La Zone Circumstellaire Habitable, unique foyer de vie possible

Perdu au sein de l’anneau de la Zone Galactique Habitable (« GHZ »), notre Soleil, un centre d’énergie parmi des milliards d’autres, « donne le souffle de vie à toutes ses créations dès le jour de leur naissance » (comme le disait déjà Akhenaton, 1750 ans avant JC). Poussières d’étoiles géantes mortes il y a environ 5 milliards d’années, condensées dans notre planète Terre, nous sommes effectivement les fruits de cette dernière fertilisée par les rayons bienveillants de notre étoile vivante, le Soleil.

Nous sommes donc situés dans cette zone heureuse, à la métallicité satisfaisante, ni trop faible, ni trop forte, à bonne distance d’une étoile de taille moyenne et donc de longue durée de vie, et suffisamment puissante pour nous donner suffisamment d’énergie (quelques 1400 W/m2) à une bonne distance, suffisamment loin pour nous éviter de trop souffrir de ses tempêtes mais suffisamment proches pour être protégés des radiations galactiques. Pour autant il ne faut pas croire que toutes les étoiles que nous voyons dans le ciel et qui partagent leur « résidence » avec nous dans cette GHZ, sont des dispensatrices effectives de vie, ni que toutes les planètes qui orbitent autour de ces soleils sont des terres comme la nôtre.

Les étoiles se distinguent avant tout par leur masse qui détermine essentiellement leur luminosité et aussi la durée de leur vie mais elles se distinguent aussi par la composition de leur matière (outre l’hydrogène et l’hélium largement dominants). Les étoiles les plus grosses sont des donneuses de vie puisque c’est en leur sein que se forment les éléments de numéro atomique élevé (« Z », « métalliques ») mais elles vivent d’autant moins longtemps qu’elles sont plus massives. Ce sont aussi des donneuses de mort puisqu’elles achèvent leur courte vie dans une explosion finale extrêmement énergétique (supernova). Une métallicité élevée (celle du Soleil est « moyenne », à 2%) signifie une température moins élevée et une lumière moins forte. Une métallicité trop faible n’est pas favorable à la formation de planète mais il ne faut pas croire qu’une métallicité trop élevée soit plus favorable à la vie. En effet une étude des populations de systèmes extrasolaires, montre que les étoiles à métallicité élevée favorisent l’existence de Jupiter chauds (proches de leur étoile, après migration depuis la zone de leur formation dans le disque protoplanétaire). Or ces planètes géantes ont évidemment balayé toute matière à proximité de leur étoile et notamment dans la zone habitable (Zone Circumstellaire Habitable ou « CHZ »), c’est-à-dire la zone où l’énergie diffusée par l’étoile est suffisamment forte pour que la température permette la présence d’eau liquide en surface.

Maintenant nous ne sommes pas très sûrs de l’identité réelle de notre système solaire. Nous ne doutons pas de sa métallicité mais l’on peut se demander si le confinement de notre Jupiter sur l’orbite relativement lointaine où elle circule aujourd’hui ne résulte pas d’une histoire tout à fait particulière qui a évité que notre propre matière (comme celle de Mars, de Vénus et de Mercure) ne soit accrétée par notre géante gazeuse. En effet, selon la théorie (et la modélisation informatique) d’Alessandro Morbidelli (Observatoire de la Côte d’Azur), nous ne devrions notre salut qu’à l’évolution de Saturne dans le sillage de Jupiter. Au début de l’histoire du système solaire, cette dernière, comme d’autres jupiters chauds, aurait amorcé sa descente vers le Soleil avant même que les planètes telluriques soient formées, et elle aurait effectivement « dévoré » la matière se trouvant dans la zone de ce qui est aujourd’hui la Ceinture d’Astéroïdes, puis commencé à grignoter celle qui allait constituer la planète Mars. Mais Saturne qui avait commencé son accrétion plus loin, suivait petit à petit sa grande sœur dans son cheminement vers le Soleil et à un moment donné, elles se trouvèrent dans une configuration particulière (une « résonance ») qui les rendit solidaires en termes de gravité, entre elles-mêmes et vis-à-vis du soleil. Le couple ainsi formé fut contraint, de ce fait même, de rebrousser chemin vers l’extérieur du système. L’inertie de leur mouvement de retour les conduisit au-delà de leurs orbites d’origine. La matière qui occupait ce qui allait devenir les planètes telluriques pu ainsi survivre indépendamment et s’organiser en centres de gravité distincts.

Le plus extraordinaire c’est que ce retour des Géantes vers l’extérieur du Système aurait fait s’éloigner Uranus et Neptune de leurs orbites d’origine et qu’elles auraient à leur tour déstabilisé les milliards de petits corps glacés qui plus tard formeraient la Ceinture de Kuiper. Cette déstabilisation conduisant à la chute vers le Soleil, aurait permis le retour de l’eau dans la zone des planètes telluriques qui se formaient dans un milieu originellement sec (sous la limite de glace) du fait de la puissance énergétique du jeune Soleil.

