Cet article est extrait du mensuel Sciences et Avenir - La Recherche n°908, daté octobre 2022.
Ce n'est que soixante minutes avant l'impact, le 27 septembre peu après minuit (heure française), que l'astéroïde Dimorphos deviendra directement observable. Il se trouvera alors à 11 millions de kilomètres de la Terre. Et à 24.000 kilomètres de la sonde américaine Dart (Double Asteroid Redirection Test), lancée dix mois plus tôt depuis la base militaire de Vanden-berg en Californie à la rencontre de l'astéroïde. Une caméra dénommée DRACO, seul instrument intégré dans la sonde de la Nasa, ne distinguera tout d'abord qu'un minuscule point blanc de 1,4 pixel sur le fond noir de l'espace. Mais le système de navigation autonome, inspiré de ceux qui guident les missiles, le gardera constamment en ligne de mire. Et les images enregistrées par la caméra, de plus en plus nettes et précises, permettront de diriger l'engin vers le centre de l'astéroïde, à la vitesse faramineuse de 24.000 km/h.
Deux minutes avant le crash, le bolide se situera à 800 kilomètres du rocher spatial, dévoilant une silhouette claire de 40 pixels. Puis de 300 pixels, lorsqu'il ne se sera plus qu'à vingt petites secondes et une centaine de kilomètres de la surface… "DRACO pourra encore transmettre des images trois secondes avant l'impact, s'enthousiasme Patrick Michel, astrophysicien à l'observatoire de la Côte-d'Azur et un des initiateurs du projet . Ces ultimes clichés devraient être très impressionnants. Et nous saurons sans doute déjà, grâce à eux, si le vaisseau kamikaze s'écrasera bel et bien sur l'astéroïde et pourra accomplir sa mission. " À savoir : expérimenter, pour la première fois dans des conditions réelles, la possibilité de dévier un astéroïde… en le "torpillant" depuis la Terre ! Car si Dimorphos ne présente lui-même aucun danger pour notre planète, "d'autres corps célestes pourraient poser un jour des risques majeurs voire existentiels à l'humanité, avertit le scientifique niçois. Il est donc crucial de s'y préparer et de développer des moyens de défense, avec ce premier test grandeur nature. " Des dizaines de tonnes de roches interplanétaires tombent chaque jour sur notre planète. Tandis que la plupart se désintègrent dans l'atmosphère, les plus grosses - de quelques centimètres à plusieurs mètres de large - produisent des météorites qui atteignent le sol, généralement sans dommage. Mais des objets beaucoup plus volumineux croisent aussi l'orbite de la Terre. Dans la trajectoire plus ou moins elliptique qu'ils effectuent autour du Soleil, ils peuvent s'approcher à moins de 50 millions de kilomètres. Et même, pour les plus dangereux, à moins de 7 millions de kcaption under imageilomètres, accentuant le risque de collision dans un horizon plus ou moins lointain. Le nombre de ces géocroiseurs est inversement proportionnel à leur taille et à leur fréquence d'impact. Seuls quatre spécimens de plus dix kilomètres de diamètre ont ainsi été identifiés dans l'environnement de la Terre. S'ils la percutaient, ils engendreraient un cataclysme similaire à celui qui s'est produit il y a 66 millions d'années, lorsqu'un tel mastodonte s'est écrasé dans le Yucatán, au sud-est du Mexique. En soulevant des milliards de tonnes de poussières dans la haute atmosphère (sans compter l'onde de choc gigantesque, les tempêtes de feu, etc.), l'impact aurait bloqué durablement les rayons du Soleil et transformé le climat. Résultat : une suite de conséquences provoquant l'extinction de 70 % des espèces dont les dinosaures non aviens. Très rare, ce type d'événement ne se produirait que tous les 100 à 200 millions d'années (voir le tableau ci-dessous).
