Pioneer 10 est une sonde spatiale américaine lancée en 1972, ayant pour mission de faire une première reconnaissance de planètes du Système solaire externe. Suivie par sa jumelle Pioneer 11, elle est ainsi le premier véhicule spatial à traverser la ceinture d’astéroïdes (1972), à effectuer un survol de la planète Jupiter (1973), puis à atteindre la vitesse de libération nécessaire pour quitter le Système solaire. Les données et photos collectées par les onze instruments embarqués permettent de lever certaines des inquiétudes des concepteurs des sondes du programme Voyager, beaucoup mieux équipées et lancées cinq années plus tard pour réaliser une étude détaillée de Jupiter, Saturne et leurs satellites.

La sonde de 258 kg est développée par la NASA dans le cadre du programme Pioneer et lancée le 3 mars 1972 par une fusée Atlas-Centaur D. En 1983, elle franchit l’orbite de la planète Neptune, la dernière planète du Système solaire, et s’éloigne depuis en direction de l’étoile Aldébaran qu’elle atteindra dans deux millions d’années. Pioneer 10 est la première sonde spatiale équipée d’un générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG), qui lui permet de s’affranchir de l’énergie solaire, très réduite aux distances des planètes supérieures, pour sa production d’énergie. Le dernier contact avec cette précurseuse est établi le 23 janvier 2003.

Au début de l’ère spatiale, dans la première moitié de la décennie 1960, les missions d’exploration du Système solaire menées par la NASA, l’agence spatiale américaine, se concentrent sur la Lune et les deux planètes les plus proches de la Terre : Mars et Vénus. À la suite de leurs premiers succès, les trois centres spatiaux de la NASA impliqués dans les missions  interplanétaires — le centre de recherche Ames, le centre de vol spatial Goddard et le Jet Propulsion Laboratory — étudient des missions visant des objectifs plus éloignés. Le centre de recherche Ames lance dans les années 1960 plusieurs petites sondes spatiales (Pioneer 6 à 9) qui étudient le milieu interplanétaire à proximité de la Terre. Fort du succès rencontré, le centre Ames débute la conception de deux nouvelles sondes spatiales, Pioneer F et Pioneer G, avec un programme similaire (étude du vent solaire, du rayonnement cosmique et autres caractéristiques du milieu interplanétaire), mais qui doivent s’éloigner jusqu’à une distance de quatre unités astronomiques du Soleil, soit quatre fois la distance Terre-Soleil. À la même époque, le centre Goddard étudie la mission Galactic Jupiter Probe, dont les objectifs comprennent l’étude de la ceinture d’astéroïdes et de l’environnement autour de la planète Jupiter. La sonde spatiale chargée de cette mission a recours pour la première fois dans une mission

interplanétaire à un générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG), qui utilise la chaleur dégagée par la désintégration du plutonium pour produire l’énergie qui lui est nécessaire. En effet, à grande distance du Soleil, les panneaux solaires, compte tenu du rendement obtenu à l’époque, ne sont plus une solution viable. Le centre Goddard propose de construire quatre sondes spatiales lancées par paires, pour un budget total de 100 millions de dollars américains. Le JPL, qui a rencontré un énorme succès avec ses sondes spatiales Mariner, propose de son côté la mission Navigator, un projet de sonde spatiale particulièrement ambitieux, avec une masse de 1 000 kg et un ensemble très complet d’instruments scientifiques. Ce projet est remplacé par le programme Grand Tour, qui propose d’utiliser une trajectoire mise au point par l’ingénieur Gary Flandro, exploitant une conjonction exceptionnelle des planètes supérieures qui ne se reproduit que tous les 176 ans. Celle-ci doit permettre à des sondes spatiales de survoler plusieurs de ces planètes pratiquement sans dépenser de carburant, uniquement en utilisant l’assistance gravitationnelle2. Le projet du JPL n’est finalement pas retenu mais pose les fondations du programme Voyager, presque aussi ambitieux, dont le développement est lancé en juillet 1972.

