Lucy est une mission spatiale de l'agence spatiale américaine, la NASA, dont l'objectif est d'étudier en les survolant six astéroïdes troyens de Jupiter, qui sont positionnés aux points de Lagrange ou de cette planète. Le projet proposé par le (SWRI) a été sélectionné en 2017 dans le cadre du programme Discovery qui rassemble les missions d'étude du Système solaire américaines à coût modéré. La sonde spatiale lancée le doit survoler les différents astéroïdes entre 2027 et 2033.
Lucy est le premier engin spatial à s'approcher des astéroïdes troyens. Ces corps célestes aux caractéristiques hétérogènes seraient, selon le modèle de formation du système solaire dit de Nice, des objets qui étaient situés initialement dans différentes parties du système solaire dont certains dans la ceinture de Kuiper, au-delà des planètes externes. Ils auraient été déplacés aux points de Lagrange de Jupiter par le mouvement des planètes gazeuses géantes survenu dans les premiers âges de notre système solaire. Si cette modélisation est exacte, ces astéroïdes seraient composés des matériaux primitifs qui se sont agrégés au début de l'histoire du Système solaire. Quatre des corps survolés sont de type D et P, catégories d'astéroïdes qui n'ont jamais été étudiées jusque-là. Deux de ces astéroïdes forment un système binaire.
La sonde spatiale, fabriquée par Lockheed Martin, a une masse de dont plus de d'ergols utilisés pour les différentes corrections de trajectoire nécessaires pour survoler ses objectifs. Le corps de la sonde spatiale est un parallélépipède de de côté supportant deux immenses panneaux solaires circulaires de de diamètre dont la surface permet de compenser l'éloignement du Soleil lors des survols. Lucy emporte trois instruments scientifiques, qui avaient été mis au point pour la mission New Horizons lancée en 2006 et qui sont installés sur une plateforme orientable : un spectromètre-imageur fonctionnant dans le visible et le proche infrarouge, une caméra à haute résolution, et un spectromètre observant dans l'infrarouge thermique. Ces instruments doivent déterminer la composition de la surface, sa géologie, les caractéristiques générales (masse, densité…) et détecter la présence d'éventuels satellites ou anneaux. La mission doit affiner notre connaissance des astéroïdes troyens et plus généralement de la population des astéroïdes et permettre de disposer de nouvelles données sur les premiers corps créés lors de la formation du système solaire. L'objectif ultime est de contribuer à valider le modèle de Nice ou à défaut d'apporter des éléments pour contraindre un nouveau modèle de formation du système solaire.
Contexte vignette|Positions des astéroïdes troyens de Jupiter (grecs et troyens).
La mission spatiale Lucy doit survoler plusieurs astéroïdes troyens de Jupiter, caractérisés par leur positionnement aux points de Lagrange ou du système Soleil-Jupiter. Selon le modèle de Nice certains de ces astéroïdes seraient des fossiles du processus de formation du Système solaire.
Astéroïdes troyens de Jupiter
vignette|Les astéroïdes troyens aux points de Lagrange et et Jupiter circulent sur la même orbite (vue d'artiste avec le groupe opposé d'astéroïdes et Jupiter énormément agrandis).
Les astéroïdes troyens de Jupiter sont des petits corps célestes qui circulent sur la même orbite que Jupiter autour du Soleil, à du Soleil, en se maintenant en permanence à environ 60° de la planète géante en arrière et en avant de celle-ci. D'après les observations effectuées à l'aide de télescopes terrestres ou spatiaux, ce groupe compte plus de un million d'astéroïdes de plus de de diamètre. Le plus volumineux a un diamètre d'environ (Hektor). Les astéroïdes troyens sont caractérisés par leur position dans deux régions de l'espace, les points de Lagrange et présentant des propriétés particulières : les forces de gravitation du Soleil et de Jupiter s'y équilibrent ce qui maintient en place des corps célestes dont la taille est relativement faible comme les astéroïdes. Il est toutefois tout aussi difficile pour un corps céleste de s'installer aux points de Lagrange et que de les quitter. Par ailleurs les astronomes ont longtemps pensé que ces populations d'astéroïdes s'étaient formées au niveau de l'orbite de Jupiter et que leur composition était donc le reflet de celle de la nébuleuse solaire à cet endroit. Mais des observations relativement récentes ont montré qu'elles étaient constituées d'objets aux caractéristiques très différentes. Jusqu'à la mise au point du modèle de Nice en 2005 aucun scénario de formation du système solaire ne permettait d'expliquer l'hétérogénéité des astéroïdes troyens et leur arrivée aux points de Lagrange et .
Modèle de Nice
Le modèle de Nice est un scénario mis au point en 2005 décrivant la formation et l'évolution du Système solaire. Ce scénario fournit une explication à un certain nombre de caractéristiques jusque là inexpliquées du Système solaire notamment la position et l'absence d’homogénéité de la population des astéroïdes troyens de Jupiter. Selon le modèle de Nice, les planètes géantes gazeuses du Système solaire (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune) occupaient initialement des orbites beaucoup plus proches du Soleil. Des phénomènes de résonance orbitale ont entrainé des modifications de ces orbites en déstabilisant tout le système solaire. C'est durant cette période que des astéroïdes en provenance de l'ensemble de la nébuleuse solaire se sont installés aux points de Lagrange et du système Soleil-Jupiter : durant cette phase ces points de Lagrange étaient « ouverts » (des objets pouvaient y migrer contrairement à la situation actuelle). Le modèle de Nice explique donc la diversité des astéroïdes troyens de Jupiter (caractéristiques physiques, composition) qui seraient issus d'orbites situées à des distances variables du Soleil. Selon ce scénario certains seraient originaires des régions externes du système solaire (au niveau de la ceinture de Kuiper actuelle entre ). Les astéroïdes piégés en / seraient des planétésimaux qui se seraient formés au début de l'histoire du Système solaire et seraient restés inchangés depuis. De ce fait ils constituent des « fossiles » formés des matériaux primitifs du système solaire.