Nous en sommes là. Il y a certainement des CHZ autour de nos voisines de type solaire mais il n’y a peut-être pas de planète rocheuse dans ces zones…à moins que des lunes rocheuses du genre Pandora tournent autour de géantes gazeuses de type Polyphème, et que ces lunes connaissent également l’eau liquide en surface parce qu’elles ont été formées au-delà de la limite de glace de leur étoile. La science-fiction s’avérerait alors meilleure que la science dure pour pressentir la Réalité…mais nous ne connaissons pas suffisamment le système d’Alpha Centauri pour même savoir s’il possède une Polyphème.

Je parlerai la semaine prochaine de la CHZ de notre propre système.

Image à la Une: le Grand Rebroussement de Jupiter et de Saturne (“Grand Tack”). Les proto-Jupiter et proto-Saturne descendent vers le Soleil jusqu’à la hauteur de Mars; elles entrent en résonance 3:2 (soit 3 parcours d’orbite par Jupiter pour 2 par Saturne); du fait de cette relation, le couple repart vers l’extérieur du système et chasse Neptune et Uranus très loin dans la future Ceinture de Kuiper (Neptune plus proche de Saturne étant éjectée au delà d’Uranus). Les planétoïdes qui formeront les planètes rocheuses dont la Terre (à la gauche de l’image), sont “sauvés” de l’absorption par Jupiter; la future Mars ne dispose plus que d’une masse très inférieure à celle de la Terre et de Vénus (distances en Unité Astronomique “UA”). Le processus a pu prendre 600.000 ans. Image, crédit Bucky Harris (Back Alley Astonomy), modifiée par Pierre Brisson.

Image ci-dessous: diagramme de Hertzprung -Russel montrant la distribution des étoiles en fonction de leur température de surface (c’est à dire essentiellement de leur masse). La fourchette de 0,5 à 2 masses solaires n’occupe qu’une petite partie du diagramme (les étoiles jaunes et blanches, entre le haut des étoiles rouges et le bas des étoiles bleues; le soleil est au milieu de ce segment).

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La Zone Galactique Habitable, anneau-matrice des étoiles porteuses de vie

Au Commencement était l’Hydrogène, l’Hélium et la Gravité qui luttait contre la force énorme de l’Explosion Initiale. Avec le déroulement du Temps, les premières galaxies et les premières étoiles se formèrent. Ce fut le début d’un lent processus de concentration de matière au sein des étoiles, et d’explosions des plus grosses d’entre elles, disséminant à nouveau la matière dans l’univers en expansion continue, mais sous une forme modifiée par ce processus même, la nucléosynthèse. Cela conduisit à la complexifier de plus en plus, génération après générations d’étoiles, en créant de plus en plus en plus d’éléments chimiques lourds.

Plus l’étoile est massive, plus sa puissance de vie et de mort est forte et plus elle contribue à l’alourdissement des éléments qu’elle crée. Ainsi une étoile de type solaire ne mettra en circulation lors de ses explosions périodiques (« novas ») que de l’hélium, du carbone et de l’oxygène ; une étoile massive (plus de 9 masses solaires) lors de son explosion finale (« supernova ») ira beaucoup plus haut dans la « lourdeur » des éléments chimiques, en produisant des métaux, jusqu’au fer et au-delà. Au cours de l’Histoire de l’Univers on est ainsi passé, de l’élément « X » (hydrogène), à l’élément « Y » (hélium) et aux éléments « Z » affectés d’un numéro de plus en plus élevé en fonction du nombre de protons de leur noyau. On dit que la Matière évolue de ce fait vers une « métallicité » de plus en plus forte.

Heureusement nous avons encore « beaucoup de chemin à faire » avant que toute matière soit transformée en fer. Après 13,7 milliards d’années de fonctionnement du processus de transformation des éléments, l’hydrogène constitue encore 75% en masse (mais 92% du nombre d’atomes) de l’univers et l’hélium 24%.

Notre propre corps humain, lui, ne comprend plus que 10%, en masse, d’hydrogène (mais 63% en nombre d’atomes car l’hydrogène est largement le composant de l’eau dont nous sommes faits à 65% en masse, et d’autres molécules). Nous sommes donc bien, littéralement, des poussières d’étoiles. Mais il faut ajouter la deuxième remarque que notre vie n’est possible aujourd’hui que parce que la complexité chimique de l’Univers a atteint, dans certaines zones, un niveau minimum qui nous permet de disposer de tous les éléments indispensables à notre existence et à notre fonctionnement (Carbonne, Hydrogène, Oxygène, Azote, Phosphore, Calcium, Soufre, Sodium, Potassium, Manganese, Fer, Chlore, etc…). Le corollaire est que la Vie n’est possible que depuis l’époque où ces éléments existent et là où ils sont devenus suffisamment abondants.

