Comment dévier un astéroïde tueur ?

CNRS LE JOURNAL, JANVIER 2020

Astrophysicien internationalement reconnu, Patrick Michel vient de prendre les commandes de la mission spatiale Hera, qui analysera les effets de la collision de l’impacteur DART, tout premier test de déviation d’un astéroïde.

En novembre dernier, le conseil ministériel de l’Agence spatiale européenne (ESA) a donné son feu vert au lancement de la mission Hera dont vous êtes le coordinateur scientifique. Pouvez-vous retracer l’historique de ce projet de recherche européen maintes fois reporté ?
Patrick Michel¹ : L’idée d’un tel projet a germé en 2004 lorsque l’ESA a sollicité un groupe de six scientifiques, dont je faisais partie, pour établir un panel de missions destinées à prendre en considération le risque d’impact d’astéroïdes. Parmi les six propositions envisagées, deux visaient à s’approcher au plus près d’un de ces objets pour en caractériser la structure à l’aide de radars ou de microsatellites. Une autre de ces missions, initialement intitulée Don Quijote, proposait un test de déviation d’astéroïde. À l’époque, celle-ci réunissait un impacteur, baptisé Hidalgo, et un orbiteur dénommé Sancho, chargé de mesurer l’effet de la déviation. Faute de financement, Don Quijote a été mis de côté pendant plusieurs années avant de renaître sous la forme d’une collaboration entre la Nasa et l’ESA, rebaptisée Aida.

Bien qu’en 2016 le volet européen du projet, initialement intitulé AIM, n’ait pu obtenir le budget nécessaire de la part du conseil ministériel de l’ESA pour poursuivre son développement, il a toutefois été salué par la communauté internationale s’intéressant aux petits corps et à la défense planétaire. Forts de ce soutien, nous avons donc refait une étude permettant d’optimiser le projet, rebaptisé Hera pour l’occasion, avant de le soumettre à nouveau au conseil ministériel, en 2019, avec succès. Il aura donc fallu se battre quinze ans pour que cette mission spatiale se concrétise enfin.

Alors qu’Aida est désormais confirmé dans sa totalité, quel est l’objectif principal de ce programme de recherche international ?
P.M. : Dans sa configuration actuelle, le projet associe l’impacteur Dart, conçu par les Américains et l’orbiteur Hera, chargé de mesurer la déviation de l’astéroïde à l’issue de l’impact. Ce dernier vise aussi à caractériser en détail les propriétés physiques et la composition de l’astéroïde. La mission va se focaliser sur l’astéroïde double Didymos, qui se compose d’un astéroïde principal autour duquel orbite un objet plus petit qui sera la cible de Dart.

Le fait de s’appuyer sur un astéroïde double va permettre d’observer instantanément les effets de la déviation, car la petite lune tourne très lentement autour de son corps principal par rapport à la vitesse d’impact de Dart. De plus, Didymos va passer relativement près de la Terre au moment de l’impact ce qui offre la possibilité de mesurer, à partir d’observatoires terrestres, le changement de période orbitale de la petite lune autour de l’astéroïde principal. Bien que l’objectif du test Dart/Hera soit centré sur les stratégies de défense planétaire, les données collectées nourriront également la communauté scientifique qui étudie les petits corps célestes mais aussi celle qui s’intéresse aux ressources spatiales potentiellement exploitables.

Comment Hera va-t-elle s’articuler avec le volet américain de la mission ?
P.M. : Le satellite américain quittera la Californie en juillet 2021et atteindra Didymos en octobre 2022. Avant que Dart frappe le plus petit astéroïde, la mission déploiera le CubeSat Licia. Ce mini-satellite développé par l’Agence spatiale italienne permettra de visualiser les premières secondes de l’impact. Il ne pourra toutefois pas observer la formation du cratère en raison du nuage de poussière généré par la collision. Au même moment, une campagne d’observation internationale menée depuis la Terre à l’aide de radars et de télescopes optiques mesurera la variation de période orbitale de la lune de Didymos provoquée par la collision. Hera décollera à son tour de Guyane en 2024 pour atteindre l’astéroïde en janvier 2027. La sonde analysera alors en détail les conséquences de l’impact.

