thumb|upright=1.5|Le flanc nord du cratère Occator sur Cérès photographié par Dawn depuis une altitude de 33 kilomètres. La largeur de la surface photographiée est de 3 kilomètres (photo prise le 16 juin 2018).

(« Aube » en anglais) est une sonde spatiale de la NASA, dont la mission consistait à étudier Vesta et Cérès, les deux principaux corps de la ceinture d'astéroïdes. Lancée en 2007, Dawn a entamé ses observations en 2011, en se plaçant en orbite autour de Vesta, puis de Cérès, et les a achevées en 2018. Dawn est la neuvième mission du programme Discovery, qui regroupe les missions scientifiques de l'agence spatiale américaine caractérisées par un coût modéré et un cycle de développement rapide.

Vesta et Cérès sont des protoplanètes, dont les caractéristiques n'ont pratiquement pas été modifiées depuis leur formation, il y a 4,6 milliards d'années, et qui constituent des témoins de la genèse du Système solaire. À l'aide de ses trois instruments scientifiques, la sonde spatiale a photographié et cartographié les deux corps, analysé leurs champs de gravité et effectué des mesures spectrales de l'abondance et de la distribution des roches de surface, ainsi que des éléments chimiques significatifs. Les données recueillies doivent permettre d'affiner les théories relatives au processus de formation des planètes du Système solaire.

Dawn est une sonde de taille modeste, pesant environ . Bien que ne disposant que de d'ergols, ses moteurs ioniques lui ont permis d'accélérer de plus de sur l'ensemble de la mission. En établissant un nouveau record dans ce domaine, la sonde a démontré le potentiel de ce type de propulsion pour les missions interplanétaires. Les moteurs ioniques fournissent une poussée très faible, mais leur rendement est dix fois supérieur à celui d'une propulsion conventionnelle. Grâce à ces caractéristiques, une sonde spatiale s'est placée en orbite successivement autour de deux corps célestes, pour la première fois depuis le début de l'ère spatiale.

Après avoir échappé de peu à une annulation du projet en 2006, Dawn a été lancée le . Pour parvenir jusqu'à la ceinture d'astéroïdes, la sonde spatiale a décrit deux orbites autour du Soleil, en s'éloignant progressivement de celui-ci, propulsée par ses moteurs qui ont fonctionné durant 70 % du temps du transit jusqu'à son premier objectif. Dawn a eu recours, en , à l'assistance gravitationnelle de la planète Mars. Le , la sonde s'est mise en orbite autour de Vesta et a recueilli des données, qui ont amélioré de manière significative notre connaissance de l'astéroïde. Les premières analyses ont démontré qu'il s'agissait d'un corps différencié, possédant un noyau dense de nickel et de fer, aux caractéristiques très proches de celles d'une planète

Après avoir étudié Vesta durant plus d'un an, la sonde l'a quitté le , pour se diriger vers la planète naine Cérès, qu'elle atteint en , et autour de laquelle elle s'est satellisée le . Durant l'année 2015, son orbite a été rabaissée à trois reprises : en mai, en août, en décembre. La mission s'est achevée le , à la suite de l'épuisement des ergols permettant à la sonde spatiale de pointer ses instruments et ses antennes.

Contexte La découverte de la ceinture d'astéroïdes thumb|upright=1.5|Vesta et Cérès se trouvent dans la ceinture principale d'astéroïdes située entre les orbites de Mars et de Jupiter.