On peut supposer que l’univers est suffisamment homogène et que ce dont il disposait il y a quelques 4,56 milliards d’années lorsque le système solaire s’est formé, il en disposait ailleurs à la même époque et, compte tenu des irrégularités inévitables, probablement “un peu avant” également, mais sans doute “peu avant” (7 ou 8 milliards d’années ?). Il ne peut donc y avoir eu émergence de la vie « ailleurs » que quelques petits milliards d’années avant d’apparaître dans notre système solaire et ce d’autant plus qu’il faut introduire le bémol qu’au début de la période où la métallicité devint suffisante, il est probable que la fréquence des supernovæ était trop élevée.

Un autre point d’égale importance est la localisation dans la galaxie. Les supernovæ dont les éléments de notre planète et de notre corps proviennent, sont des créatrices et des destructrices. Elles créent des éléments chimiques mais elles détruisent toutes structures d’une complexité supérieure à l’atome (à cause de leurs émissions hyper violentes de rayons cosmiques, de rayons gamma et de rayons x). Elles sont plus fréquentes dans la région centrale des galaxies où la densité d’étoiles est aussi beaucoup plus grande. Par ailleurs, on allant vers le centre de la galaxie, on se rapproche du trou noir central autour duquel « tout » gravite et ce trou noir connaît des phases d’activités forcément très violentes, émettrices de radiations extrêmement puissantes. Il faut donc, pour qu’une étoile puisse jouir de la richesse des éléments chimiques en même temps que d’une certaine stabilité, qu’elle se trouve dans une zone où de la matière a pu s’enrichir par la présence de suffisamment de supernovæ, mais pas trop active pour que les processus lents aient pu se dérouler suffisamment longtemps sans accident majeur. C’est précisément là où notre étoile, le Soleil, est née et où nous nous trouvons toujours aujourd’hui (à 28.000 années-lumière du centre galactique). On peut logiquement généraliser la zone à un anneau situé, pour notre galaxie, entre 23000 et 30000 années-lumière (pour mémoire, la Voie Lactée a un rayon de 50 à 60.000 années-lumière), dans le plan galactique, en évitant toutefois le centre des bras spiraux probablement également trop actifs. C’est cet anneau qu’on* a nommé la « Zone Galactique Habitable » (« GHZ » en Anglais), par analogie avec la « Zone Circumstellaire Habitable » (« CHZ » en Anglais) dont on a réalisé l’existence plus tôt.

Mais bien sûr il faut que, à l’intérieur de cette GHZ, le nuage de gaz et de poussières primordial considéré soit suffisamment dense pour pouvoir se concentrer à l’occasion d’une perturbation, que sa métallicité soit suffisante mais pas trop forte pour que, après la formation de l’étoile, le processus de vie ait quelques chances de s’amorcer. Je vous en parlerai la semaine prochaine !

*Référence : “The Galactic Habitable Zone and the Age Distribution of Complex Life in the Milky Way” par Charles Lineweaver et al. in Science, 2 janvier 2004.

Image à la Une: Galaxie d’Andromède (crédit NASA). Nous ne pouvons pas avoir de vue d’ensemble de notre propre galaxie, la Voie Lactée, mais la Galaxie d’Andromède, sa sœur, lui ressemble beaucoup (et elle est la plus proche, à “seulement” 2,5 millions d’années-lumière). Sur cette image, la GHZ serait une bande d’environ 6 années lumières, située à mi-distance du centre et de la périphérie.

Une veste AstroRad pour la vie

La protection contre les radiations est un des problèmes majeurs de l’exploration spatiale par vols habités. Dans ce domaine, de grand progrès sont réalisés actuellement par la joint-venture StemRad Ltd (Israël) / Lockheed Martin Space Systems Cy. (Etats-Unis). Il s’agit de la conception d’une « veste » qui pourrait équiper tout astronaute devant séjourner dans l’espace profond.  Son principe repose d’une part sur la nature des radiations et d’autre part sur les matériaux pouvant faire écran et les besoins ergonomiques des passagers dans un espace forcément réduit. L’étude a été présentée au dernier International Astronautic Congress (IAC) en Septembre 2016.