Les dimensions de ces géocroiseurs sont inversement proportionnelles à leur nombre et à leur fréquence d'impact. Crédits : Bruno Bourgeois
Près d'un millier d'astéroïdes de plus d'un kilomètre de diamètre
Voyons maintenant une collision avec des astéroïdes dont le diamètre serait compris entre un et dix kilomètres de diamètre. Ceux-ci frappent la Terre tous les 500.000 ans en moyenne. Leur impact serait certes moins apocalyptique mais se répercuterait néanmoins sur l'ensemble de la planète. Il générerait un cratère de 10 kilomètres de large et libérerait une énergie équivalente à 50.000 mégatonnes de TNT, soit 5 millions de fois la bombe nucléaire d'Hiroshima ! Aucune région du globe ne serait totalement épargnée, ce qui pourrait entraîner la disparition des civilisations humaines… En 1998, la Nasa a commencé à répertorier ces monstres célestes à la demande du Congrès américain. "Près d'un millier d'entre eux ont été découverts, atteste Patrick Michel . Leur recensement est aujourd'hui quasiment terminé, et fort heureusement, aucun ne nous menace dans les prochains siècles. " Aussi, depuis le milieu des années 2000, l'attention se concentre sur les géocroiseurs plus petits. Ceux dont le diamètre est compris entre 140 mètres - soit la hauteur, pour fixer les idées, de la Grande Pyramide de Gizeh - et un kilomètre. Un astéroïde de cette taille n'engendrerait pas de catastrophe planétaire, mais l'impact, qui libérerait une énergie supérieure à 10.000 bombes d'Hiroshima, raserait instantanément un pays comme la Belgique. Et il dévasterait des zones habitées quel que soit l'endroit du crash, même au milieu de l'océan, en déclenchant de puissants séismes et des méga-tsunamis.
De tels astéroïdes croisent la route de la Terre tous les 20.000 ans environ. Près de 10.000 ont été à ce jour identifiés. Heureusement là encore, selon les calculs des astronomes (orbites précises, vitesses…) aucun ne nous menace. Pour les 100 prochaines années tout du moins. "Le problème, c'est qu'il en existerait beaucoup d'autres : environ 15.000 de plus, avance Patrick Michel. Il est donc indispensable d'en poursuivre l'inventaire. " Plusieurs dizaines d'années de traque seraient toutefois nécessaires avec les technologies actuelles. Mais la Nasa disposera bientôt d'un atout majeur : l'observatoire spatial Near Earth Object Surveyor, qui devrait être satellisé en 2026 à 1,5 million de kilomètres de la Terre. Grâce à ce télescope infrarouge, optimisé pour détecter les objets peu lumineux et relativement petits que sont les astéroïdes de 140 à 1000 mètres de large, ce recensement pourra être achevé en seulement dix ans. Nous bénéficierons ainsi, au milieu des années 2030, d'une vision précise de l'état de la menace. "Une étape fondamentale pour établir une stratégie de défense planétaire ", pose l'astrophysicien.
"Une catastrophe qui peut être évitée"
Brian May. Crédits : AFP
Brian May, le célèbre guitariste de Queen, âgé de 75 ans, est aussi astrophysicien. En 2007, il a achevé ses études doctorales, entamées une trentaine d'années plus tôt à l'Imperial College de Londres (Royaume-Uni), sur les nuages de poussières du Système solaire produits par des comètes et des collisions d'astéroïdes. Brian May se passionne également pour la défense planétaire. Il collabore ainsi à la mission Hera, pour laquelle il réalisera des analyses stéréoscopiques (en trois dimensions) de l'astéroïde Dimorphos.
"Une collision avec un astéroïde volumineux constitue un risque à faible probabilité mais potentiellement à hautes conséquences. Toutefois, et contrairement aux éruptions volcaniques, séismes ou tsunamis de grande ampleur, c'est l'une des seules catastrophes naturelles qui pourrait être prédite et évitée grâce aux moyens qu'une communauté d'experts est en train de mettre en œuvre. Il s'agit, en substance, de pouvoir détecter à l'avance un impact et de disposer d'une solution technologique pour y faire face. Cette dernière est l'objectif des missions Dart et Hera des agences spatiales américaine et européenne, qui fourniront le premier test de déviation d'astéroïde entièrement documenté en utilisant la technique de l'impacteur cinétique."
Des stratégies adaptées à l'importance des objets
Impossible d'attendre cependant, car que faire si un péril était identifié ? Si l'on découvrait qu'un astéroïde "tueur" se dirige tout droit vers notre planète ? Diverses solutions ont été envisagées par les autorités politiques, les scientifiques et les agences spatiales (lire l'encadré ci-dessous).