L’Académie nationale des sciences des États-Unis produit à cette époque un rapport donnant une priorité maximale à l’étude de la planète Jupiter. Aussi, la NASA décide en 1967 de modifier l’objectif des missions Pioneer F et G pour y inclure l’étude de la planète géante et de rattacher celles-ci à sa division interplanétaire. L’agence spatiale annule par contre le projet Galactic Jupiter Probe du centre de vol spatial Goddard, car celui-ci est jugé trop coûteux et parce qu’il risque d’accaparer les ressources d’un établissement complètement mobilisé par le programme Apollo. Pour permettre aux sondes spatiales Pioneer de disposer de suffisamment d’énergie aux abords de Jupiter, éloignée de 5,2 ua du Soleil, elles utilisent les RTG envisagés par le centre Goddard. Un groupe de travail, baptisé Outer Space Panel et présidé par James Van Allen, définit les objectifs scientifiques qui seront assignés à ces missions, tandis que le centre spatial de la NASA définit les caractéristiques techniques des sondes spatiales. Le projet Pioneer Jupiter est lancé officiellement par la NASA en février 1969. La société TRW, qui a construit les autres sondes du programme Pioneer, est sélectionnée pour fabriquer les sondes Pioneer F et Pioneer G3.

L’objectif de la mission des sondes spatiales Pioneer 10 et Pioneer 11 est d’étudier le milieu interplanétaire au-delà de l’orbite de la planète Mars, d’évaluer le risque de collision dans la ceinture d’astéroïdes et enfin d’étudier la planète Jupiter et son environnement. Les expériences scientifiques embarquées sont sélectionnées parmi 150 propositions effectuées à fin des années 1960 et au début des années 1970. Les deux sondes spatiales suivent des trajectoires différentes : la première sonde spatiale Pioneer 10 doit jouer un rôle d’éclaireur en effectuant la première traversée de la ceinture d’astéroïdes qui s’étend au-delà de Mars, puis doit survoler Jupiter et ses lunes. De son côté, Pioneer 11, lancée un an plus tard, suit initialement la même trajectoire mais utilise ensuite l’assistance gravitationnelle de Jupiter pour se diriger vers Saturne et survoler cette planète. Pour placer en orbite la sonde spatiale, le lanceur Atlas-Centaur D est retenu. Celui-ci permet de placer un engin d’environ une tonne sur une orbite interplanétaire. La trajectoire retenue pour atteindre Jupiter est directe (pas de recours à l’assistance gravitationnelle des planètes inférieures). Pour atteindre Jupiter, le lanceur est surmonté par un troisième étage à propergol solide Star 37E  de 1 127 kg, qui fournit une poussée de 66,7 kilonewtons. Les sondes Pioneer-F et Pioneer-G sont lancées respectivement en 1972 et 1973 et baptisées après leur lancement Pioneer 10 et Pioneer 11. En 2001, le coût total du programme est évalué à 350 millions de dollars dont 200 millions pour le développement et 150 millions pour le lancement, la gestion opérationnelle et l’exploitation des résultats.

La fenêtre de lancement permettant le lancement de Pioneer 10 vers la planète Jupiter a une durée un peu supérieure à un mois et revient tous les treize mois. En 1972, elle s’ouvre le 25 février et se referme le 20 mars. La sonde spatiale Pioneer 10 est convoyée par avion depuis la Californie jusqu’à la base de lancement de Cap Canaveral en Floride en janvier 1972 et est préparée pour le lancement. Après deux tentatives avortées à cause de la vitesse du vent dans les couches supérieures de l’atmosphère, le lanceur Atlas-Centaur (AC-27) décolle le 3 mars 1972 depuis l’aire de lancement LC-36A. L’injection de la sonde spatiale sur sa trajectoire vers Jupiter est directe. Après avoir été largué par le lanceur, l’ensemble formé par l’étage supérieur Star 37E et la sonde spatiale est mis en rotation rapide (« spinné »), à 21 tours par minute, et le troisième étage est mis à feu durant 43 secondes avant d’être largué. Trente minutes après son lancement, les mâts servant de support au capteur du magnétomètre et aux générateurs thermoélectriques à radioisotope (RTG) sont déployés, faisant chuter la vitesse de rotation à 4,8 tours par minute. Pioneer 10, qui atteint une vitesse de 14,356 km/s (51 682 km/h) par rapport à la Terre, établit un nouveau record de vitesse et dépasse l’orbite de la Lune seulement onze heures après son lancement. La sonde spatiale est placée sur une orbite héliocentrique, dont l’apogée se situe à 5,97 unités astronomiques du Soleil et l’inclinaison orbitale par rapport au plan de l’écliptique est de 1.92°.

