Avec leur taille de quelques dizaines de centimètres et leur coût réduit, les nanosatellites ou « Cubesats » offrent de nouvelles possibilités aux scientifiques. La preuve avec PicSat, le premier nanosatellite du CNRS, mis en orbite vendredi 12 janvier afin d’observer l’exoplanète Beta Pictoris b.

Imaginez un satellite gros comme une bouteille d’eau. C’est ce que permettent de réaliser les Cubesats, de petits modules de 10 centimètres de côté qu’on assemble comme dans un jeu de construction. D’abord fabriqués au sein des universités, dans le cursus de formation des étudiants en ingénierie, ces nanosatellites commencent à intéresser de près le secteur industriel – l’entreprise américaine Planet Labs a envoyé des centaines de nanosatellites pour cartographier la Terre –, mais aussi les scientifiques. Premier satellite lancé par le CNRS, PicSat sera mis en orbite le vendredi 12 janvier par un lanceur de l’agence spatiale indienne. Sylvestre Lacour, astrophysicien au Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique (Lesia) et responsable de la mission PicSat, nous en dit plus sur ce projet inédit imaginé pour l’observation de l’exoplanète Beta Pictoris b.



Qu’est-ce que la mission PicSat ?

Sylvestre Lacour : La mission PicSat a pour but de mettre en orbite un nanosatellite d’à peine trente centimètres de long afin d’observer l’exoplanète Beta Pictoris b lorsqu’elle passera devant son étoile. Ce phénomène appelé transit ne se produit qu’une fois tous les dix-huit ou trente-six ans et devrait nous en apprendre plus sur cette planète extrasolaire – il est en effet impossible d’observer directement une exoplanète car elle est trop peu lumineuse. Concrètement, PicSat se compose de trois cubes de dix centimètres de côté ou « Cubesats », et embarque un télescope miniaturisé, une fibre optique et un détecteur à comptage de photons : la mesure des variations du flux lumineux de l’étoile lors du transit permettra de connaître la taille exacte de la planète, d’en déduire sa densité et de mieux comprendre sa composition.

Pourquoi l’exoplanète Beta Pictoris b vous intéresse-t-elle autant ?

S. L. : Son étoile, Beta Pictoris, est à la fois très brillante et relativement proche de nous, à 63 années-lumière de distance, ce qui facilite l’observation. Elle est surtout très jeune : alors que notre soleil compte 4,5 milliards d’années, cette étoile en a seulement 23 millions. Sa planète est donc encore en cours de formation, d’où notre intérêt pour sa composition et la manière dont elle interagit avec le disque protoplanétaire en orbite autour de l’étoile. Nous pouvons aussi voir la présence d’anneaux… Toutes ces informations permettront d’affiner les modèles de formation et d’évolution des planètes.

Quel intérêt un nanosatellite présente-il pour un laboratoire d’astrophysique comme le vôtre ?

S. L. : Une mission spatiale classique s’étale sur environ trente ans, soit presque l’intégralité de la carrière d’un chercheur. Cela peut être très frustrant. Grâce à la miniaturisation des instruments que l’on peut y embarquer, les nanosatellites offrent une alternative nettement plus rapide et beaucoup plus économique.

L’astronomie n’est pas seule à s’intéresser aux nanosatellites. Le projet international QB 50 vient ainsi de lancer une grappe de Cubesats pour étudier les concentrations de gaz dans la haute atmosphère. Du financement au lancement, le projet PicSat aura duré trois ans pour un budget total de 1,5 million d’euros et une durée de vie d’une année en orbite. On parle d’un dixième du temps et d’un centième du coût d’une mission classique ! Nous ne pourrons cependant jamais réaliser avec PicSat ce que permet une grosse mission. En astronomie, les instruments ont besoin d’une grande surface collectrice afin de recevoir un maximum de photons. Cela permet d’observer les astres les plus faibles, mais nécessite des satellites de taille conséquente. Nous cherchons plutôt à développer une complémentarité avec les missions habituelles, grâce à des objectifs scientifiques plus limités et à l’observation des étoiles les plus brillantes.