Les différentes techniques de déviation
Comment se protéger d'un astéroïde tueur ? Tout dépend de sa taille et du temps dont on dispose avant l'impact. Pour les géocroiseurs de quelques dizaines de mètres de diamètre, une approche "passive" serait privilégiée (en bleu sur le schéma) . Elle reposerait sur la mise à l'abri des populations menacées, les services de sécurité civile et une communication s'efforçant d'éviter la panique. Les astéroïdes plus volumineux nécessiteraient une méthode active, visant à les dévier. Ablation par faisceau laser, catapultes, moteurs ioniques, revêtements modifiant les propriétés radiatives de l'astre… "Quantité de méthodes ont été imaginées dans ce qui s'apparente à un concours Lépine ", constate Alain Hérique, de l'Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble. Mais le choix dépendra surtout du délai avant l'impact. Si celui-ci est de plusieurs dizaines d'années, des techniques exerçant une poussée lente pourraient être envisagées, comme celle du "tractage gravitationnel" (en vert) . Elle consiste à positionner un engin massif à une distance constante de l'objet rocheux, afin d'en modifier peu à peu la trajectoire sous l'effet de leur attraction gravitationnelle mutuelle. Mais si le temps de réaction est plus bref, la méthode la plus efficace est celle de l'impacteur cinétique (en orange ), testée par les missions Dart et Hera. Elle serait toutefois inopérante pour les géocroiseurs les plus volumineux, surtout si l'échéance est faible. L'ultime solution serait une explosion nucléaire, extrêmement risquée (en rouge) .
Crédits : Bruno Bourgeois
Popularisée par le film américain Armageddon (1998), la plus radicale consisterait à utiliser des charges nucléaires pour pulvériser l'astre menaçant. Mais les traités internationaux interdisent la mise en orbite de telles armes. Leurs effets seraient par ailleurs incontrôlables - sur le nombre, le gabarit et la trajectoire des débris rocheux notamment. Il s'agirait donc plutôt de faire exploser une charge à proximité de l'astéroïde. Les radiations émises lui transmettraient alors une impulsion, ce qui infléchirait sa course sans le fragmenter. L'utilisation d'armes nucléaires serait de fait extrêmement risquée : "On ne l'envisagerait qu'en dernier recours et pour les astéroïdes de plusieurs centaines de mètres à plusieurs kilomètres de large ", tranche Naomi Murdoch, de l'Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace, à Toulouse.
Les techniques les plus crédibles reposent quoi qu'il en soit sur le même principe de base : modifier artificiellement la trajectoire d'un astéroïde afin qu'il coupe l'orbite terrestre sept minutes plus tôt ou plus tard au minimum (temps mis par la Terre pour parcourir une distance égale à son diamètre), évitant ainsi une collision. Mais pour obtenir la déviation escomptée, il faut exercer une poussée suffisante sur l'astéroïde. "Et cette force dépend essentiellement de deux paramètres, signale Naomi Murdoch . Elle sera d'autant plus importante que l'astéroïde est massif et que le délai entre la détection et l'impact est réduit dans le temps. " Or, pour les astéroïdes de plus de 140 mètres de large et dans le cas d'une échéance inférieure à une vingtaine d'années, "la technologie qui semble à la fois la plus mature et la plus efficace est celle de l'impacteur cinétique, celle-là même qui sera testée par la mission Dart ", note la chercheuse. L'objectif ? Propulser un engin en direction de l'astéroïde, afin qu'il transmette lors du choc sa "quantité de mouvement". Cette grandeur, qui dépend de la masse et de la vitesse du projectile, s'additionnera en effet à celle de l'objet rocheux. Sa dynamique (trajectoire, vitesse…) sera ainsi modifiée. "Un peu comme dans une partie de billard où des boules s'entrechoquent, relève Alain Hérique, de l'Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble, mais les quantités de mouvement n'auront absolument rien de comparable." Alors que la masse de Dart dépasse à peine 500 kg, celle de Dimorphos avoisinerait 5 millions de tonnes, soit 10 millions de fois plus ! "C'est comme si un moustique percutait un semi-remorque ", plaisante le chercheur. Il ne faut donc pas s'attendre à des conséquences spectaculaires ni une déviation à 45° comme dans un film hollywoodien. D'autant qu'il sera extrêmement difficile, dans un avenir raisonnable, d'utiliser un impacteur dépassant quelques tonnes. C'est pour cette raison que le délai de réaction est si important. Car les "piche-nettes" engendrées, très faibles, ne seront efficaces que si elles sont intégrées sur une période assez longue, de plusieurs années ou dizaines d'années. "On ne pourra protéger la Terre que si la menace est détectée suffisamment tôt", résume le Grenoblois.
Crédits : Bruno Bourgeois
Plusieurs arguments ont concouru au choix de la cible pour la mission Dart. La taille de Dimorphos, tout d'abord, qui mesure 160 mètres de diamètre. "Il fait partie de cette population d'astéroïdes qui nous menacent le plus du fait de leur nombre, des millions de victimes qu'ils pourraient occasionner et parce qu'on ne les connaît pas tous encore, rappelle Naomi Murdoch. C'est sur ce type de géocroiseurs qu'il faut ainsi concentrer nos efforts." Mais Dimorphos possède également une très intéressante particularité. Il gravite lui-même autour d'un astéroïde de 780 mètres de diamètre appelé Didymos, à une distance de 1,2 kilomètre. Dimorphos est donc une "lune" qui réalise un tour complet en exactement 11 heures et 55 minutes. Or, en percutant le satellite de manière frontale, Dart lui transférera sa quantité de mouvement, ce qui diminuera sa vitesse et réduira sa période orbitale. D'au moins 73 secondes, augurent les planétologues, soit 0,2 %.