En quoi ce projet est-il inédit mais aussi essentiel pour concevoir un système de défense planétaire efficace ?
P.M. : Hera sera tout d’abord la première mission spatiale effectuant un rendez-vous avec un astéroïde binaire, sachant que cette configuration concerne 15 % des astéroïdes qui évoluent dans l’environnement de la Terre. Avec un diamètre d’à peine 160 mètres, la lune de Didymos, aussi surnommée Didymoon, deviendra en outre le plus petit astéroïde jamais visité. La mission va également réaliser le premier sondage interne d’un astéroïde. L’un des CubeSat qui accompagnera Hera sera en effet équipé d’un radar capable d’analyser la structure profonde de Didymoon. Au sein de l’équipe Hera, l’expertise scientifique de cette technique dans laquelle la France excelle sera d’ailleurs fournie par Alain Hérique, planétologue à l’Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble².

En ce qui concerne la défense planétaire, Hera vise à calculer la masse de l’astéroïde et les propriétés du cratère. Mesurer la masse est primordial pour pouvoir quantifierla quantité de mouvement transférée par le projectile Dart lors de son impact. Si aucune matière n’est éjectée lors de l’impact, seule la quantité de mouvement de Dart sera transmise et la déviation sera donc minime. À l’inverse, si beaucoup de matière est éjectée, cela maximisera la déviation. Pour pouvoir faire le bilan, il nous faut connaître la quantité de mouvement de Didymoon, qui dépend de sa masse, que seule Hera pourra mesurer.

De plus, le fait que de la matière s’éjecte dépend aussi de la structure interne de l’astéroïde. Par exemple, un corps poreux absorbera le choc, ce qui réduira la quantité de matière éjectée et donc la déviation produite. Ainsi, il nous faut établir la quantité de mouvement transférée par l’impact, les propriétés du cratère et la structure interne de Didymoon pour interpréter totalement le résultat de l’impact. Ces informations vont également permettre de valider la technique de déviation et les simulations numériques d’impact pour pouvoir les appliquer à d’autres scénarios avec un niveau plus élevé de confiance. Or, sans ces données directes obtenues en situation réelle, nous ne pourrons pas faire de progrès dans ce domaine.

Quel est l’intérêt d’une telle mission du point de vue de la recherche fondamentale ?
P.M. : Les collisions ont joué un rôle majeur dans les phases de formation et d’évolution de notre système solaire. Les planètes ont d’abord été formées par des collisions lentes qui ont permis d’agréger de grandes quantités de matière. Dans un second temps, des impacts géants ont donné naissance aux satellites naturels comme la Lune. Aujourd’hui, nous assistons à une phase où les impacts d’astéroïdes causent leur destruction en plus petits fragments ou génèrent des cratères sur tous les corps célestes du système solaire. Comprendre un tel phénomène, à une échelle qui reste inaccessible en laboratoire, c’est parvenir à mieux contraindre et caractériser l’histoire collisionnelle de notre système solaire.

En offrant l’opportunité de documenter un impact à grande échelle pour lequel nous disposerons des conditions initiales – recueillies par Dart – et des conditions finales – mesurées par Hera –, cette mission va permettre de faire un pas de géant dans la compréhension des phénomènes de cratérisation dans notre système solaire. De plus, pour comprendre la population des petits corps, il nous faut avancer dans notre compréhension des processus qui les régissent dans leurs conditions de très faible gravité. C’est un défi fascinant qui implique de nombreuses communautés, y compris celle qui s’intéresse à la dynamique des milieux granulaires.

En tant que chercheur, vous vous intéressez plus particulièrement à l’origine des géocroiseurs. Quelles furent vos contributions scientifiques dans ce domaine ?
P.M. : Mes travaux ont contribué à démontrer que la plupart de ces objets, dont la taille est inférieure à quelques dizaines de kilomètres, résultent de l’agrégation de fragments issus de collisions entre les astéroïdes de la ceinture principale, située entre les orbites de Mars et Jupiter³. Ces agrégats de roches évoluent parfois dans des zones instables qui les font passer d’une trajectoire circulaire à une trajectoire plus allongée où ils sont susceptibles de croiser la Terre. Au cours des quatre derniers milliards d’années, cette population de corps célestes est restée stable car son « taux de mortalité », lié pour l’essentiel à l’attraction solaire, est en permanence compensé par la formation de nouveaux objets dans la ceinture.

