Exploration des lunes de Saturne : un nouveau départ

En septembre dernier, la communauté scientifique célébrait, à l’Observatoire de Paris, le 20^e anniversaire de la descente de la sonde Huygens sur le sol de Titan, le plus gros satellite de Saturne [1]. La centaine de participants présents a revécu les moments clés de la mission Cassini-Huygens, lancée conjointement par la Nasa et l’Esa en 1997, qui s’est terminée le 15 septembre 2017 par le « Grand Finale », une plongée spectaculaire dans l’atmosphère de Saturne. Au-delà de la célébration d’une aventure spatiale exceptionnelle, fruit d’une collaboration internationale exemplaire, le colloque a permis d’évoquer les perspectives d’exploration des lunes de Saturne.

 Le défi est de taille. Au cours de ses treize années d’opération, la mission Cassini-Huygens a accumulé les découvertes et les surprises [1]. Conçue et développée à la suite des résultats des missions Voyager qui avaient révélé l’intérêt exceptionnel du satellite Titan – ce nouvel analogue d’une « Terre primitive » –, la mission Cassini-Huygens s’était d’emblée focalisée sur l’analyse approfondie du plus gros satellite de Saturne, en déposant à sa surface la sonde Huygens. De plus, le radar de l’orbiteur Cassini a découvert à la surface de Titan, à haute latitude, de vastes lacs d’hydrocarbures qui évoluent selon le cycle des saisons. Mais une autre découverte encore plus surprenante a défrayé la chronique : dès 2005, les instruments de l’orbiteur Cassini (fig. 1) ont mis en évidence une activité interne au sein du petit satellite Encelade. Il s’est avéré que les plumes (éjections de gaz composées majoritairement de vapeur d’eau) issues du pôle Sud d’Encelade étaient à l’origine de l’anneau E qui entoure Saturne. Les mesures réalisées sur la petite lune tout au long de la mission ont révélé la présence d’un océan liquide composé d’eau et de sels sous la surface du satellite, probablement en contact avec la surface silicatée du satellite. Des sources hydrothermales pourraient-elles y être présentes, comme dans le cas des fosses marines terrestres ? Cette hypothèse a projeté Encelade à la tête des cibles les plus prometteuses en matière d’exobiologie.

Au lendemain du « Grand Finale », les questions scientifiques autour du système de Saturne ne manquaient donc pas. Mais le défi était immense : la mission Cassini-Huygens avait bénéficié d’une collaboration internationale exceptionnelle, rendue possible – en dépit des difficultés – par un concours de circonstances favorables et le contexte politique de l’époque. Cette opportunité de collaboration spatiale internationale à grande échelle ne s’est pas reproduite depuis, comme l’illustrent les missions vers le système de Jupiter lancées en parallèle par l’Europe (Juice) et les États-Unis (Europa Clipper). Le projet TSSM (Titan Saturn System Mission), proposé conjointement en 2009 par l’Esa et la Nasa pour envoyer un ballon dans l’atmosphère de Titan et y déposer un atterrisseur, n’a pas été sélectionné, la priorité ayant été donnée à l’exploration des lunes glacées de Jupiter. Comment ajouter une pierre significative à l’héritage de Cassini-Huygens sans une collaboration internationale majeure et dans un contexte budgétaire plus contraint que jamais ?

La mission Dragonfly : l’exploration de la surface de Titan

La réponse est venue de la Nasa, avec la mission Dragonfly. Sélectionnée en 2019 dans le cadre des missions « New Frontiers » (plafonnées à un milliard de dollars), cette mission a pour objectif l’exploration de la surface et de la basse atmosphère de Titan au moyen d’un « aérobot », sorte d’hélicoptère capable d’effectuer de multiples vols de courte durée (fig. 2 et 3) [2, 3]. Le lancement est prévu pour juin 2028, pour une arrivée sur Titan en décembre 2034. La durée prévue pour la mission est de trois ans, soit 74 jours sur Titan (mais les missions sont très souvent prolongées bien au-delà de leur durée nominale, aussi longtemps que les instruments fonctionnent et que les données sont reçues sur Terre). L’environnement de Titan, dont l’atmosphère est quatre fois plus dense que celle de la Terre et la gravité sept fois plus faible, est particulièrement favorable à l’exploration par hélicoptère. Des vols successifs, programmés tous les jours ou tous les deux jours, permettront d’explorer une trentaine de sites sur des distances de plusieurs dizaines de kilomètres.

Le site d’atterrissage (fig. 4), assez proche de celui de la sonde Huygens, a été choisi de manière à pouvoir caractériser une variété de terrains identifiés par la mission Cassini-Huygens (dunes riches en matériaux organiques, zones inter-dunes riches en eau, résidus de cratères d’impact).

