8 septembre 2024 : clap de fin pour la mission Cluster de l’ESA

La mission Cluster comprend quatre satellites volant en formation pyramidale sur une orbite polaire elliptique. Les quatre vaisseaux spatiaux, baptisés Rumba, Salsa, Samba et Tango, transportent chacun une même charge utile de 11 instruments de pointe, dont l’instrument STAFF.

Vue d’artiste des 4 satellites Cluster

© ESA

Son objectif était de résoudre l’ambiguïté temps-espace et de mesurer en trois dimensions l’environnement plasma de la Terre, jusque dans le vent solaire.

Ses instruments sont d’une très grande sensibilité. L’instrument STAFF, réalisé conjointement par le DESPA (actuel LESIA) et CETP (actuel LPP) reste aujourd’hui l’instrument le plus sensible au monde dans sa gamme de fréquences, permettant de résoudre la fin de la cascade de turbulence électromagnétique aux échelles plus courtes que le kilomètre ! [1].

Avec 24 ans dans l’espace depuis les lancements de juillet et août 2000, Cluster aura fonctionné bien au-delà de sa durée de vie initiale de 2 ans. De nombreux défis opérationnels ont été relevés, comme d’innombrables traversées de l’ombre de la Terre sans source d’énergie électrique d’origine solaire, la réinitialisation d’un satellite après trois jours de perte de télémétrie et la récupération d’un instrument à la suite d’un piratage informatique. Des opérations inhabituelles ont également été réalisées, par exemple pour réduire la distance entre deux satellites jusqu’à seulement 2,5 km (en 2015-2016).

Vue d’artiste de la mission Cluster 2

© ESA

Une abondante moisson scientifique

Plus de 3 200 articles ont été publiés et plus de 150 communiqués de presse ou articles sur le web. Voir notamment :

• https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Cluster,
• https://en.wikipedia.org/wiki/Cluster_II_(spacecraft).

Les résultats les plus importants qui impliquent des chercheurs et chercheuses de l’Observatoire de Paris-PSL sont  :

• La caractérisation du mouvement du choc en amont de la magnétosphère de la Terre, comme si la magnétosphère « respirait » ;

• La découverte de vortex magnétiques en aval du choc terrestre, puis dans le vent solaire. Aujourd’hui, on trouve les signatures de ces vortex (dits « vortex d’Alfven ») plus proches du Soleil avec Parker Solar Probe ;

• La caractérisation de la turbulence dans les plasmas spatiaux (magnétosphère et vent solaire) jusqu’à de très petites échelles ;

• La première étude statistique des ondes « Whistler » dans le vent solaire.

Ces résultats continuent d’alimenter les analyses menées par les chercheurs et chercheuses de l’Observatoire de Paris-PSL, et du monde entier aujourd’hui. Ils ont ouvert de nouvelles questions à résoudre avec les missions en cours, Parker Solar Probe (Nasa) et Solar Orbiter (ESA/Nasa).

Des débuts difficiles et une anecdote mémorable

Initialement, les quatre satellites de la mission Cluster constituaient la charge utile (gratuite) du vol inaugural d’Ariane 5. Après l’explosion de la fusée au décollage le 4 juin 1996, les pompiers ont récupéré dans la mangrove guyanaise un des analyseurs de l’instrument STAFF-SA, construit à Meudon. Après nettoyage, l’analyseur était encore fonctionnel ! Il est exposé dans une vitrine au bâtiment Jean-Louis Steinberg du campus meudonnais de l’Observatoire de Paris-PSL. Un pot mémorable de consolation fut organisé au laboratoire, où l’instrument trônait au milieu d’un grand plateau de fruits de mer...

Récepteur radio STAFF embarqué sur les sondes spatiales CLUSTER, conçu et réalisé au DESPA dans les années 1990

Ce récepteur a été récupéré par les pompiers dans les marais, près du Centre spatial de Kourou après l’explosion en vol de la fusée Ariane V en 1996. Le récepteur est toujours fonctionnel !

Les quatre satellites de la mission furent reconstruits à l’identique, et lancés par deux fusées Soyouz en juillet et août 2000. La nouvelle mission baptisée Cluster II a été la source d’une abondante moisson scientifique pour les chercheurs et chercheuses du LESIA à l’Observatoire de Paris-PSL.

Contacts LESIA

• Olga Alexandrova (olga.alexandrova observatoiredeparis.psl.eu)

• Milan Maksimovic (milan.maksimovic observatoiredeparis.psl.eu)

Références bibliographiques

Caractérisation du mouvement du choc en amont de la magnétosphère de la Terre

• Maksimovic, M., S. D. Bale, T. S. Horbury, and M. Andre (2003), Bow shock motions observed with CLUSTER, Geophys. Res. Lett., 30, 1393.

Découverte de vortex magnétiques en aval du choc terrestre, puis dans le vent solaire

• Alexandrova, O., A. Mangeney, M. Maksimovic, N. Cornilleau-Wehrlin, J.-M. Bosqued, and M. André (2006), Alfvén vortex filaments observed in magnetosheath downstream of a quasi-perpendicular bow shock, J. Geophys. Res., 111, A12208.
• D. Perrone et al 2016 ApJ 826 196.
• Alexander Vinogradov et al 2024 ApJ 971 88.

Sur la turbulence dans les plasmas (magnétosphère et vent solaire)

• Mangeney, A., Lacombe, C., Maksimovic, M., Samsonov, A. A., Cornilleau-Wehrlin, N., Harvey, C. C., Bosqued, J.-M., and Trávníček, P. : Cluster observations in the magnetosheath – Part 1 : Anisotropies of the wave vector distribution of the turbulence at electron scales, Ann. Geophys., 24, 3507–3521, 2006.
• O. Alexandrova et al 2008 ApJ 674 1153.
• Alexandrova, O., Lacombe, C., and Mangeney, A. : Spectra and anisotropy of magnetic fluctuations in the Earth’s magnetosheath : Cluster observations, Ann. Geophys., 26, 3585–3596, 2008.
• O. Alexandrova, J. Saur, C. Lacombe, A. Mangeney, J. Mitchell, S. J. Schwartz, and P. Robert, Phys. Rev. Lett. 103, 165003, 2009.
• O. Alexandrova et al 2012, ApJ 760 121.
• L. Matteini, O. Alexandrova, C. H. K. Chen, C. Lacombe, Electric and magnetic spectra from MHD to electron scales in the magnetosheath, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 466, Issue 1, April 2017, Pages 945–951.
• Roberts, O. W., Alexandrova, O., Sorriso-Valvo, L., Vörös, Z., Nakamura, R., Fischer, D., et al. (2022). Scale-dependent Kurtosis of magnetic field fluctuations in the solar wind : A multi-scale study with Cluster 2003–2015. Journal of Geophysical Research : Space Physics, 127, e2021JA029483.

La première étude statistique des ondes « Whistler » dans le vent solaire

• C. Lacombe et al 2014 ApJ 796 5, DOI 10.1088/0004-637X/796/1/5