Les radiations spatiales comprennent un rayonnement de GCR (Galactic Cosmic Rays), constant, et des flux de SeP (Solar energetic Particles), exprimés avec violence lors de SPE (Solar Particle Events) exceptionnels et aléatoires mais pouvant survenir 3 à 4 fois lors de la phase d’activité maximale du soleil au cours de son cycle de 11 ans. Le rayonnement GCR comprend des atomes lourds (au nombre de protons, « Z », élevé) ou des nucléons de ces atomes, animés d’une énergie très forte (500 MeV et parfois beaucoup plus), ils sont isotropes ; les SPE comprennent surtout des protons (hydrogène ionisé) et ils sont moins énergétiques (de 10 à 100 MeV ou un peu plus) mais plus denses et unidirectionnels. Les nucléons de forte énergie franchissent aisément la barrière d’aluminium d’un habitat et cassent les noyaux d’aluminium (et d’autres éléments chimiques de Z élevé) en de multiples radiations secondaires (neutrons, protons, rayons ϒ, rayons α…).

La NASA conseille de limiter l’exposition aux radiations par rapport à un risque de « Radiation Exposure Induced Death » (« REID ») de 3% maximum. Les doses de radiations sont mesurées en millisieverts (« mSv ») et les doses qui constituent les 3% varient en fonction de l’âge et du sexe (les femmes jeunes ou les enfants étant plus vulnérables) et de l’intensité / ou de la durée de l’exposition. En principe le risque de REID de 3% ne serait pas dépassé à l’occasion d’un voyage aller-retour de 400 jours et d’un séjour de 600 jours sur la Planète Rouge pour une femme comme pour un homme, de 40 ans, dans un vaisseau dont la coque en aluminium donne une protection de 20 g/cm2 et au cours de laquelle survient un SPE comme celui de 1972 (fort). On pourrait supporter dans une vie, deux ou trois voyages de ce type sans trop de dommage. A noter qu’on pourrait se trouver au-dessus des 3% pendant un voyage effectué au cours de la partie basse du cycle d’activité du soleil (car la densité des GCR serait plus forte).

Pour mieux se protéger des radiations solaires (les plus dangereuses lors des SPE) , la meilleure solution serait de leur opposer une barrière d’hydrogène (et, contre les GCR, de quelques éléments plus lourds choisis en fonction de leur stabilité) car elles sont freinées par les atomes de cet élément et ne peuvent les dissocier en neutrons ou protons (puisque le noyau d’hydrogène ne comprend qu’un seul proton). Mais comme l’hydrogène est trop volumineux à l’état de gaz et ne peut se conserver à l’état liquide qu’à partir de -252,87°C, on doit recourir à des corps aux molécules stables qui contiennent le plus possible d’hydrogène (ou d’élément à bas Z), et d’abord à l’eau. Pour commencer, on peut positionner toutes les réserves d’eau (et d’aliments) autour du caisson étanche permettant une protection pendant les orages solaires. Cependant si on veut permettre une certaine mobilité aux astronautes pendant des SPE qui peuvent durer plusieurs heures, on peut difficilement envisager de leur faire porter une bouée remplie d’eau. C’est là où intervient StemRad/Lockheed Martin.

La joint-venture (« la JV ») a d’abord travaillé sur le choix du matériau. Le polyéthylène haute densité, (C2H4)n qui contient 14% d’Hydrogène est un bon candidat et on peut lui adjoindre du Bore qui a un numéro atomique (Z) bas et dont l’isotope 10 a une capacité intéressante de capture des neutrons à faible énergie et facilite donc l’arrêt des particules secondaires. A cela la JV propose d’ajouter, en employant la technologie additive (impression 3D), une structure porteuse en éléments atomiques de Z élevé mais qui doivent servir d’ossature, aussi fine que possible, à l’ensemble. Il s’agit là d’équilibrer l’intérêt présenté au niveau atomique/moléculaire  par les éléments de niveau Z bas avec celui présenté au niveau macroscopique par les éléments d’un niveau Z élevé.

Ensuite la JV a cherché à déterminer « quoi » protéger et à partir de quelle surface du corps (angle solide). Pour ce faire, elle a utilisé une imagerie très fine des corps féminin et masculin pour déterminer les organes les plus sensibles sur le plan radiatif et les plus utiles pour lutter contre les effets nocifs (par régénération), en clair les divers centres de formation de cellules souches puisque ce sont ces cellules qui permettent la régénération des tissus irradiés (en supposant qu’il convient de sauvegarder au moins 5% de ces cellules puisqu’on a constaté que cela était suffisant pour récupérer d’une irradiation survenant sur Terre). Il en découle des indications très précises sur ce qui doit bénéficier d’une protection renforcée et les zones de la surface du corps qu’il convient d’équiper d’un écran adapté.

Il est résulté de ce travail une « veste », nommée « AstroRad », qui serait plutôt un « justaucorps » comportant des zones avec protection renforcée (voir image) par exemple le pelvis ou les seins. Un tel dispositif permettrait de réduire de moitié les doses effectives de radiations (d’après les tests effectués en laboratoire, on passerait de 229 mSv à 121 mSv). La JV veut faire embarquer un « fantôme » équipé du justaucorps et de capteurs dans le vol d’Orion prévu en 2018 dans l’environnement lunaire (« Orion-EM1 »).