Mais l’astronomie n’est pas le seul domaine de la science à s’intéresser aux nanosatellites. Les sciences de l’environnement aussi se sont emparées de cette technologie vieille d’une dizaine d’années à peine. Le projet international QB 50 a ainsi lancé en 2017 une grappe de 36 Cubesats destinés à étudier les concentrations de gaz dans la haute atmosphère ; deux d’entre eux ont été conçus dans des universités françaises. Nous ne sommes donc pas les premiers scientifiques hexagonaux à lancer un nanosatellite, mais les premiers au CNRS, sans conteste !

Concrètement, comment va se dérouler le lancement de PicSat ?

S. L. : PicSat est embarqué sur un lanceur de satellites polaires de l’agence spatiale indienne ISRO – les satellites polaires ont une orbite basse en phase avec la rotation du soleil qui leur permet d’être en permanence éclairés et de subir moins de chocs thermiques qui endommagent le matériel. La préparation au lancement a été très rapide. Nous avons envoyé le satellite en Inde à la mi-décembre et il a été intégré au lanceur PSLV-C40 le 27 du même mois, pour un lancement quinze jours plus tard. Le tout aura donc pris un mois jusqu’au décollage du centre spatial Satish-Dhawan, près de Chennai, dans le sud de l’Inde. La norme Cubesat permet cette grande efficacité. N’importe quel satellite composé de ces modules peut en effet être intégré sur un lanceur classique et échangé avec un autre jusqu’à la dernière minute. Plusieurs dizaines d’autres nanosatellites et un satellite plus massif (celui qui supporte la majorité du poids financier du lancement) partent d’ailleurs sur la même fusée.

Comment se déroule l’observation d’une exoplanète depuis un satellite en orbite autour de la Terre ?

S. L. : PicSat sera en orbite à 505 kilomètres au-dessus de la Terre, plus de cent kilomètres au-dessus de la Station spatiale internationale. Cette altitude lui permet d’observer Beta Pictoris en permanence et de ne pas manquer le transit, dont la date exacte est inconnue à plusieurs mois près. Au sol, l’alternance du jour et de la nuit poserait problème, ainsi que la non-visibilité de l’étoile depuis l’hémisphère Nord. Il faut noter que certains satellites sont déjà dédiés à l’étude des exoplanètes, tels que le télescope spatial Corot du Cnes, Kepler de la Nasa, ou bientôt Cheops de l’ESA, dont le lancement est prévu cette année. Mais aucun ne se focalise sur un seul astre. PicSat est d’ailleurs la toute première mission d’observation d’une exoplanète à partir d’un Cubesat.

Quels sont les risques et difficultés liés à la mission ?

S. L. : La sphère de Hill de la planète, soit la zone d’influence gravitationnelle dans laquelle se trouvent tous ses satellites, va forcément passer devant l’étoile. Mais nous ne sommes pas certains que la planète elle-même va transiter. Nous savons tout cela depuis le départ, et le format Cubesat nous permet justement de prendre ce risque, ce qui serait impossible pour un programme aussi long et coûteux que celui d’une mission spatiale classique. Le cas échéant, nous avons prévu plusieurs projets scientifiques de secours pour ne pas gaspiller Picsat , comme l’étude des exocomètes en orbite autour de l’étoile. De plus, si la planète possède des anneaux, ces derniers pourraient transiter même si elle ne le fait pas elle-même et nous pourrions alors les observer.

Sur le plan pratique, PicSat sera opéré depuis l’observatoire de Paris à Meudon. L’équipe ne sera en contact avec le satellite qu’une dizaine de minutes à la fois, pour un total d’une demi-heure par jour. Nous travaillons donc avec des radioamateurs du monde entier pour maximiser ce contact. Les radioamateurs nous ont aussi permis d’utiliser leurs fréquences de communication. En échange, nous nous engageons à diffuser les données en clair et à leur expliquer comment ils peuvent recevoir et visualiser les données. Nous souhaitons faire de PicSat un projet de science collaborative.

