Il y a quarante ans… le passage de la comète de Halley

L’année 1986 a été marquée par l’apparition de la célèbre comète de Halley, connue depuis l’Antiquité, qui vient nous visiter tous les 76 ans. Lors de son passage au périhélie, le 11 février 1986, elle se trouvait malheureusement derrière le Soleil, et le spectacle a été décevant pour les observateurs terrestres. En revanche, la moisson scientifique a été exceptionnelle, grâce en particulier aux cinq sondes spatiales qui l’ont approchée.

Aucune comète n’est aussi connue que la comète de Halley (1P/Halley, fig. 1). Elle doit sa célébrité à la sagacité de l’astronome anglais Edmond Halley qui, au début du xviii^e siècle, a compris que les comètes brillantes apparues en 1305, 1380, 1456, 1531, 1607 et 1682 n’étaient en fait qu’un seul et même objet dont la période était de 76 ans. Il prédit avec succès pour 1759 le retour de la comète qui porte désormais son nom. Ensuite, on a retrouvé la trace de l’objet dans des archives plus anciennes, notamment en 1066 sur la tapisserie de Bayeux (fig. 2) et en 1301 sur la fresque peinte par Giotto à la chapelle des Scrovegni de Padoue. Les apparitions ultérieures de 1835 et de 1910 furent l’objet de toutes les attentions. En particulier, la configuration géométrique de 1910 était particulièrement favorable, la comète passant de nuit près de la Terre, ce qui a gratifié les astronomes d’images spectaculaires (fig. 3).

Les observateurs étaient donc mobilisés pour l’apparition de 1986. On savait que la géométrie ne favoriserait pas l’observation depuis la Terre (fig. 4) ; en revanche, on était entré dans l’ère de l’exploration spatiale. Dès 1974, les agences spatiales américaine et européenne ont commencé à étudier la possibilité d’envoyer un engin spatial à proximité de la comète. En effet, si le spectacle de celle-ci fascine le public, les scientifiques, quant à eux, veulent comprendre sa nature physique : les comètes sont les objets les plus primitifs du Système solaire car, du fait de leur petite taille, elles n’ont subi aucune modification depuis leur origine. La comète de Halley constitue la meilleure cible possible, et ce pour deux raisons : elle est brillante et sa trajectoire est parfaitement connue. Celle-ci présente toutefois un inconvénient : la comète se déplace dans le sens contraire de la révolution des planètes. Lors de la rencontre, les sondes croiseront donc la comète arrivant en sens inverse, ce qui limitera la durée d’observation. La rencontre aura lieu lorsque la comète traversera le plan de l’écliptique, celui de l’orbite terrestre.

Les grandes manœuvres des agences spatiales

Du côté de la Nasa, le projet initial est très ambitieux : il vise à accompagner la comète sur son orbite, ce qui nécessite une source d’énergie indépendante des carburants traditionnels. Cependant, les développements nécessaires impliquent un gros budget que le Congrès américain refuse à la Nasa : après la réponse négative apportée en 1976 par la mission Viking à la question de l’existence de vie à la surface de Mars, l’enthousiasme pour la recherche spatiale est retombé et l’heure est à l’austérité. En 1979, la Nasa et l’Esa envisagent une mission commune visant à s’approcher de la comète de Halley pour rejoindre ensuite une autre comète périodique bien connue, 10P/Tempel 2. Mais là aussi, le projet échoue pour des raisons budgétaires, au grand dam des scientifiques américains et européens qui s’étaient investis dans la préparation des instruments.

Les ingénieurs de l’Esa, toute jeune agence spatiale, créée en 1975, envisagent alors l’étude d’un projet indépendant et, du côté européen, l’Esa voit une occasion de lancer sa première mission vers le Système solaire : ce sera la mission Giotto qui s’approchera à moins de 1 000 km de la comète de Halley (fig. 5). Le projet est approuvé par les instances de l’Esa en juillet 1980. Il faut mettre les bouchées doubles, car le rendez-vous avec la comète ne peut être différé ! Au prix d’efforts acharnés, au sein de l’agence comme dans les laboratoires qui réalisent les instruments, le pari sera tenu et, le 2 juillet 1985, la mission Giotto sera lancée par une fusée Ariane depuis le centre spatial de Kourou, en Guyane.