On voit ainsi que même dans le cas d’un problème important et a priori très difficile à résoudre, l’ingéniosité humaine peut faire des avancées qui changent les perspectives. Equipés d’un tel justaucorps, les astronautes réduiront considérablement leurs risques de cancer aussi bien pendant le voyage que pendant le séjour sur Mars. Dans ce dernier cadre, le poids du justaucorps ne sera pas un inconvénient puisque, bien au contraire, il donnera aux « Martiens » un poids qui les rapprochera (avec leur scaphandre) de celui qu’ils auraient sur Terre, réduisant ainsi les dommages que pourrait leur causer une gravité trop faible sur le long terme.

Image à la Une : prototype de veste AstroRad présenté au congrès IAC (crédit StemRad/Lockheed Martin).

références:

(1) « AstroRad : personal radiation protection utilizing selective shielding for deep space exploration »; IAC-16-A1.4.7; copyright Lockeed Martin Space System Cy & StemRad Ltd, publié par l’IAF (International Astronautical Federation).

(2) www.stemrad.com

NB: StemRad a mis au point et commercialise un dispositif nommé “360 gamma shield”, essentiellement une ceinture protégeant le pelvis, utilisé sur Terre dans les actions où le risque d’exposition aux radiations est élevé (voir sur le site web de Stemrad).

Ci-dessous, image de la veste AstroRad pour femme, avec indication des zones à protéger particulièrement (en rouge) et un exemple de tissu multicouches employé (crédit : StemRad).

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Les contraintes qui s’imposent à l’astronautique…et quelques mots sur la politique spatiale du Président Trump

L’astronautique ce sont les missions robotiques ou habitées*. On évolue là dans notre environnement « proche », autant dire le système solaire et peut-être un jour quelques étoiles voisines, l’ensemble s’étendant à l’intérieur d’une sphère d’un diamètre de 10 années lumières maximum (100 mille milliards de km) dont nous serions le centre, cette sphère n’étant qu’un point par rapport aux 120.000 années lumières de diamètre de notre galaxie. Pourquoi  ce domaine restreint? Parce que nous sommes contraints par la masse que nous devons transporter (et à laquelle nous devons donc appliquer une énergie) pour observer ou pour vivre et pour nous déplacer…sans oublier que compte tenu de l’hostilité et des dimensions de l’espace, nous sommes aussi contraints par nos limites biologiques.

*Les missions habitées répondent au fantasme le plus humain, celui d’aller voir et toucher. C’est ce qu’il y a de plus difficile car il s’agit de transporter notre corps en dehors de l’environnement où (et dont) il est né. On est tenté mais jusqu’où pourra-t-on partir?

La gravité

La gravité est comme le temps ou la vitesse de la lumière, une contrainte dont les missions robotiques ou habitées ne peuvent s’abstraire. S’extraire du puits de gravité terrestre, nous force à limiter drastiquement les masses dont nous pouvons disposer pour l’exploration. Par ailleurs, débarquer sur une super-Terre de masse double de celle de la Terre serait probablement insupportable à long terme pour un être humain. Un exosquelette n’aurait aucun effet sur nos organes ou nos fonctions internes. Le cœur devrait lutter plus que notre physiologie ne nous le permet pour irriguer l’ensemble du corps. En sens inverse une gravité trop faible, par exemple celle de 0,16g sur la Lune, serait catastrophique sur le long terme dans la perspective d’un retour sur Terre car le cœur deviendrait paresseux et les os incapables de nous porter.

En astronomie, les scientifiques connaissent les trous noirs où la gravité tend vers l’infini au point que les masses extrêmes empêchent même les grains de lumière de s’échapper. Mais ils ne peuvent observer ces monstres que par les effets qu’ils causent sur leur voisinage et les quelques éléments qui s’en évaporent (“rayonnement de Hawking”). Intrinsèquement ils nous restent irrémédiablement fermés.

L’énergie

Pas d’astronautique sans énergie, pourvu encore qu’elle soit utilisée à bon escient. L’un des pièges préférés des Erinyes spatiales, c’est le gâchis, l’autre étant la panne, le troisième étant le déséquilibre. Les spécialistes du calcul des trajectoires se sont assez rapidement rendu compte que l’on devait jouer avec les forces de l’espace comme les marins avec les vents ou les courants. Ces forces ce sont la gravité et l’énergie de l’étoile et des planètes du système où l’on se trouve. La gravité c’est un courant puissant que l’on rejoint, la lumière c’est le vent de l’étoile. Si l’on veut aller loin l’idée c’est de s’extraire du puits de gravité planétaire où l’on demeure, avec une force immédiate, grâce aux énergies chimiques ou nucléaires de la planète, puis de naviguer en utilisant ces énergies comme support sur la durée, ou d’appoint lors des manœuvres. L’ennui c’est qu’elles ont une masse et que pour utiliser les forces de l’espace (la gravité d’une planète lorsqu’on passe au plus près, ou les rayons de l’étoile), il faut les voiles et les moteurs adéquats (et éventuellement l’énergie nécessaire à leur fonctionnement), sans oublier les reservoirs et le vaisseau qui emportent le tout…toujours de la masse!