vignette|800px|centre|Simulation montrant l'évolution de l'orbite des planètes externes et la ceinture de Kuiper selon le modèle de Nice :a) Avant la résonance 2:1 de Jupiter et Saturne.b) Dispersion des objets de la ceinture de Kuiper dans le système solaire après la migration de Neptune.c) Après l'éjection d'objets de la ceinture de Kuiper par Jupiter.Les points blancs sont les planétésimaux, les cercles sont les orbites des différentes planètes géantes : Jupiter est représentée en vert, Saturne en orange, Uranus en bleu clair et Neptune en bleu foncé.
Historique du projet La mission Lucy est développée pour répondre à un des objectifs prioritaires défini au début de la décennie 2010 par la communauté scientifique américaine dans le domaine de la planétologie. Le projet est proposé par un des concepteurs du modèle de Nice et sélectionné en 2017 par la NASA dans le cadre du programme Discovery qui regroupe des missions d'exploration du système solaire à faible coût.
Rapport décennal sur les sciences planétaires de 2013 Le Rapport décennal sur les sciences planétaires est une publication du Conseil national de la recherche des États-Unis, réalisée tous les dix ans, qui définit les axes de recherche prioritaires du programme d'exploration du système solaire. Le rapport de 2013, prenant en compte les hypothèses du modèle de Nice de 2005, identifie parmi les missions prioritaires l'étude des astéroïdes troyens de Jupiter. La communauté scientifique sait très peu de choses de ces petits corps car aucun engin spatial ne les a, jusque là, survolé. Peu de données peuvent être collectées avec les télescopes terrestres et spatiaux les plus puissants car ces astéroïdes sont à la fois de petite taille, sombres et très éloignés de la Terre. Une mission spatiale chargé d'observer un nombre aussi élevé que possible d'astéroïdes troyens permettra de valider le scénario défini par le modèle de Nice. Si celui-ci retrace bien le scénario de formation du Système solaire, cette mission fournira des informations importantes sur les débuts du Système solaire (évolution des orbites des planètes géantes) et éventuellement sur les composés organiques à l'origine de la vie sur Terre. Si les données collectées contredisent le modèle de Nice, elles permettront de poser les bases d'un nouveau modèle de formation du système solaire.
Élaboration de la mission par Levison et Olkin vignette|Harold F. Levison est le responsable scientifique de la mission.
Harold F. Levison est un planétologue américain, spécialiste de la dynamique des planètes, qui travaille au sein du Southwest Research Institute (SWRI) à Boulder dans le ColoradoLe SWRI est un institut de recherche appliquée américain qui emploie plusieurs milliers de techniciens et chercheurs. Ce centre de recherche est notamment un des principaux fabricants d'instruments scientifiques embarqués à bord des sondes spatiales et des observatoires solaires spatiaux.. Levison est un des quatre chercheurs à l'origine du modèle de Nice. En réponse au rapport décennal de 2013, il développe un concept de mission de survol des astéroïdes troyens avec Catherine Olkin qui avait déjà proposé une mission analogue en 2010. Mais alors que la proposition de Olkin prévoyait le survol d'un unique astéroïde troyen et d'un astéroïde Centaure, la mission proposée comprend le survol de plusieurs astéroïdes troyens aux caractéristiques variées. L'objectif principal est Eurybates qui fait partie d'une famille issue de la fragmentation, à la suite d'une collision, d'un astéroïde de plus grande taille. Du fait de cette origine, son survol pourrait apporter des informations importantes sur sa nature. L'autre objectif initial est Oros, un astéroïde troyen faisant partie d'une catégorie (D) jamais étudiée jusque là. En définissant une trajectoire répondant aux contraintes de protection planétaire de la NASA, c'est-à-dire dans le cas de Lucy ne présentant pas de risque d'écrasement à la surface de Mars et Europe au cours des postérieures à la fin de la mission, l'équipe de Levison découvre que la sonde spatiale peut survoler au prix de corrections de trajectoire de faible ampleur (617) Patrocle et Ménétios, un couple d'astéroïdes troyens de taille similaire orbitant l'un autour de l'autre. Enfin au cours du développement du projet le survol de trois autres astéroïdes (dont deux troyens) est ajouté.
Le projet de mission est baptisé Lucy reprenant l'appellation de la proposition d'Olkin de 2010. Ce nom est une allusion indirecte à l'objectif de la mission (= retrouver des indices validant le processus de formation du système solaire). Lucy est en effet le nom donné à un fossile d'australopithèque découvert en 1974 par une équipe de chercheurs américains, français et éthiopiens qui a révolutionné notre connaissance des origines humaines, en démontrant que l'acquisition de la bipédie datait d'au moins d’annéesL'équipe de chercheurs ayant fait cette découverte était codirigée par Donald Johanson (paléontologue qui a donné son nom à l'astéroïde ), Maurice Taieb (géologie) et Yves Coppens (paléontologie). Lucy, le nom donné à l'australopithèque est lui-même tiré de la chanson Lucy in the Sky with Diamonds des Beatles..
Sélection dans le cadre du programme Discovery vignette|Logo de la mission.