Troisième partenaire, l’Union soviétique va elle aussi se lancer dans l’aventure cométaire. Depuis les années 1960, la coopération spatiale franco-soviétique est très active, en particulier dans le cadre du programme Venera d’exploration de la planète Vénus. À la fin des années 1970, un nouveau projet est à l’étude, Venera-84, qui consiste à explorer l’atmosphère de Vénus au moyen d’un ballon. Ce projet est porté, côté français, par Jacques Blamont, alors directeur scientifique et technique du Cnes, l’agence française de l’espace. En septembre 1980, lors des journées franco-soviétiques qui se tiennent à Ajaccio, il est proposé d’utiliser l’orbiteur de Venera-84 pour larguer l’atterrisseur avec le ballon dans l’atmosphère de Vénus, puis de se rediriger vers la comète de Halley. Roald Sagdeev, directeur de l’Institut de recherche spatial de Moscou, saisit la balle au bond et mesure d’emblée l’impact scientifique, médiatique et politique d’un tel projet, à l’heure où la Nasa a été contrainte de se retirer : ce sera la mission Vega (contraction en russe de Venera-Halley). S’engage alors une course contre la montre, rendue encore plus difficile par l’ouverture à l’ensemble de la communauté internationale de l’appel d’offres à réaliser les instruments scientifiques (fig. 6).

Enfin, l’agence spatiale japonaise Isas rejoint elle aussi le ballet des sondes cométaires en mettant sur pied une double mission de survol éloigné de la comète, destinée à étudier l’interaction de celle-ci avec le vent solaire. Les sondes Suisei et Sakigake seront lancées successivement en janvier et août 1985. C’est donc une armada de cinq sondes spatiales qui s’approchera de la comète de Halley entre le 6 et le 13 mars 1986, avec le plus grand succès.

La physique cométaire avant 1986

Que sait-on des comètes avant l’apparition de 1986 ? Ce sont de petits corps glacés, de quelques kilomètres de diamètre, situés sur des orbites très elliptiques qui les font voyager du plus loin au plus près du Soleil. Depuis les travaux d’Ernst Öpik en 1932, puis de Jan Oort en 1950, on sait que les comètes proviennent de deux réservoirs distincts : 1) le nuage de Oort, vaste coquille sphérique située à quelque 50 000-100 000 ua, d’où proviennent les comètes nouvelles, ou de très longue période, qui sont les plus brillantes ; 2) la ceinture de Kuiper, située au-delà de Neptune, entre 30 et 100 ua, d’où sont issues les comètes de courte période, de faible inclinaison, qui deviennent peu actives en raison de leurs multiples passages à proximité du Soleil.

Lorsqu’une comète s’approche de son périhélie, la glace de sa surface se sublime sous l’effet du rayonnement solaire et les molécules gazeuses libérées, entraînant avec elles des grains de poussière, forment la coma ou chevelure. Selon le modèle de la « boule de neige sale » proposé par l’astronome américain Fred Whipple en 1950, la comète est constituée essentiellement de glace d’eau. La molécule d’eau n’a pas été directement identifiée, mais son radical OH (résultant de la dissociation de l’eau par le rayonnement ultraviolet solaire) a été observé en abondance par spectrométrie à la fois dans l’ultraviolet et dans le domaine radio, ce qui suggère que l’eau est un constituant majoritaire des comètes. L’enjeu de l’exploration de la comète de Halley est donc d’abord de détecter directement la molécule d’eau, mais aussi d’identifier les autres molécules présentes dans le noyau de la comète (on les appelle les molécules mères).

La redécouverte

Revenons au début des années 1980. La comète, alors située à plus de 10 ua, n’est constituée que de son noyau et est donc très difficile à détecter. Les observateurs se lancent à sa recherche, d’abord sans succès, jusqu’à ce qu’en octobre 1982, elle apparaisse enfin sur une image prise par une caméra numérique à transfert de charge (CCD) d’un nouveau modèle, installée au Mont Palomar en Californie (fig. 7). Les capteurs CCD deviendront rapidement l’élément sensible des systèmes d’imagerie de l’astronomie, mais aussi de tous les appareils photographiques modernes. La comète a été retrouvée à moins de 10 secondes d’arc de la position prédite par les éphémérides du Jet Propulsion Laboratory, ce qui illustre la qualité du travail des astrométristes.

Dès lors, la comète de Halley est régulièrement observée par les grands télescopes. Une structure internationale, l’IHW (International Halley Watch), pilotée par la Nasa, se met en place dès 1980 afin d’assurer la meilleure coordination possible entre les observateurs. L’IHW jouera un rôle très bénéfique pour structurer la communauté cométaire et pour rallier les astronomes amateurs qui jouent un rôle très actif dans les observations aux côtés des professionnels. Au début de 1985, la comète devient accessible aux télescopes de petite taille. Le premier spectre visible obtenu en Arizona, en mars 1985, montre les bandes de CN dans le proche ultraviolet et de C₂ dans le visible.

