Genesis est une sonde spatiale développée par l'agence spatiale américaine, la NASA, dont l'objectif était de rapporter sur Terre des particules du vent solaire, flux d'ions et électrons énergétiques produit par le Soleil. La finalité de la mission était d'analyser en laboratoire les ions pour déterminer la composition du Soleil en éléments chimiques et la proportion des différents isotopes. Genesis est la cinquième mission du programme Discovery qui rassemble des missions spatiales d'exploration scientifique du système solaire de faible coût.

Genesis est lancée le par une fusée puis est placée en orbite autour du pour effectuer la collecte des particules solaires durant deux ans. À la fin de cette phase, Genesis se dirige vers la Terre. À la suite d'une erreur commise durant l'assemblage de la sonde spatiale, la capsule qui rapporte les échantillons de vent solaire ne déploie pas son parachute et s'écrase le à plus de dans la région désertique de l'Utah où elle devait être récupérée. Malgré les dégâts infligés aux collecteurs de particules et la contamination induite, une grande partie des échantillons de vent solaire s'avère exploitable après un long travail de nettoyage mettant en œuvre plusieurs techniques. L'analyse des collecteurs se poursuit toujours en 2013 mais les objectifs qui consistaient à améliorer d'un notre connaissance des proportions des éléments présents dans le Soleil, sont considérés comme en voie d'être atteints par les scientifiques.

Contexte scientifique vignette|Durant leur séjour sur la Lune les astronautes du programme Apollo ont déployé des collecteurs de vent solaire (à gauche de l'astronaute sur la photo) qui ont été rapportés sur Terre.|alt=Photo d'un astronaute sur la Lune devant un LEM avec sur sa gauche un collecteur de vent solaire.

Parmi les objectifs scientifiques assignés à l'agence spatiale américaine, la NASA, figure l'étude de la formation, de l'évolution et de l'état actuel du système solaire. La plupart des missions d'exploration spatiales par l'agence spatiale répondant à ces objectifs s'intéressent principalement à l'état actuel des différents objets célestes composant le système solaire. La mission de Genesis est, a contrario, centrée sur l'origine du système solaire : son objet est l'étude des matériaux qui existaient dans la nébuleuse solaire à partir de laquelle le système solaire s'est formé et l'identification des processus à l’œuvre durant cette phase.

Le modèle de la nébuleuse solaire homogène

La reconstitution de la composition de la nébuleuse solaire à l'origine de notre système solaire passe par la mesure des ratios isotopiques et la composition en éléments chimiques du Soleil. Cette méthode repose sur un consensus autour d'un modèle standard concernant l'origine des matériaux ayant formé les planètes. Selon ce modèle. : les matériaux planétaires sont issus d'une nébuleuse solaire de composition homogène ; la composition en éléments chimiques de cette nébuleuse a été préservée dans la photosphère c'est-à-dire des couches superficielles du Soleil à l'exception des proportions de deutérium et de lithium ; depuis que les planètes du système solaire se sont formées seule une partie pour mille ou moins de la matière qui les compose a subi un fractionnement isotopique, c'est-à-dire un changement dans sa composition isotopique résultant de processus physico-chimiques. Aussi globalement la composition en éléments chimiques est identique dans tout le système solaire et est donc semblable aux valeurs mesurées sur la Terre.

L'analyse de la photosphère peut donc permettre de raffiner le modèle standard de formation du système solaire et également, ce qui est encore plus important, d'en vérifier la justesse.

Le vent solaire dépositaire de la composition de la nébuleuse solaire

Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés en permanence depuis la haute atmosphère du Soleil au rythme d'un million de tonnes par seconde. On distingue trois régimes de vent solaire caractérisés par des compositions et des régions d'origine différentes.. : le vent solaire lent relativement constant qui se déplace à la vitesse de et est émis depuis les régions du Soleil situées près du plan de l'écliptique ; le vent solaire rapide qui provient des régions situées à des latitudes plus hautes et se déplace à une vitesse comprise entre . Il est surtout émis lorsque l'activité solaire est importante ; un régime transitoire associé aux éjections de masse coronale.

Le matériau du vent solaire qui est éjecté dans l'espace interplanétaire, provient de la photosphère. Or la composition de celle-ci est identique à celle de la nébuleuse solaire à partir de laquelle le système solaire s'est formé. La collecte d'échantillons du vent solaire est donc une méthode pratique pour déterminer à la fois la composition du Soleil et celle de la nébuleuse d'origine. Toutefois les composants du vent solaire subissent un processus de fractionnement lorsqu'ils sont éjectés du Soleil. Celui-ci modifie en partie la composition du vent solaire. L'ampleur des transformations dépend du (FIT) et peut-être également de la masse et de la charge électrique. Pour déterminer la composition originale de la photosphère, il faut donc appliquer des corrections aux mesures d'abondance en éléments chimiques du vent solaire. La valeur de ces corrections a été établie à l'aide des données recueillies par les observatoires spatiaux solaires Ulysses, WIND, SoHO et ACE. En mesurant de manière différenciée la composition du vent solaire durant ses trois régimes, Genesis devrait permettre de vérifier la validité des corrections apportées aux mesures.