L’énergie chimique ne nous conduira pas bien loin mais elle est indispensable au départ et à l’arrivée du voyage. L’énergie nucléaire est sûrement promise à un bel avenir mais elle s’épuisera elle-aussi avec le temps. Les sondes Voyagers parties dans les années 1970 et qui sont aujourd’hui aux confins du système solaire sont équipées d’un moteur au plutonium qui touche à sa fin de vie; les réserves de plutonium de Curiosity arrivé sur Mars en 2012, seront épuisées en 2020.

L’énergie solaire fonctionne bien si on est proche du soleil, moins bien si on s’en éloigne. Les lasers peuvent la transporter plus loin mais ils consomment eux-mêmes beaucoup d’énergie, d’autant plus qu’ils sont plus puissants. Il faut aussi noter qu’on ne transportera pas ses lasers avec soi (la masse toujours !) et que si on va « quelque part » on aura besoin d’une source d’énergie maîtrisée pour s’arrêter.

Aller trop vite nous expose à d’autres inconvénients, la réduction de la masse utile transportée et la perte du “libre-retour“. En effet la faculté d’éviter la perte corps et bien en cas de défaillance n’existe que si l’orbite parcourue nous reconduit sans consommation d’énergie supplémentaire assez rapidement dans le voisinage terrestre. Une trajectoire suivant un arc d’orbite trop “droit” nous priverait de libre-retour.

Les Radiations

On sait à peu près se protéger des radiations solaires (SeP) même fortes (SPE) mais on n’a pas encore les moyens de se protéger vraiment des radiations galactiques (GCR). Aucun blindage n’est vraiment efficace contre elles compte tenu de la force énergétique des particules lourdes (“Z” élevé) dont elles sont constituées en partie. Pendant les voyages interplanétaires et éventuellement interstellaires, on recevra une dose qui au bout d’un certain temps excédera les capacités d’absorption de notre corps. On peut ainsi difficilement envisager (pour le moment) de voyager plusieurs années dans l’espace interplanétaire (mais on peut envisager d’y voyager plusieurs mois, jusqu’à un refuge planétaire…en tout cas suffisamment pour aller sur Mars).

La biologie

Le corps humain doit être maintenu en (bon!) fonctionnement par un système de support vie adéquat et nous pouvons créer tant bien que mal une bulle plus ou moins régénératrice à l’intérieur de laquelle on pourra se chauffer, respirer et se nourrir, dans des conditions microbiennes acceptables (voir mes billets sur MELiSSA). C’est ce qui nous a permis de commencer à entreprendre des voyages ou des séjours dans l’espace. Mais l’instabilité des systèmes de support vie ou la masse des remèdes chimiques à cette instabilité, imposent une limite aux durées de voyage (un an ?)…jusqu’à un refuge planétaire.

Par ailleurs, enverra-t-on une sonde robotique dans l’espace pour n’en avoir des retombées que dans plusieurs dizaines d’années ? J’en doute compte tenu de la durée de nos vies humaines.

Alors que faire de ces limites ? Il faut les affronter progressivement, en jouer comme l’aurait fait le rusé Ulysse. Il faut s’approcher des obstacles, apprendre à les connaître, aller aussi loin que possible (Mars, d’abord et maintenant !) pour un jour aller encore plus loin ; selon la devise de Star Trek, « to explore strange new worlds…to boldly go where no man has gone before! »

Image à la Une: Un vaisseau ITS d’Elon Musk posé, un jour futur, à la surface d’Encelade, une des lunes de Jupiter.  Crédit SpaceX (présentation faite par Elon Musk au 67ème IAC le 27 septembre 2016 à Guadalajara, Mexique.

NB: si vous êtes intéressé, lisez les articles précédents sur ce même thème des limites: https://blogs.letemps.ch/pierre-brisson/2016/11/02/les-contraintes-a-lexploration-barrieres-incontournables-ou-lignes-dhorizon-23/

PS : Ce qu’on peut dire aujourd’hui de la politique spatiale du Président Trump

Les contraintes posées à l’astronautique sont aussi des contraintes politiques!

Au moment de publier cet article, je prends connaissance de ce qu’on peut savoir du programme d’exploration spatiale de Donald Trump et je suis déçu d’apprendre que son conseiller pour les affaires spatiales, Robert Smith Walker, veut privilégier la Lune par rapport à Mars ou plutôt, vouloir considérer la Lune comme une étape incontournable pour aller ensuite sur Mars. Ce n’est clairement pas ce que je pense nécessaire ni souhaitable.