Comment la trajectoire de Dimorphos va être modifiée
En percutant Dimorphos, la sonde Dart va dévier l'orbite du petit astéroïde autour de son astre jumeau Didymos. Le nanosatellite LICIACube fournira des images de Dimorphos trois minutes après le crash.
Crédits : Nasa/Johns Hopkins APL
Une mission à 330 millions d'euros
Certes minime, ce changement d'orbite pourra être démontré au bout de quelques semaines grâce à une batterie d'observatoires, dont le Lowell Discovery en Arizona (États-Unis), le Grand Télescope des îles Canaries (Espagne)… et même le nouveau télescope James-Webb depuis l'espace. Ils détecteront pour cela les baisses de luminosité de Didymos lorsque sa lune passera devant lui, suscitant périodiquement des mini-éclipses. Le couple d'astéroïdes constituera ainsi une sorte d'"horloge", avec le corps principal au milieu du cadran et le plus petit jouant le rôle d'une aiguille. "C'est un formidable laboratoire naturel pour mesurer les effets d'un impacteur cinétique ", s'émerveille Patrick Michel. Pour un astéroïde non binaire de la taille de Dimorphos gravitant autour du Soleil, la déviation serait en effet encore plus dérisoire… de l'ordre de 0,000001 %.
"Il faudrait des mois voire des années pour parvenir à la déterminer", insiste l'expert. D'où le choix d'astres jumeaux. Les concepteurs de la mission Dart, qui aura coûté 330 millions de dollars (330 millions d'euros environ), se sont assurés qu'elle ne comporte aucun risque. Quel qu'en soit le résultat. Ce qui explique, là encore, le choix de ce couple d'astéroïdes. Car si l'impact modifiera subtilement l'orbite de Dimorphos autour du corps principal, ce dernier, 100 fois plus massif, ne sera pas affecté. Le système binaire conservera ainsi les mêmes paramètres orbitaux dans sa course autour du Soleil, bouclant une révolution en 770 jours. "Ou avec une altération si infime qu'elle n'implique aucun risque à l'égard de notre planète pour au moins plusieurs millions d'années ", assure Patrick Michel.
Ce qui se produira spécifiquement sur Dimorphos est en revanche beaucoup plus incertain. "Il y a énormément d'inconnues et de questions ouvertes, souligne Naomi Murdoch . Et c'est bien là tout l'intérêt de cette expérience en conditions réelles." Car la poussée appliquée par Dart dépend étroitement de la manière dont l'astéroïde réagira à la collision. Si aucune matière n'est projetée au moment de l'impact, seule la quantité de mouvement de la sonde sera transmise à Dimorphos : la déviation sera donc minime. À l'inverse, si un cratère de 20 mètres de diamètre se forme et qu'une immense gerbe de débris est expulsée dans l'espace, "celle-ci se comportera comme un système à réaction et exercera une poussée ", explique Alain Hérique. Les effets de l'impacteur seront ainsi amplifiés. Mais ce phénomène dépend lui-même d'une foule de paramètres, comme la composition minéralogique, la structure interne ou le caractère plus ou moins poreux de l'astéroïde, à ce jour tous inconnus. Ou encore la physionomie de Dimorphos - ronde, bilobée, en forme de "saucisse" ou de patatoïde… -, elle aussi mystérieuse puisqu'on ne l'a encore jamais observée de près !
"La physique des milieux granulaires, très mal connue dans les régimes de faible gravité, pourrait en outre réserver des surprises ", observe Alain Hérique. Publiées en juin par des géologues de l'université de Berne (Suisse), des simulations numériques suggèrent ainsi que l'impact sur Dimorphos pourrait n'engendrer… aucun cratère mais conduire plutôt à un remodelage et une transformation totale de sa morphologie. "Selon les cas de figure, la quantité de mouvement transférée à l'astéroïde pourrait varier d'un facteur 1 à 7 ", estime Patrick Michel.