En analysant les cratères d’impacts présents sur la Lune et des modèles théoriques de population de géocroiseurs, élaborés notamment au sein de notre laboratoire, nous avons pu estimer qu’il existait environ un millier de géocroiseurs d’un diamètre supérieur à 1 km, 90 % de ces objets étant déjà répertoriés, ce qui était l’objectif donné à la Nasa par le Congrès américain en 1998. Nos modèles ont en outre permis d’acquérir une connaissance plus précise de la population des géocroiseurs. Une étude publiée en début d’année dans la revue Icarus⁴ désormais une cartographie quasi complète de ces objets à la fois en termes de taille, de répartition et d’albédo (pouvoir réfléchissant de la surface) qui nous renseigne sur leur composition.

Comment en est-on venu à prendre conscience que la chute de corps célestes pouvait constituer un danger pour la vie sur Terre ?
P.M. : Jusqu’à la fin des années 1960 et les premières missions d’exploration lunaire du programme Apollo, la communauté scientifique était convaincue que les cratères visibles à la surface de notre satellite étaient d’origine volcanique. L’analyse des échantillons collectés dans le cadre d’Apollo révéla finalement que ces cratères étaient la conséquence d’impacts de météorites. L’un des tout premiers actes politiques prenant en compte le risque associé à la chute d’un astéroïde est une résolution européenne votée en 1996. Celle-ci découle de l’impact de la comète Shoemaker-Levy 9 sur Jupiter en Juillet 1994, le premier du genre dont l’humanité fut directement témoin.

À l’occasion d’un atelier international sur les objets géocroiseurs, organisé à Turin en 1999, la communauté des experts des petits corps a ensuite créé la fameuse échelle du risque de Turin, afin de fournir une mesure du risque de collision associé à chacun des astéroïdes qui nous menacent, compréhensible par le grand public et les médias. Dans le même temps, les découvertes de géocroiseurs vont se multiplier et les premiers calculs de trajectoire réalisés à partir de l’estimation de leur orbite, qui reste très incertaine lorsqu’elle est faite sur la base des toutes premières observations, aboutissent parfois à une probabilité non nulle de collision avec la Terre à des échelles de temps plus ou moins lointaines.

La découverte, en décembre 2004, du géocroiseur Apophis a constitué un autre tournant important dans cette prise de conscience.
P.M. : Des calculs de trajectoire réalisés à l’appui des premières observations de cet astéroïde de 325 mètres de diamètre ont effectivement abouti à un risque très élevé de collision avec la Terre en 2029. Bien que de nouvelles observations radar effectuées en 2013 aient ensuite démontré que l’astéroïde ne ferait que frôler la Terre en 2029 puis en 2036, nous avons soudain réalisé qu’aucun protocole n’avait été prévu pour faire face à une telle catastrophe. Dans l’optique de mettre en œuvre une chaîne de décision internationale sur ces questions, j’ai participé au travail d’une équipe mandatée par l’ONU. Celle-ci a abouti à la création de deux groupes de travail distincts : le premier, constitué de spécialistes des astéroïdes, est chargé de prédire le risque d’impact avec l’un de ces objets tandis que le second réunit les différentes agences spatiales afin d’organiser la réponse éventuelle à ce risque.

Depuis 2009, les agences spatiales internationales et les experts scientifiques se réunissent par ailleurs tous les deux ans lors de la Planetary Defense Conference pour présenter les avancées sur les études de simulation d’impact, les divers concepts de mission dédiés à la déviation d’un astéroïde. À cette occasion, un exercice « virtuel » basé sur un scénario élaboré par des collègues du Jet Propulsion Laboratory (États-Unis) permet en outre de vérifier notre capacité à répondre à ce risque. Depuis 2012, la Commission européenne finance aussi des consortiums dédiés à l’étude de cette problématique, à l’image de NEO-MAPP dont je suis le coordinateur.