Cependant, je garde quelque espoir car :

(1) le Président élu semble vouloir dédier la NASA à l’exploration de l’espace profond en transférant les sciences de la Terre depuis l’espace, à une agence existante, « the National Oceanic & Atmospheric Administration », (« NOAA »). Cela peut vouloir indiquer qu’on n’aura plus le mélange des genres qui s’est avéré au détriment de l’exploration de l’espace profond sous l’administration Obama ;

(2) le Président élu veut fixer un but d’exploration du système solaire par vols habités “à la fin du siècle”, qui ne devrait pas “se limiter à Mars” (là, je suis d’accord sur “exploration habitée” et sur l'”objectif Mars” mais inquiet sur le reste car les termes sont trop vagues et une échéance indéfinie ne peut constituer un « incentive » !);

(3) un de ses conseillers (dans un domaine autre que le spatial) est Newt Gingritch qui, lorsqu’il était président de la Chambre des Représentants, dans les années 1990, était un fort soutien du projet « Mars Direct » de Robert Zubrin. On peut espérer qu’il ait gardé ses idées d’alors, même si Robert Zubrin a pris parti contre Donald Trump lors de cette élection;

(4) le Président élu semble vouloir que les opérations sur l’orbite basse terrestre soient laissées au secteur privé et que les partenaires publics et privés de la NASA soient invités à participer davantage aux opérations et au financement de la Station Spatial International. Ceci devrait libérer la NASA d’une partie de ses charges concernant cette Station au profit de l’exploration de l’espace profond (et permettre aux entreprises privées porteuses de projets martiens, comme celles d’Elon Musk et de Jeff Bezos de gagner de l’argent dans le domaine spatial).

Reste la présence dans l’environnement du nouveau président de fondamentalistes religieux (créationistes!) qui pourraient évidemment jouer un rôle négatif. 

Pour résumer, je ne pense pas que cette nouvelle Administration soit la meilleure qu’on puisse souhaiter, pour l’exploration spatiale, mais le souci de Donald Trump « to make America great again » devrait l’amener, dans ce domaine comme dans d’autres, à ne pas se laisser ravir la vedette par d’autres pays (notamment la Chine).  

Espace, Temps, Vitesse

Je parlerai aujourd’hui des problèmes posés par l’immensité de l’Univers, le temps que l’on ne peut que mesurer, la vitesse qui est limitée absolument par celle de la lumière. Ils constituent aujourd’hui des lignes d’horizons infranchissables dans le domaine de l’astronautique et aussi dans celui de l’astronomie. Ils n’en laissent pas moins ouvertes des perspectives de développement infinies.

Cet article fait suite à celui publié le 13 octobre sur “les contraintes à l’exploration, barrières incontournables ou lignes d’horizon.

L’immensité de l’Univers.

C’est la donnée qui pose l’obstacle le plus formidable à l’astronautique, peut-être celle qui commande tous les autres. Comme on l’a vu récemment à l’occasion des discussions sur l’exoplanète Proxima-b, les dimensions de l’Univers nous écrasent. Il faudrait parcourir 45.000 milliards de km (la lumière le fait en 4,3 années seulement) pour atteindre le système de Proxima Centauri, étoile la plus proche du Soleil, auquel appartient Proxima-b, et Pluton n’évolue qu’à une distance de 6 à 9 milliards de km. Par ailleurs, la Voie Lactée a un diamètre de 100.000 années-lumière ; la Galaxie d’Andromède, sa plus proche voisine, est située à 2,5 millions d’années-lumière et l’origine de l’univers, qui est de ce fait le point le plus lointain dont nous pouvons recevoir un message, se trouve à 13,8 milliards d’années-lumière. Ces chiffres donnent le vertige en regard de nos faibles moyens et de la courte durée de nos vies.

L’astronomie s’en accommode évidemment beaucoup mieux que l’astronautique même si elle cherche à voir de plus en plus précisément de plus en plus loin, en valorisant de mieux en mieux le moindre photon de lumière recueilli dans des télescopes ou réseaux de télescopes de plus en plus puissants. Hubble distingue individuellement des astres de magnitude apparente 30 et JWST verra encore plus loin. Mais ces télescopes sont loin d’avoir la rapidité de celui de Gaïa (ESA) pour les cartographier. La mission en cours de ce dernier, situé au point de Lagrange terrestre « L2 », montre cependant la limite (actuelle) de l’exercice. Son télescope a une puissance de discernement de quelques millièmes de secondes d’arc, et bientôt de quelques millionièmes de secondes d’arc (on pourrait voir un tabouret et bientôt une pièce de monnaie sur la Lune). C’est un instrument formidable même s’il est moins puissant que Hubble puisqu’il ne discerne les astres “que” jusqu’à la magnitude 20. Cependant, après trois ans d’opération, il n’a pu mesurer « à plat » la position « que » d’un milliards d’étoiles et « en 3D », de 2 million d’étoiles (en attendant 10). C’est très peu sur les 100 milliards que compte notre galaxie et sa vision ne porte que sur environ un petit quart de cette galaxie. Comme souvent en science, il faudra donc extrapoler à partir de l’échantillon obtenu. Mais cet échantillon est bien supérieur à la « collecte » précédente, les 114.000 étoiles de la mission Hipparcos terminée en 1997 et heureusement il nous permet de voir loin, jusqu’au centre galactique.