Valider les modèles pour les appliquer à d'autres scénarios
Comment le savoir ? Éjecté par Dart dix jours avant l'impact, le nanosatellite LICIACube (Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids) fournira quelques éléments de réponse. Il a été conçu par l'Agence spatiale italienne à la taille d'une boîte à chaussures. Et grâce à son système de propulsion autonome, le "cubesat" pourra survoler Dimorphos trois minutes après le crash. "Mais le nuage de poussières devrait masquer l'éventuel cratère, note Patrick Michel. Sans compter que celui-ci pourrait mettre plusieurs heures à se former, en raison de la déformation très lente des matériaux granulaires dans des conditions de microgravité. " Pour de plus amples détails, il faudra attendre le deuxième volet de la mission, baptisé Hera et programmé pour 2024 (lire l'encadré ci-dessous).
L'acte II sera européen
L'idée de réaliser une expérience de déviation d'astéroïde est née en Europe au début des années 2000. "L'Agence spatiale européenne [ESA] avait sollicité un groupe de scientifiques, dont je faisais partie, afin de développer les connaissances et des moyens d'action face à un risque de collision ", raconte Patrick Michel, astrophysicien à l'observatoire de la Côte-d'Azur. Parmi leurs préconisations, la mission Don Quichotte. Elle comprend alors un impacteur cinétique, destiné à percuter un astéroïde, ainsi qu'un orbiteur examinant au plus près les effets engendrés.
Quelques années plus tard, les agences spatiales européenne et américaine s'entendent pour se partager les tâches. Tandis que l'ESA satelliserait une sonde truffée de capteurs autour du couple d'astéroïdes Didymos et Dimorphos, la Nasa propulserait un projectile vers ce dernier. En 2016, les Européens abandonnent cette collaboration, faute de budget. Mais alors que les États-Unis décident de poursuivre seuls leur partie du programme (l'impacteur Dart), une nouvelle proposition d'orbiteur est acceptée en 2019 par le conseil de l'ESA. "Il aura fallu se battre pendant près de vingt ans pour que le projet initial aboutisse enfin ", clame Patrick Michel. L'orbiteur européen Hera s'envolera en 2024, deux ans après le crash de Dart, pour rejoindre l'astéroïde binaire fin 2026 et commencer alors une enquête complète. Équipé d'un lidar, d'un imageur infrarouge et de plusieurs caméras, il cartographiera la surface de Dimorphos et auscultera l'éventuel cratère d'impact avec une résolution de 10 cm. "La masse de l'astéroïde sera mesurée également avec précision, une donnée indispensable pour déterminer la quantité de mouvement transmise par Dart ", indique Patrick Michel, investigateur principal de la mission.
Hera larguera aussi deux nanosatellites. Le premier analysera les propriétés minéralogiques de la surface et des poussières éjectées. Quant au second, auquel une dizaine de chercheurs français collaborent, il étudiera sa structure au moyen d'un radar. "Nous réaliserons ainsi le premier sondage de la structure interne d'un astéroïde ", se réjouit Alain Hérique, chercheur à l'Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble et responsable du radar.
L'orbiteur Hera de l'ESA rejoindra en 2026 Dimorphos afin de cartographier notamment la zone de l'impact créé par Dart avec une résolution de 10 cm grâce à l'un de ses instruments embarqués. Crédits : ESA
L'Agence spatiale européenne lancera alors un orbiteur de 1.200 kg vers l'astéroïde binaire. Une fois satellisé, il cartographiera la zone de l'impact en haute résolution et examinera très précisément la composition comme les entrailles de Dimorphos. Ce n'est qu'avec ce jeu de données que les scientifiques pourront interpréter et reconstituer véritablement la dynamique de l'impact. "Nous pourrons alors valider et calibrer nos modèles pour les appliquer à d'autres scénarios, d'autres astéroïdes, espère Naomi Murdoch. Et les utiliser avec beaucoup plus de confiance si une menace était un jour identifiée."
La Chine entend jouer un rôle
D'ici à quelques années, les États-Unis et l'Europe ne seront plus les seules puissances spatiales à œuvrer pour la défense planétaire et à réaliser des tests de déviation d'astéroïde. Car la Chine a fait savoir mi-juillet qu'elle développait un tel programme, qui sera lancé en 2026. Il testera aussi les capacités d'un projectile à modifier la course d'un objet céleste. Mais il réunira, en une seule mission, un impacteur cinétique et un orbiteur scrutant les conséquences de la collision. La cible, l'astéroïde 2020 PN1, mesure en outre 40 m de diamètre, soit quatre fois moins que celle visée par la Nasa et l'ESA. Les géocroiseurs de cette taille ne sont certes pas assez massifs pour engendrer une catastrophe planétaire ni même régionale. Mais ils sont très nombreux (il en existerait des centaines de milliers), très difficiles à identifier… et pourraient rayer de la carte une ville comme Lyon.
