hautes latitudes, mais à de plus grandes distances du Soleil qu’Ulysse. Les augmentations de flux récurrentes observées à des latitudes modérément élevées proviennent vraisemblablement de ces endroits plus éloignés. Cependant, une source de particules à faible énergie est également requise comme entrée pour le processus d’accélération. Un candidat évident à cet égard serait une éruption solaire. Si aucune source d’éruption solaire (ou autre) n’est présente, le processus d’accélération sera probablement moins efficace. En fait, aucune éruption énergétique ne s’est produite sur le Soleil lors du passage polaire sud d’Ulysse, ce qui fournirait une explication à l’absence d’augmentations récurrentes de particules au-dessus du pôle.
Ions interstellaires
Un autre domaine de recherche utilisant les données d’Ulysse à haute latitude qui s’est avéré très fructueux est l’étude des ions capteurs interstellaires. Ces particules s’écoulent dans l’héliosphère sous forme d’atomes neutres de gaz interstellaire, sont ensuite ionisées et « captées » par le vent solaire sortant. Des résultats uniques dans ce domaine ont été obtenus par le spectromètre de composition ionique du vent solaire à bord d’Ulysses (Fig. 9). Des ions capteurs d’oxygène, d’azote et de néon d’origine interstellaire ont été détectés pour la première fois, permettant d’estimer les abondances atomiques relatives du gaz interstellaire. De plus, en utilisant des mesures simultanées des flux d’hélium doublement ionisé provenant à la fois du vent solaire et de la captation interstellaire, une nouvelle méthode a été récemment mise au point pour déterminer l’abondance absolue d’hélium neutre dans le milieu interstellaire local. L’analyse préliminaire indique une valeur proche de 0,01 atome par cm3.
L’avenir
La perspective unique d’Ulysse aide à démêler les processus qui donnent lieu à de telles explosions violentes de «météo spatiale». Une telle compréhension est importante, car le bombardement par des particules de haute énergie peut constituer une menace pour les satellites et les astronautes dans l’espace. Le voyage d’exploration d’Ulysse est loin d’être terminé. Après l’achèvement du deuxième passage polaire en janvier, la sonde spatiale redescendra vers le plan de l’écliptique lors de son retour aux latitudes nord élevées en octobre 2001. D’ici là, l’activité solaire déclinera et le champ magnétique du Soleil devrait avoir inversé son polarité. Dans ces conditions, personne ne peut prédire ce qu’Ulysse trouvera. « Quoi qu’il en soit, nous sommes impatients de le découvrir », déclare Marsden. En attendant, il reste encore beaucoup de questions sur les régions polaires sud du Soleil.
Après avoir traversé l’écliptique, Ulysse est maintenant en route vers les régions polaires nord qu’il commencera à explorer le 19 juin. Compte tenu de la richesse des nouvelles données – et de plusieurs énigmes inattendues – qui ont été générées lors de l’exploration du pôle sud, le Les enquêteurs d’Ulysse sont impatients de voir quelles surprises nous réservent au-dessus du pôle nord du Soleil. Quoi qu’il en soit, Ulysse a déjà modifié à jamais notre vision de l’héliosphère. A plus long terme encore, les perspectives de poursuite de la mission après la passe polaire nord sont très bonnes. Le comité du programme scientifique a approuvé la participation de l’ESA à la mission jusqu’en 2001, correspondant à une seconde orbite complète du Soleil. La NASA a également exprimé son intention de poursuivre la mission, étant entendu que les procédures d’approbation du budget de la NASA fonctionnent sur une base à plus court terme qu’à l’ESA. Une évaluation technique a montré que l’engin spatial est capable de fonctionner jusqu’à la fin de 2001, mais avec certaines contraintes au cours des derniers mois de sa durée de vie. Le facteur limitant est la puissance de sortie du générateur thermoélectrique à radio-isotopes (RTG), qui aura diminué au point où il ne pourra plus fournir une puissance électrique suffisante pour maintenir le carburant de contrôle d’attitude au-dessus de son point de congélation. Scientifiquement, la deuxième orbite solaire est hautement souhaitable, puisque les passages polaires en 2000 et 2001 (voir Fig. 10 et Tableau 2) se produiront lorsque le Soleil sera le plus actif. Cela permettra aux scientifiques d’étendre leur étude de l’héliosphère tridimensionnelle pour couvrir toute la gamme des conditions d’activité solaire.
https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Ulysses_embarks_on_third_set_of_polar_passes
https://solarsystem.nasa.gov/missions/ulysses/in-depth/