À la fin du , les astronomes européens conjuguent leurs efforts pour trouver la planète qui, selon les théories de l'époque (en particulier la loi de Titius-Bode), devrait se trouver entre les orbites de Mars et Jupiter. En découvrant Cérès en 1801, ils pensent avoir identifié la planète manquante, mais ils détectent au cours des années suivantes d'autres corps célestes dont l'orbite s'inscrit dans la même région de l'espace située entre deux et quatre unités astronomiques du Soleil : Pallas en 1802, Junon en 1804 puis Vesta en 1807. Vers 1830, les astronomes parviennent à estimer la taille de ces objets qui sont beaucoup plus petits que des planètes ; ils les rangent dans une nouvelle catégorie de corps célestes baptisés astéroïdes. Ces objets (et les suivants découverts) seront déclassés de leur statut de planète dans les années 1850, lorsqu'il devint clair qu'ils étaient très nombreux. Vers 1860, le nombre d'astéroïdes dépasse la centaine et le physicien Daniel Kirkwood met en évidence des lacunes dans la distribution de leurs orbites : il attribue ces irrégularités à l'influence gravitationnelle de Jupiter. Les astéroïdes sont longtemps considérés comme les débris d'une ancienne planète qui aurait été détruite par l'influence gravitationnelle de Jupiter, avant que la théorie en vigueur aujourd'hui ne suggère plutôt qu'à cause de cette influence, cette planète ne s'est en réalité jamais formée..

La ceinture d'astéroïdes et la formation du Système solaire

Depuis les premières découvertes, les astronomes ont pu déterminer, à l'aide de télescopes spatiaux et terrestres, que la ceinture d'astéroïdes regroupait des centaines de milliers d'astéroïdes. Le processus de formation de la ceinture, communément admis au sein de la communauté scientifique, est désormais le suivant. Au moment de la naissance du Système solaire, il y a environ 4,6 milliards d'années, cette région de l'espace contenait suffisamment de matière pour créer deux à trois planètes de la taille de la Terre ; en quelques dizaines de milliers d'années, comme dans le reste du Système solaire, un grand nombre de planétésimaux se sont formés par accrétion de cette matière. Quelques protoplanètes sont apparues. Mais alors qu'ailleurs, ces protoplanètes se sont elles-mêmes agrégées pour former les planètes que l'on connaît aujourd'hui, le processus s'est arrêté dans la zone correspondant à l'actuelle ceinture d'astéroïdes, environ d'années après avoir débuté, lorsque les planètes voisines, plus massives, se sont formées. Les résonances orbitales avec Jupiter et Saturne, ainsi que les interactions gravitationnelles avec des embryons plus massifs, ont chassé la majorité des planétésimaux vers d'autres orbites ou les ont fait éclater.. L'influence des planètes géantes et des protoplanètes n'a laissé, dans la ceinture d'astéroïdes, qu'une masse totale équivalente à moins de 0,1 % de celle de la Terre, composée principalement de petits planétésimaux., les deux plus grands étant les deux objets étudiés par Dawn, Cérès et Vesta. La ceinture d'astéroïdes peut être considérée comme une relique du Système solaire primitif. Les astéroïdes qui subsistent ont peu évolué depuis l'époque de leur formation, et contiennent de ce fait des informations précieuses sur les conditions et les processus à l'œuvre à ce moment-clé de la formation des planètes.

Vesta et Cérès

Vesta et Cérès, qui sont les corps les plus massifs de la ceinture d'astéroïdes, ont été choisis comme objectifs de la mission de la sonde spatiale Dawn. Le troisième astéroïde par la masse, Pallas, n'a pas été retenu par les concepteurs de la mission : son orbite est beaucoup plus coûteuse à atteindre car elle s'écarte fortement du plan de l'écliptique. Il est peu probable que Dawn survole d'autres astéroïdes que Vesta et Cérès car, dans l'éventualité où il resterait suffisamment de temps, les scientifiques préfèrent prolonger l'étude des deux astéroïdes.. Vesta et Cérès, après s'être formées au cours des dix premiers millions d'années du processus d'accrétion, ont survécu à l'influence de Jupiter mais n'ont plus évolué par la suite, alors que l'accrétion s'est poursuivie durant 50 millions d'années pour la Terre.

320px350pxL'éloignement et la faible taille des deux astéroïdes, rendent leur observation difficile depuis la Terre. Photo de gauche : l'astéroïde Vesta selon une reconstitution réalisée à partir de photos prises depuis l'orbite terrestre - Photo de droite : une des meilleures photos de Cérès photographié par le télescope spatial Hubble en 2005.