La campagne d’observation au sol et en orbite terrestre

Nous l’avons vu, les conditions d’observation sont peu favorables. Les deux fenêtres les plus propices, correspondant au moment où la comète est le plus près de la Terre, se situent en novembre 1985 et avril 1986, cette dernière fenêtre n’étant accessible que depuis l’hémisphère Sud. En revanche, les astronomes disposent d’un avantage notoire par rapport à leurs prédécesseurs en 1910 : ils disposent de nouvelles techniques. Depuis les années 1970, la spectroscopie s’est ouverte aux domaines infrarouge et millimétrique. Or, ces domaines spectraux sont précieux, car ils portent les signatures spectrales des molécules mères, alors que les domaines ultraviolet et radio ne donnaient accès qu’aux radicaux et aux ions, produits de dissociation de ces molécules.

Dès l’automne 1985, les astronomes sont à pied d’œuvre et les télescopes prêts à pointer la comète. Le temps, malheureusement, est généralement médiocre, en Europe comme aux États-Unis et au Chili. De plus, en novembre 1985, la comète, vue de la Terre, se présente de face, peu brillante et très peu spectaculaire. Il n’empêche, chacun veut voir la comète et les associations d’astronomes, amateurs et professionnels, sont parfois dépassées par la demande du public. À l’Observatoire de Paris, les coups de téléphone affluent et sont parfois cocasses : « Vous avez vu la comète ? Vous êtes damné !!! » ou bien : « À quelle heure la comète passera-t-elle au-dessus de Tarbes ? »… Souvent, il faut faire face à la déception du public qui a longuement attendu pour voir l’objet au télescope et le trouve finalement fort décevant !

Heureusement, les radioastronomes ne sont pas gênés par la météo et la station de radioastronomie de Nançay, en Sologne (fig. 8), peut observer régulièrement le radical OH qui est un bon indicateur de l’activité de la comète, c’est-à-dire de son taux de dégazage. Les radioastronomes français découvrent la molécule HCN grâce à la nouvelle antenne de 30 m de l’Iram (Institut de radioastronomie millimétrique) fonctionnant dans le domaine millimétrique à Pico Veleta, en Espagne. De leur côté, en décembre 1985, des astronomes américains réalisent une très belle observation de la comète dans l’infrarouge proche, depuis l’avion stratosphérique KAO (Kuiper Airborne Observatory). Ils détectent enfin la bande spectrale de la vapeur d’eau (fig. 9), apportant la première preuve de l’existence de cette molécule, principal constituant cométaire. Les dernières observations depuis le sol sont faites en janvier 1986 ; la comète est maintenant vue de profil et sa queue est visible sur les images (fig. 10). Puis elle disparaît derrière le Soleil ; elle ne réapparaîtra qu’en avril, et sera observée par les télescopes du Chili. Entre-temps, elle aura été visitée par la flottille des sondes spatiales.

 

L’exploration spatiale

Les sondes spatiales arrivent toutes les cinq à proximité de la comète entre les 6 et 14 mars 1986. Entre le 4 et le 10 mars, toute la communauté scientifique est réunie à Moscou pour assister au survol de la comète par les deux sondes identiques Vega 1 et 2. C’est une première, rendue possible par l’arrivée au pouvoir de Mikhaïl Gorbatchev qui, en entreprenant un programme de libéralisation économique, politique et culturelle (la perestroïka), a permis l’ouverture à l’Ouest. Tous les instruments ont fonctionné, au moins sur l’une des deux sondes, et les résultats s’accumulent ; c’est une heure de gloire – peut-être la dernière – pour les scientifiques soviétiques. Premier résultat marquant, les images du noyau cométaire, bien que floues, montrent déjà une structure allongée, voire bilobée. La première expérience de spectroscopie infrarouge, réalisée par des laboratoires français, montre la présence de plusieurs molécules mères : il y a l’eau, bien sûr, mais aussi CO, CO₂, H₂CO, et aussi un ensemble complexe de molécules à base d’hydrocarbures dont la présence n’était pas attendue (fig. 11). Ce sont les fameux « CHON », les éléments légers C, H, O et N qui seront détectés en abondance par les spectromètres de masse de Vega, puis de Giotto. Voilà de quoi alimenter les débats et les recherches à venir !