Le Temps.

C’est la seconde contrainte qui domine l’astronautique. Nous venons de nous éveiller au monde et ne disposons déjà, peut-être, que de peu de temps avant une catastrophe telle que nous devions chercher refuge « ailleurs ». L’homme est né il y a quelques petits millions d’années, juste ce qu’il a fallu à la lumière pour nous parvenir de la Galaxie d’Andromède, la plus proche voisine ! A la plus grande vitesse imaginable, celle que nous procurerait la lumière des rayons lasers gonflant une voile spatiale comme veulent en construire les promoteurs du projet Breakthrough Starshot (soutenu par Stephen Hawking), il faudrait vingt ans pour rejoindre Proxima Centauri mais, à la vitesse que procurerait une propulsion chimique classique, il en faudrait 20.000 !

Pour l’astronomie le temps constitue aussi un obstacle incontournable puisque la vitesse de la lumière (ou des ondes électromagnétiques dans leur ensemble), l’unique messager de nos informations, est limitée et ne nous permet donc de voir que dans notre passé.

La vitesse.

En astronautique, tout espoir de vitesse générée par l’énergie que nous pouvons activer est comme chacun sait, limité par celle de la lumière. Ses 300.000 km / seconde sont infranchissables et pour l’atteindre notre vaisseau devrait avoir une masse nulle. Le projet Breakthrough Starshot  nous fait espérer une vitesse égale à 20% de celle de la lumière (pour des « nano-masses » !). Mais à 60.000 km/s, l’impact de la moindre poussière pourrait avoir des effets terribles sur la coque de notre vaisseau ou notre voile spatiale. Par ailleurs, à partir de 10% de la vitesse de la lumière, l’effet relativiste résultant du différentiel de vitesse entre les personnes restées sur Terre et les voyageurs deviendrait notable, le temps s’écoulant plus lentement pour ces derniers. On voit les problèmes que cela poserait au retour !

En astronomie les problèmes sont différents puisqu’il n’est pas question d’« aller vers ». Cependant la vitesse impose aussi un obstacle. Du fait de l’expansion de l’univers, les éléments qui le composent s’éloignent les uns des autres à une vitesse d’autant plus grande qu’ils sont plus lointains…jusqu’à atteindre la vitesse de la lumière. Et puis, comme dit plus haut, il y a la finitude de la vitesse de la lumière qui nous interdit de voir l’état de nos voisins dans le même temps que nous (Antarès, l’étoile géante rouge la plus « proche », a peut-être déjà explosé en supernova et nous ne le savons pas encore car la lumière que nous recevons d’elle aujourd’hui en est partie il y a 600 ans). D’un autre côté la vitesse nous renseigne aussi sur la distance (une tendance vers le rouge exprime par effet Doppler une vitesse d’éloignement d’autant plus grande que la lumière reçue est lointaine). Ce « défaut » nous est donc indispensable pour connaître l’univers.

Ces contraintes cependant ne nous empêchent ni de progresser dans la Connaissance (l’analyse des effets Doppler), ni d’envisager de « sortir de notre berceau » (il y a peut-être une vraie seconde Terre dans la sphère des 10 années-lumière dont nous sommes le centre, et plein d’autres endroits où nous pourrons “poser les bottes” de nos scaphandres). Dans ce qui nous est accessible, tant reste encore à découvrir ! La semaine prochaine je vous parlerai des autres problèmes qui, à la différence de ceux-ci, ne concernent que l’astronautique.

Image à la Une : le champ ultra-profond de Hubble (« ultra deep field ») tel que visible en juin 2014 après 841 images prises entre 2003 et 2012 dans toutes les longueurs d’onde captables par le télescope (de l’ultraviolet à l’infrarouge). Le télescope visait une toute petite région de la galaxie du Fourneau (visible dans notre hémisphère Sud) à travers un trou sans étoile de notre environnement. La lumière a pris plus de 13 milliards d’années pour nous parvenir de ces astres. Crédit image : NASA, ESA, H.Teplitz et M. Rafelski (IPAC / CalTech), A. Koekomoer (STScl), R. Windhorst (Arizona State University et Z. Levay (STScl).