De quelle manière la communauté astrophysicienne peut-elle contribuer à mieux anticiper ce genre de catastrophe qui demeure somme toute exceptionnelle ? 
P.M. : Il s’agit certes du risque naturel le moins probable par rapport aux autres risques, tels que les tremblements de Terre, les tornades ou les tsunamis. Mais lorsqu’il se concrétise, il peut être lourd de conséquences. À l’inverse d’un séisme, nous avons désormais la possibilité de prévoir et prévenir la chute d’un astéroïde.

Vous êtes également très impliqué dans le programme Hayabusa2, supervisé par l’Agence d’exploration aérospatiale japonaise et dans OSIRIS-REx, financé par la Nasa. Chacune de ces missions vise à ramener sur Terre un échantillon prélevé sur l’astéroïde géocroiseur Ryugu, pour la première, et Bennu pour la seconde. Ces deux missions ont-elles d’ores et déjà permis d’en savoir plus sur les astéroïdes géocroiseurs ?
P.M. : Au-delà d’informations telles que la forme et la taille, nous ne disposions jusqu’ici d’aucun élément sur la structure et la composition de ces objets ni sur les caractéristiques de leur surface. Tous les scientifiques qui, comme moi, ont eu la chance de prendre part à ces deux missions, ont ainsi eu la sensation extraordinaire d’explorer, pour chacun des deux astéroïdes, une véritable terra incognita située à plusieurs centaines de millions de kilomètres de la Terre. Parmi les découvertes les plus surprenantes figurent l’abondance de blocs rocheux et l’absence de zones de plus de cinq mètres de diamètre libres de roches.

Sur un même objet, nous observons également des morphologies de roches très variées là où nous pensions trouver un environnement plutôt homogène. En janvier 2019, le programme OSIRIS-REx a aussi démontré que Bennu était un objet actif dont des particules s’échappaient de sa surface. Un article publié l’an dernier dans la revue Science⁵ les différents scénarios susceptibles d’expliquer ce panache de particules qui demeure en partie mystérieux. Au-delà des avancées scientifiques, ces missions vers les petits corps célestes ont la capacité de séduire un large public à travers le suspense qui les accompagne. Les conférences que je donne à ce sujet dans le but de transmettre le goût de ces grands défis à la jeune génération rencontrent d’ailleurs un important succès.

Que devrait nous apprendre l’analyse des échantillons qui seront de retour sur Terre d’ici la fin de l’année en ce qui concerne Hayabusa2 et à l’horizon 2023 pour OSIRIS-REx ?
P.M. : Cela va tout d’abord nous permettre de remonter aux propriétés des ingrédients initiaux du système solaire qui ont donné naissance aux planètes. Dans les différents scénarios élaborés au sein du laboratoire Lagrange de Nice, nous avons déjà montré qu’un bombardement massif d’astéroïdes s’est produit vers la fin de la formation de la Terre, il y a environ 4,7 milliards d’années.

Nous ne savons toujours pas si les éléments prébiotiques qui ont permis l’émergence de la vie sur notre planète proviennent des astéroïdes. La perspective de pouvoir recueillir de la matière organique dans les échantillons récoltés sur Bennu et Ryugu et de l’analyser avec une grande précision dans des laboratoires de recherche, permettra peut-être de savoir si l’apparition de la vie sur Terre résulte de bombardements météoritiques. La mesure du degré de choc de ces mêmes échantillons devrait aussi nous renseigner sur l’intensité des collisions subies lors de la formation de ces astéroïdes et durant les premières phases de l’histoire du système solaire.

Dans quelle mesure les résultats des missions dédiées à l’étude des astéroïdes géocroiseurs pourront-ils nous aider à mieux anticiper leur chute éventuelle sur Terre tout en mettant en place des stratégies efficaces pour se prémunir d’une telle catastrophe ?
P.M. : En étudiant la diversité des astéroïdes géocroiseurs, ces missions contribuent à mieux connaître ces ennemis potentiels, même si je les considère davantage comme des amis. Grâce à Hayabusa2 et OSIRIS-REx nous savons par exemple qu’un astéroïde dont le diamètre dépasse 400 mètres peut comporter un grand nombre de roches de taille conséquente distribuées de façon homogène à sa surface. Or cette caractéristique est désormais prise en compte dans l’élaboration des stratégies de déviation.