Le 13 mars, c’est la sonde européenne Giotto qui s’approche au plus près de la comète, à une distance d’environ 600 km. Là aussi, le succès est complet et l’image du noyau (fig. 12), de qualité bien supérieure à celle des sondes Vega, fait rapidement le tour du monde. Le noyau y apparaît allongé et recouvert partiellement de matériau carboné, avec des régions actives, couvertes de glace d’eau qui se sublime, et d’où s’échappent des jets de gaz et de poussière. Le passage des sondes japonaises, le 8 et le 11 mars, est plus discret, car les survols sont beaucoup plus éloignés (150 000 km et 7 millions de km respectivement), mais les données recueillies seront précieuses pour l’étude de l’interaction entre la comète et le vent solaire.

Qu’avons-nous appris ?

Au second semestre de l’année 1986, trois conférences internationales se tiennent en Europe, permettant aux scientifiques d’échanger leurs découvertes. La première, organisée par le Cospar (Comité pour la recherche spatiale) en juillet 1986, se concentre sur les missions spatiales et sur l’étude de l’interaction de la comète de Halley avec le vent solaire. La deuxième est organisée par l’Esa à Heidelberg en octobre 1986, et la troisième se tient à Paris, sous l’égide de la division des sciences planétaires de l’Association américaine d’astronomie (AAS-DPS). Ces réunions sont l’occasion d’une large confrontation entre les observations, acquises depuis le sol et dans l’espace, et les modèles théoriques de physique cométaire, mais aussi de formation stellaire ; il y règne une grande excitation et une ambiance de fête.

Premier résultat : le modèle de la « boule de neige sale » de Fred Whipple est bien confirmé. Le noyau de la comète de Halley est constitué d’eau à 80 % en masse. Mais il est aussi beaucoup plus sombre que prévu, car il est partiellement recouvert d’une couche de matériau carboné réfractaire, probablement formée par l’irradiation, par le rayonnement ultraviolet solaire, des produits organiques contenus dans les glaces du noyau. Au fur et à mesure des passages successifs de la comète à proximité du Soleil, les glaces de sa surface se subliment et sa fraction « active » diminue au profit de la couche réfractaire. La présence d’éléments légers (H, C, N, O), les « CHON », dans les grains cométaires a aussi été mise en évidence par les spectromètres de masse des sondes Vega et Giotto, ce qui souligne l’analogie entre le matériau cométaire, formé à l’origine du Système solaire, et la matière interstellaire dont il est issu. Autre résultat important obtenu par le spectromètre de masse de la sonde Giotto, la mesure du rapport D/H (deutérium/hydrogène) indique un enrichissement en deutérium de la comète d’un facteur de l’ordre de 2 par rapport à la valeur D/H des océans terrestres qui sert de référence (VSMOW = 1,6 10^–4). Cet enrichissement, qui sera ultérieurement confirmé sur d’autres comètes, est un diagnostic de l’origine de l’eau sur Terre et suggère que celle-ci provient majoritairement des corps glacés du Système solaire extérieur, dans lesquels le rapport D/H est enrichi par rapport à la phase gazeuse.

Les résultats de la campagne d’observation de Halley vont occuper les scientifiques pendant plus d’une décennie. L’observation des comètes va se poursuivre avec l’apparition de deux comètes nouvelles particulièrement brillantes, C/1996 B2 Hyakutake et C/1995 O1 Hale-Bopp qui passera au périhélie en 1997. Dans les décennies qui suivent, plusieurs comètes de courte période (19P/Borrelly, 81P/Wild 2, 9P/Tempel 1, 103P/Hartley 2) seront survolées par des sondes spatiales américaines. En 2004, l’Agence spatiale européenne lance l’ambitieuse mission Rosetta qui explorera la petite comète 67P/Churyumov-Gerasimenko (« Choury ») entre 2014 et 2016, déposant à sa surface le petit robot Philae.

Il y a deux ans, vers la fin de l’année 2023, la comète de Halley est passée à l’aphélie de sa trajectoire, au-delà de l’orbite de Neptune, à plus de 35 ua du Soleil. Elle revient donc vers nous, et sa prochaine apparition interviendra en juillet 2061. Alors s’écrira un nouveau chapitre de l’exploration de cet astre qui n’en finit pas de fasciner les humains et de passionner les astronomes.

Article écrit par Thérèse ENCRENAZ │ LIRA, Observatoire de Paris