Psyché est la quatorzième mission spatiale du programme de la NASA. Cette mission, lancée le , doit étudier l'astéroïde métallique . Celui-ci pourrait être pour partie le vestige du noyau ferreux d'une ancienne protoplanète issu d'une violente collision avec un autre objet qui aurait arraché ses couches externes. L'objectif scientifique de la mission est d'identifier les caractéristiques (formation, composition et évolution) de cet astéroïde atypique pour améliorer la connaissance du processus de formation des noyaux planétaires et plus globalement du Système solaire.
La mission Psyché est sélectionnée par la NASA parmi plusieurs propositions en . La sonde spatiale doit se placer en orbite autour de Psyché en 2029, après un transit de cinq années et demi au cours duquel sa propulsion électrique sera utilisée de manière quasi continue. La trajectoire retenue comprend le survol de la planète Mars, qui sera utilisé pour effectuer une manœuvre d'assistance gravitationnelle. La durée initiale de la mission scientifique est de . Au cours de celle-ci, la sonde spatiale doit se placer sur plusieurs orbites s'échelonnant entre 709 et pour dresser les cartes topographique et géologique de la surface, effectuer des relevés des champs magnétique et gravitationnel et déterminer la composition chimique de la surface.
Pour répondre aux contraintes de coût des missions (plafonnées à d'euros hors coût de lancement), le corps de la sonde spatiale dérive d'une plateforme de satellites de télécommunications. Celle-ci comprend une propulsion à effet Hall, dont ce sera la première utilisation sur une mission interplanétaire. Pour remplir ses objectifs, la sonde spatiale emporte trois types d'instruments : deux imageurs, des spectromètres gamma et à neutrons, et un magnétomètre. Elle servira également de test pour des essais de télécommunications optiques avec la Terre utilisant un laser.
Contexte scientifique
Le processus de formation des planètes
La différenciation est, en planétologie, le processus par lequel l'intérieur d'un corps massif (planètes, planètes naines, certains satellites comme la Lune…) se structure en couches de différentes densités. Ce processus, qui se produit durant la formation du corps céleste, résulte de l'échauffement des matériaux provoqué par la désintégration des isotopes radioactifs, par l'énergie libérée par les chocs avec d'autres corps, nombreux au début de la formation de tout système planétaire, et par la pression exercée par la force de gravitation. La température, qui dépasse les , entraîne la fusion des matériaux. Ceux-ci deviennent liquides et s'enfouissent à une profondeur qui dépend de leur densité. La couche la plus profonde est constituée généralement par un noyau de fer et de nickel. Celui-ci est animé de mouvements créant un effet dynamo qui engendre un champ magnétique dipolaire. Avec le temps, la chaleur produite par les impacts se dissipe et les isotopes radioactifs décroissent. Le corps céleste se refroidit. Lorsque le noyau métallique est complètement solidifié, le champ magnétique n'est plus produit et il ne subsiste plus qu'un champ magnétique rémanent, faible et diffus. C'est le cas de Mars, de la Lune et de Mercure.
La différenciation est un processus fondamental dans la formation des planètes telluriques, dont la Terre. C'est un processus mal connu, car il est impossible d'accéder au noyau des planètes (profondeur, température et pression les mettent hors de portée de nos instruments) pour étudier ses caractéristiques et déterminer son mode de formation. Un autre élément qui rend la reconstitution de ce processus difficile est qu'on ne connait pas la composition de la nébuleuse à partir de laquelle les planètes se sont formées. L'exploration directe d'un noyau pourrait améliorer grandement la compréhension qu'ont les scientifiques de la formation des planètes et de leurs couches géologiques internes.
L'astéroïde Psyché
vignette|Modèle 3D de produit par inversion de sa courbe de lumière. vignette|Vue d'artiste de .
La cible de la mission est , un astéroïde de grande taille situé dans la ceinture d'astéroïdes entre les planètes Mars et Jupiter. C'est également l'astéroïde le plus volumineux de la famille de Thémis, qui regroupe des astéroïdes situés à une distance moyenne de . La raison de la sélection de Psyché pour cette mission est qu'il s'agit du plus massif des astéroïdes de , qui sont généralement caractérisés par une proportion importante de métal (fer et nickel). À ce titre, ce corps pourrait être un fragment du noyau métallique d'un planétésimal dont la couche supérieure rocheuse aurait été arrachée par des collisions avec d'autres corps célestes. Il pourrait également contenir une proportion importante d'éléments chimiques lourds comme des métaux précieux et des terres rares. L'observation de cet astéroïde pourrait permettre d'étudier le noyau métallique habituellement recouvert d'une épaisse couche de roches, et ainsi de mieux comprendre le processus de formation des planètes du Système solaire, dont le déroulement est aujourd'hui mal défini. Le seul astéroïde métallique observé précédemment par un engin spatial était (21) Lutèce, qui a été survolé à une grande distance (plus de ) par la sonde spatiale européenne Rosetta en 2010..