Les instruments scientifiques comportent un jeu de caméras, un spectromètre de masse associé à un système de forage pour prélever des échantillons sous la surface et en faire l’analyse chimique, un spectromètre à rayons gamma pour analyser la composition de la surface, ainsi qu’un instrument dédié à la météorologie (pression, température, mesure des vents) et à la sismologie, pour évaluer le niveau d’activité sismique. Alors que, pendant treize ans, la mission Cassini-Huygens a opéré depuis l’hiver (hémisphère Nord) jusqu’au solstice d’été (hémisphère Nord), la mission Dragonfly (fig. 4) arrivera et sera opérationnelle pendant l’hiver (hémisphère Nord), juste une saison saturnienne après Cassini-Huygens (fig. 5). En effet, comme Titan est en rotation synchrone autour de Saturne (présentant toujours la même face à la planète), son cycle saisonnier est celui de Saturne, dont la période de révolution autour du Soleil est proche de trente ans.

Après Titan, l’exploration d’Encelade

La découverte des geysers d’Encelade (fig. 6), impliquant l’existence d’un océan interne d’eau liquide, a introduit une nouvelle priorité dans les perspectives d’exploration future du système de Saturne. Ainsi, aux États-Unis, le rapport décennal de la Nasem (National Academy of Sciences, Engineering and Medecine) dédié à la planétologie et à l’exobiologie, publié en 2022, a classé en seconde priorité de ses missions « Flagship » (les plus ambitieuses, d’un budget supérieur au milliard de dollars) une mission vers Encelade comportant un orbiteur et un module de descente, la première priorité ayant été donnée à l’exploration d’Uranus. Conscient des difficultés budgétaires laissant peu d’espoir pour la réalisation de deux missions « Flagship », le comité de la Nasem a également recommandé, parmi les missions « New Frontiers », une mission de survols multiples d’Encelade, selon une approche analogue à celle d’Europa Clipper.

De son côté, en 2021, l’Agence spatiale européenne, dans son programme « Voyage 2050 » définissant les grands axes de sa politique d’exploration robotique spatiale pour les trois décennies à venir, a également placé l’exploration des lunes glacées en première priorité des futures missions « L4 » (comme « Large » et quatrième appel d’offres), les plus ambitieuses. En 2024, le comité d’experts chargé de la définition de cette mission en a sélectionné la cible – Encelade – et en a défini les contours – un orbiteur muni d’un module de descente (lander) [4]. L’objectif majeur est de caractériser l’habitabilité du satellite, en utilisant trois approches : 1) l’analyse de la composition et la structure de son océan interne ; 2) l’étude des interactions et des échanges d’énergie entre l’océan et la surface glacée ; 3) la recherche d’éventuelles biosignatures.

Dans un contexte budgétaire particulièrement contraint, l’approche adoptée par la mission L4 vise à privilégier une instrumentation de plus en plus petite et performante, grâce aux progrès réalisés en miniaturisation. L’atterrisseur, positionné à proximité du pôle Sud d’Encelade (la région active du satellite, fig. 7) devrait avoir une durée de vie d’au moins deux semaines. Le choix du site d’atterrissage sera crucial, et des capteurs seront nécessaires pour caractériser la surface afin d’assurer un atterrissage réussi du module de descente (fig. 8). Le sondage de l’océan interne se fera au moyen de l’analyse chimique des plumes, réalisée par l’orbiteur. La mission comprendra aussi des survols répétés des autres satellites de Saturne, selon une stratégie analogue à celle de la mission Juice dans le système de Jupiter.

Selon le calendrier prévisionnel actuel, le lancement pourrait avoir lieu entre 2040 et 2045, au moyen de deux tirs successifs par deux fusées Ariane 6. L’assemblage du vaisseau spatial se ferait en orbite terrestre dans l’année suivant les lancements. L’arrivée dans le système de Saturne aurait lieu entre 2050 et 2055. Après une succession de survols autour d’Encelade et des autres lunes de Saturne, l’atterrisseur serait déposé à l’horizon 2055-2060 pour une durée d’opération de quelques semaines, tandis que le véhicule principal, en orbite autour d’Encelade, poursuivrait son exploration. Si jamais ce scénario n’était pas compatible avec les ressources budgétaires disponibles, la solution de repli consisterait, comme dans le cas de la Nasa, à réaliser une série de survols multiples d’Encelade, comme va le faire la sonde Europa Clipper pour explorer Europe. Voilà des perspectives propres à nous faire rêver… en attendant leur réalisation !

Article écrit pat Thérèse ENCRENAZ │ Observatoire de Paris-PSL

[Notes]

1. Encrenaz T., « De la naissance de J.-D. Cassini à la mission Cassini-Huygens», l’Astronomie, n^o196, septembre 2025, p. 18-21.
2. Griton L., « Dragonfly, une libellule sur Titan », l’Astronomie, n^o135, février 2020.
3. Turtle E. Z. et Lorenz R., « Dragonfly: in situ exploration of Titan’s prebiotic chemistry, habitability, meteorology, geology and geophysical characteristics », Conférence présentée au colloque « 20 years celebration of the Huygens landing and the Cassini mission’s success », Paris, 16-18 septembre 2025.
4. Helbert J., « The mission to Enceladus – The ESA L4 mission », Conférence présentée au colloque « 20 years celebration of the Huygens landing and the Cassini mission’s success », Paris, 16-18 septembre 2025.