Nous avons également découvert que les objets sombres de type carboné, comme c’est le cas pour Bennu et Ryugu, disposent d’une densité à peine supérieure à celle de l’eau car il s’agit de corps très poreux. Or en cas d’impact, une grande partie de l’énergie apportée sera alors dissipée par l’écrasement des parties poreuses. Nous pensons donc que la puissance nécessaire à la déviation d’un tel objet devra être plus élevée que pour un astéroïde silicaté à la fois plus clair et plus dense comme Itokawa, étudié en 2005 par la mission Hayabusa1 qui en a ramené des échantillons sur Terre en 2010. Mais tout cela reste encore flou et le résultat de l’impact de Dart est attendu avec impatience pour savoir ce qu’il en est réellement.

Cela signifie-t-il que le système de défense envisagé devra dépendre non seulement de la taille de l’objet impliqué mais aussi de sa composition et de sa structure interne ?
P.M. : Toutes ces données devront a priori être prises en considération lors de la déviation d’un astéroïde. Si la mission NEOSM se concrétise, nous serons en mesure de caractériser très en amont la taille et la densité d’un objet susceptible de menacer la Terre, ce qui permettra ensuite de calculer la quantité d’énergie à fournir pour le dévier.

Cela étant dit, le test de déviation mené par la mission Dart/Hera sera effectué à l’aveugle puisque nous ne disposerons d’aucune information préalable sur la structure et la composition de Didymoon. Si cette première tentative est couronnée de succès en dépit de ces incertitudes, nous saurons alors que la nature précise de l’astéroïde visé n’est pas nécessairement un élément déterminant pour parvenir à dévier un astéroïde. En l’absence de ce test grandeur nature, nous sommes dans l’incertitude totale.

Notes :

1. Directeur de recherche au CNRS, responsable du groupe Planétologie au laboratoire Lagrange de Nice (Unité CNRS/Université Nice Sophia-Antipolis/Observatoire de la Côte d’Azur).
2. Unité CNRS/Université de Grenoble-Alpes.
3. « Collision and gravitational reaccumulation: forming asteroid families and satellites », P. Michel et al., Science, 2001, vol. 294 :1696-1700.https://doi.org/10.1126/science.1065189
4. « Debiased albedo distribution for Near Earth Objects », A. Morbidelli, M. Delbo et al,Icarus, 11 janvier 2020. En ligne
5. « Episodes of particle ejection from the surface of the active asteroid (101955) Bennu », D. S. Lauretta, C. W. Hergenrother et al., Science, publié le 6 décembre 2019. https://doi.org/10.1126/science.aay3544

Photo 1 : Vue d’artiste de l’impacteur DART s’approchant de l’astéroïde Didymos © NASA/Johns Hopkins APL
Photo 2 :  Vue d’artiste de la sonde Hera et d’un mini-satellite CubeSat en orbite autour de l’astéroïde double Didymos. © ESA – ScienceOffice.org
Photo 3 : Vue d’artiste de la sonde Hera utilisant son altimètre laser pour explorer la surface de l’astéroïde Didymoon (dont le diamètre est de 160 m). Au second plan, l’astéroïde Didymos dont le diamètre est de 780 m. © ESA – ScienceOffice.org
Photo 4 : Vue d’artiste de l’image thermique (infrarouge) du cratère laissé par l’impacteur DART, qui doit percuter Didymoon en 2022. ©  ESA– ScienceOffice.org
Photo 5 : Mosaïque montrant l’évolution du point d’impact d’un des fragments de la comète Shoemaker-Levy 9 qui s’est écrasée sur Jupiter en juillet 1994. ©  R. Evans, J. Trauger, H. Hammel and the HST Comet Science Team
Photo 5 : Patrick Michel (à gauche) lors d’une réunion destinée à sélectionner le site d’atterrissage de l’atterrisseur Mascot embarqué par la sonde Hayabusa2, au Centre spatial de Toulouse le 14 août 2018. © CNES/BENOIT Rémi, 2018
Photo 6 : Cliché de l’astéroïde Bennu pris depuis la sonde spatiale OSIRIS-REx. ©  NASA/Goddard/University of Arizona/Lockheed Martin
Photo 7 : Premières photos de la surface de l’astéroïde Ryugu (en haut) prise par l’atterrisseur Mascot (en bas). ©  DLR/, 2019; DLR/, 2018

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