Vesta D'après les observations effectuées à l'aide de télescopes, Vesta, dont le diamètre volumétrique moyen est d'environ , est un corps où l'eau semble absente et qui comporte des terrains différenciés dont une partie serait constituée de laves basaltiques. La protoplanète a suivi un processus de différenciation planétaire comme les planètes internes, au cours duquel les éléments radioactifs à courte durée de vie ont fait fondre les roches en un magma à l'origine du noyau ferreux plus dense et du manteau magmatique périphérique plus léger. Un cratère d'impact de de diamètre, près du pôle Sud de Vesta, est le reflet d'une collision qui a expulsé près de 1 % de sa masse. La gravité sur Vesta est d'environ 3 % de celle de la Terre. Les météorites HED, qui sont sans doute des fragments de Vesta arrachés lors de collisions avec d'autres astéroïdes, ont fourni de nombreuses informations sur la structure de l'astéroïde : un des objectifs de la mission est tout à la fois de confirmer cette origine et de déterminer dans quelles conditions géologiques le matériau très particulier qui constitue ces météorites s'est créé.

Cérès Cérès est le plus grand corps de la ceinture d'astéroïdes, avec un diamètre volumétrique moyen d'environ . Contrairement à Vesta, elle est classée dans la catégorie des planètes naines, car elle possède une masse suffisante pour que sa gravité l'emporte sur les forces de cohésion du corps solide et le maintienne en équilibre hydrostatique, ce qui lui donne une forme presque sphérique ; Cérès reste néanmoins toujours un astéroïde, indépendamment de cette considération. Elle est très différente de Vesta. Les mesures effectuées semblent indiquer que la surface est constituée d'argiles et que l'eau a donc joué un rôle important dans son passé géologique. De l'eau semble encore s'échapper de la surface de Cérès et une calotte de glace pourrait subsister au niveau des pôles. Cérès est plus éloignée que Vesta du Soleil, ce qui pourrait expliquer que le processus de différenciation ne se soit a priori pas enclenché ; une autre explication serait que Cérès se soit formée plus tardivement et que la majorité des éléments radioactifs présents à l'origine se soient déjà désintégrés. La gravité sur Cérès, dont la densité est le tiers de celle de la Terre, est identique à celle de Vesta, bien que la protoplanète ait un rayon double, car sa densité est deux fois plus faible. Aucune météorite en provenance de Cérès n'a, jusqu'à présent, pu être identifiée : il se pourrait que la protoplanète n'ait pas subi de collisions analogues à celles subies par Vesta. Une autre explication serait que le spectre électromagnétique de la surface ne reflète pas la composition des roches qui n'auraient pu être identifiées parmi les météorites parvenues jusqu'à la Terre..

Les deux astéroïdes qu'a explorés la sonde Dawn, ont donc des caractéristiques partagées entre celles des planètes internes, ayant subi un processus de fusion interne et de différenciation, et celles des planètes externes, formées en grande partie de glace.

Objectifs scientifiques de la mission Dawn vignette|upright=1.5|Cérès et Vesta comparées à la Lune et Pluton.

Dawn devait rejoindre la ceinture d'astéroïdes et se placer successivement en orbite autour de Vesta et de Cérès. La sonde spatiale doit déterminer la structure interne des deux astéroïdes, leur densité, leur forme, leur taille, leur composition et leur masse. Dawn doit également fournir des informations sur la topographie de la surface et faire un inventaire des cratères. Toutes ces mesures doivent permettre de reconstituer l'histoire de la formation de Vesta et Cérès et le rôle de l'eau dans l'évolution des astéroïdes. Elles doivent contribuer à comprendre les conditions et les processus à l'œuvre au tout début de la formation du Système solaire, ainsi que le rôle de l'eau et de la taille dans l'évolution des planètes.

La sonde spatiale doit effectuer les opérations suivantes : mesurer la densité de Cérès et de Vesta, avec une incertitude inférieure à 1 % ;