L'énigme du ratio des isotopes de l'azote 15N/14N

vignette|400px|Schéma 1 : ratio des isotopes de l’azote 15N/14N (en bleu) mesuré en différents endroits du système solaire (Écart par rapport au ratio actuel sur Terre). Les mesures effectuées par les sondes spatiales SoHO et Galileo présentent une incertitude indiquée par les barres inférieure et supérieure.. La mesure du ratio des isotopes de l’azote 15N/14N illustre l'apport essentiel d'une mission permettant de ramener sur Terre pour analyse des échantillons du vent solaire. Le ratio des isotopes de l’azote a été évalué avant le lancement de la mission Genesis dans plusieurs « réservoirs » d'azote répartis dans le système solaire en utilisant plusieurs méthodes (). Des différences allant de -50 % à +150 % ont été relevées par rapport au ratio mesuré sur Terre (toutefois de nombreuses incertitudes pourraient affecter la précision des résultats). Pour certaines de ces valeurs aucune explication n'est compatible avec le modèle d'une nébuleuse solaire dont la composition isotopique serait homogène. : le ratio des isotopes sur Terre, avant que le processus d'échappement originel ne se produise, est déduit de mesures du ratio des isotopes du néon 22Ne/20Ne du vent solaire. Ces dernières données résultent d'une expérience effectuée par les équipages du programme Apollo sur le sol lunaire ( paragraphe suivant). Le ratio des isotopes de l'azote est déduit de celui du néon en partant de l'hypothèse que le taux d'échappement du néon et de l'azote sont étroitement corrélés. En partant de cette hypothèse, la valeur du ratio de l'azote à l'origine serait de -25 % inférieure au ratio actuel avec toutefois de grandes incertitudes sur la précision ; les différents échantillons du régolite lunaire ramenés par les équipages du programme Apollo présentent des ratios très différents entre eux (de -20 % à +20 % par rapport au ratio terrestre moderne) qui seraient le reflet selon certaines théories d'une évolution dans le temps du ratio isotopique du vent solaire. Le ratio le plus bas correspondrait à des sols anciens tandis que les ratios élevés seraient le reflet du vent solaire actuel ; le ratio dans l'atmosphère de Jupiter a été mesuré par la sonde spatiale Galileo. Compte tenu des incertitudes de la mesure, il est au minimum de 30 % inférieur au taux actuel sur Terre.

Les ratios de l'ancienne Terre, des terrains anciens de la Lune et de l'atmosphère de Jupiter sont compatibles avec le modèle d'une nébuleuse à la composition homogène (autour de -30 % par rapport au ratio actuel de la Terre). Mais les mesures effectuées sur le vent solaire (reflets donc de la nébuleuse originelle) réalisées par la sonde spatiale SoHO aboutissent à un ratio proche de +20 % par rapport à celui de la Terre. Cette mesure pourrait être le résultat de l'évolution séculaire du ratio expliquant la disparité des valeurs relevées dans le régolite lunaire. Mais aucune théorie ne permet de rendre compte de cette évolution du ratio isotopique du vent solaire. Si Genesis confirme les mesures de SoHO, il faudrait donc envisager que les matériaux des planètes solaires internes et externes étaient très hétérogènes. Une très grande amplitude des ratios est également observée dans les météorites (jusqu'à +150 %). Ces variations ne peuvent s'expliquer par la présence de matériaux dont l'origine serait antérieure à la formation de la nébuleuse solaire car ceux-ci ne représentent qu'une toute petite fraction de l'azote présent..

La méthode de collecte des particules du vent solaire

Pour ramener des échantillons du vent solaire il faut pouvoir capturer une quantité significative de ces particules dans des conditions permettant de préserver les proportions des différents éléments qui le composent. Malgré leur vitesse élevée, les ions du vent solaire peuvent être capturés par des collecteurs avec une déperdition réduite qui peut être évaluée avec précision. L'utilisation de ce type de collecteur a déjà été testée avec succès dans le cadre des missions du programme Apollo. Mais le manque de pureté des collecteurs utilisés à l'époque ainsi que le temps d'exposition très court (deux jours à la surface de la Lune), n'ont permis d'obtenir des résultats que pour quelques éléments chimiques (hélium, néon ainsi que l' de l'argon). Avec une durée d'exposition plus longue et des collecteurs réalisés dans des matériaux plus purs, Genesis devrait permettre d'améliorer la précision de la mesure de la composition isotopique et l'étendre à de nombreux autres éléments chimiques..

Objectifs de la mission vignette|Genesis peu avant son lancement au centre spatial Kennedy. Les matériaux collectés par Genesis doivent permettre de déterminer avec précision la composition chimique et isotopique du vent solaire. : la composition isotopique du Soleil obtenue par la mission doit permettre d'établir une référence suffisamment précise pour permettre de mener des études des processus planétaires très exigeantes dans ce domaine ; la composition chimique du Soleil est connue aujourd'hui essentiellement par les raies d’absorption de sa photosphère mais la précision est d'environ 10 % au mieux pour quelques éléments chimiques. Genesis a pour objectif d'améliorer notre connaissance des proportions de chacun des éléments chimiques d'au moins un ; Genesis doit collecter de manière différenciée le vent solaire lors des trois régimes identifiés (du vent lent au vent rapide). Cela doit permettre de vérifier les méthodes de correction utilisées pour le calcul de l'abondance des éléments chimiques pour tenir compte des variations de vitesse (prise en compte du processus de ou FIT) ; la collecte de Genesis doit permettre de constituer une réserve de matériau solaire qui pourra être utilisée lorsque des techniques d'analyse plus avancées seront disponibles.

Historique du projet