L'orbite de Psyché dans le Système solaire est parcourue en cinq années terrestres et est située à une distance du Soleil comprise entre 2,53 et astronomiques. Son inclinaison orbitale par rapport à l'écliptique est de . Compte tenu de son éloignement de la Terre, la communauté scientifique ne dispose que de photos et d'images radar floues de quelques pixels, mais celles-ci ont permis de déduire ses dimensions approximatives : . Sa période de rotation est de et son axe de rotation est incliné de près de , ce qui contribue à la difficulté de son exploration. Sa masse a été calculée par astrométrie, c'est-à-dire en mesurant l'influence de l'astéroïde sur l'orbite d'autres corps de taille réduite passant à proximité. Du fait de la difficulté des mesures, les estimations de la masse et donc de la densité ont beaucoup évolué au cours des décennies 2000 et 2010. Alors qu'initialement une densité d'environ 8 était avancée, en faisant un astéroïde entièrement composé de métal, les estimations actuelles situent sa densité entre 3,4 et 4,1, une valeur déjà observée pour des astéroïdes rocheux. La proportion de métal pourrait être comprise entre 30 et 60 %, en partant de l'hypothèse que la porosité ne dépasse pas 20 % et que les autres composant sont des silicates faiblement chargés en fer 33th Largest Asteroid, 16 Psyche...
Psyché présente également des caractéristiques inhabituelles. Alors que les roches à la surface de Mars, de Mercure, de Vénus et de la Terre comportent des proportions importantes d'oxyde de fer, les données disponibles sur la surface de l'astéroïde semblent indiquer une proportion beaucoup plus faible de ces éléments chimiques. Cela suggère que l'histoire de Psyché diffère de la théorie standard de formation des planètes.. Aussi, plusieurs scénarios de formation sont désormais envisagés, qui pourront être en grande partie déterminés par les caractéristiques du champ magnétique de l'astéroïde et la proportion de nickel par rapport au fer.
Objectifs de la mission vignette|Figures de Widmanstätten que l'on pourrait trouver à l'intérieur du noyau des astéroïdes métalliques. Quelques météorites de fer trouvées sur Terre pourraient provenir de .
La mission Psyché doit traiter les questions scientifiques suivantes : l'astéroïde Psyché est-il le noyau apparent d'un planétésimal différencié, ou s'agit-il dès l'origine d'un corps riche en fer ? Les planétésimaux qui se sont formés près du Soleil ont-ils une composition vraiment différente des autres astéroïdes ? si le manteau externe de Psyché a été arraché au cours d'une collision, quand et comment cela s'est-il produit ? Psyché a-t-il produit un effet dynamo quand il s'est refroidi ? quels sont les principaux alliages métalliques qui coexistent dans le noyau de fer de l'astéroïde ? quelles sont les principales caractéristiques de la surface et de la topographie de l'astéroïde ? Psyché doit-il être considéré comme radicalement différent des astéroïdes rocheux et des corps composés de glace ? comment les cratères produits sur un corps métallique se différencient-ils de ceux observés dans des corps constitués de roche ou de glace ?
Pour remplir ces objectifs, la sonde spatiale dispose d'un magnétomètre qui mesure le champ magnétique produit par l'astéroïde, de spectromètres qui déterminent l'abondance d'éléments chimiques clés (nickel, fer...) et de deux caméras équipées de filtres qui permettent de distinguer certains minéraux. En fonction du contenu des données collectées, un des scénarios de formation suivants peut être déduit. : si le magnétomètre détecte un champ magnétique dipolaire cohérent, alors l'astéroïde Psyché a disposé d'une dynamo magnétique dans son noyau qui s'est solidifié de l'extérieur vers l'intérieur, en enregistrant dans la couche externe un champ magnétique. La proportion de nickel devrait être d'environ 4 % ou moins ; une proportion de nickel comprise entre 6 et 12 % indiquerait que la solidification s'est produite de l'intérieur vers l'extérieur. Dans ce cas, il ne devrait y avoir aucun champ magnétique résiduel, car la couche externe se serait alors solidifiée alors que la dynamo centrale était arrêtée ; si la proportion de nickel est très faible et qu'il n'existe pas de champ magnétique cohérent, Psyché n'aurait jamais fondu et serait composé de métaux primordiaux agrégés ayant fait l'objet d'une forte réduction. Ce scénario, le plus excitant pour les scientifiques, serait confirmé par l'absence d'un manteau de silicates enrobant le noyau qui serait remplacé par des poches de silicates de petite taille dispersées sur toute la surface. Dans ce cas de figure, Psyché se serait formé au plus près du centre du Système solaire, là où la température a fait s'évaporer les éléments chimiques les plus légers, ne laissant que les éléments les plus lourds et les métaux tout en les réduisant chimiquement. Cette découverte confirmerait une hypothèse émise dans un article de Botke , selon laquelle de tels corps auraient été éjectés depuis la partie interne du Système solaire vers la ceinture d'astéroïdes. Un tel épisode durant la formation du Système solaire a jusqu'à présent été considéré comme peu probable ; si un champ magnétique dipolaire cohérent est détecté avec une proportion de nickel plus faible ou plus forte que celle attendue dans ce cas de figure, on se trouverait face à un scénario de formation des petits noyaux non prévu par les modèles existants.
La présence d'un champ magnétique sur Psyché serait la première découverte d'un tel champ sur un astéroïde. Il est devenu de plus en plus évident que certains planétésimaux, les briques à partir desquelles se sont formées les planètes, comportaient une dynamo magnétique nécessitant la présence d'un noyau métallique soumis à la convection, mais les scientifiques peinent à modéliser la manière dont ces noyaux se seraient solidifiés. Si Psyché a un noyau qui s'est solidifié à partir de l'extérieur, alors le processus est analogue à celui qui semble être en cours sur Mercure et Ganymède. Ce processus inattendu pourrait être observable sur Psyché alors qu'il ne peut l'être sur Mercure. Si le noyau s'est solidifié depuis l'intérieur, alors il est analogue au processus en cours sur Terre.
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