Durant les deux premières semaines du vol, le fonctionnement des instruments est vérifié. Deux corrections de la trajectoire sont effectuées le 7 mars (14 m/s) et le 26 mars (3,3 m/s). Durant le transit vers la planète Jupiter, qui va durer vingt mois, la sonde spatiale doit étudier le milieu interplanétaire, dont les caractéristiques n’ont jamais été mesurées au-delà de l’orbite de Mars. Celle-ci est dépassée au bout de trois mois (contre sept à dix mois pour les sondes vers Mars). Une des inconnues de ce vol concerne la traversée de la ceinture d’astéroïdes qui rassemble des millions d’astéroïdes entre les orbites de Mars et de Jupiter. Celle-ci est atteinte en juillet 1972. Les responsables du projet estiment la probabilité que la sonde spatiale soit détruite par un morceau d’astéroïde à 10 %, ce qui a contribué à justifier le lancement de deux sondes spatiales. En février 1973, Pioneer 10 traverse cette région de l’espace sans que les détecteurs de météorites ne signalent un quelconque impact significatif. La sonde spatiale passe à plusieurs millions de kilomètres de deux astéroïdes sans que ses instruments ne puissent recueillir d’informations.

Une intensification des flux de particules est détectée à plus de 20 millions de kilomètres de la planète Jupiter, signalant son influence croissante sur l’environnement interplanétaire. À 6,4 millions de kilomètres, les instruments de Pioneer 10 mesurent une forte diminution de la vitesse du vent solaire et une élévation de la température liée à la traversée de l’onde de choc séparant la magnétosphère de la planète du milieu interplanétaire, dominé par le Soleil. La croissance du rayonnement ambiant durant les deux derniers jours de l’approche font craindre que l’électronique ne puisse survivre à l’approche finale, qui doit pourtant faire passer la sonde spatiale à « seulement » 200000km de la surface. Seize heures avant ce survol, Pioneer 10 passe à 1,42 million de kilomètres de la lune Callisto, puis, quatre heures plus tard, à 440 000 km de la lune Ganymède. Elle survole la lune Europe 6,4 heures avant sa rencontre avec la planète Jupiter en passant à 330 000 km. Le photopolarimètre parvient à photographier les trois lunes, mais la meilleure résolution spatiale qui est obtenue en photographiant Ganymède est seulement de 400 kilomètres et permet uniquement de distinguer une région sombre près du pôle sud et une région plus claire près du pôle nord. Le 3 décembre 1973, Pioneer 10 passe à 130 354 km du sommet des nuages de la planète géante à une vitesse de 35 km/s en prenant des

photos. Dix minutes après ce survol, elle passe à seulement 30 000 km de la petite lune Amalthée, puis six minutes plus tard, la lune Io s’interpose durant près d’une minute entre la sonde spatiale et la Terre. Cette  occultation voulue permet de déterminer par l’analyse des perturbations du signal radio qu’Io a une atmosphère de très faible densité (1/20000e de celle de la Terre) et une ionosphère qui culmine à 700 km. Le spectromètre ultraviolet détecte un nuage d’hydrogène présent sur l’orbite de Io. L’origine de ces émissions reste à l’époque non expliquée. Ce phénomène ne sera expliqué qu’après le survol de Io par Voyager 1, qui permettra de découvrir le volcanisme de la lune, un phénomène unique dans le Système solaire. Soixante-dix-huit minutes après son survol, Pioneer 10 passe dans l’ombre de Jupiter. Utilisant l’occultation résultante, les instruments découvrent des courants-jets dans l’atmosphère au niveau de pression 150 hectopascals, ainsi que des mouvements de convection. Le photomètre infrarouge fournit un profil de température très détaillé contredisant les mesures effectuées avec des instruments sur Terre. Les données confirment que Jupiter émet plus de chaleur qu’elle n’en reçoit. À un niveau de pression donnée, la température relevée est uniforme à 3 °C près de l’équateur au pôle de la planète géante. L’occultation radio permet de découvrir que l’ionosphère s’étend jusqu’à une altitude de 3 000 km. Entre le 6 novembre et le 1er décembre, la sonde spatiale prend 500 photos de l’atmosphère de Jupiter, dont certaines avec une résolution spatiale de 320 km. Les données recueillies durant cette traversée du système galiléen jouent un rôle important pour la conception des missions Voyager et Galileo qui suivent.

En survolant la planète Jupiter, Pioneer 10 bénéficie de son assistance gravitationnelle. Celle-ci accroît sa vitesse suffisamment pour lui permettre de quitter à terme le Système solaire. La nouvelle trajectoire de la sonde spatiale la mène dans la direction opposée au déplacement du Soleil dans la galaxie. Pioneer 10 entame ainsi un périple qui doit la conduire aux alentours de l’étoile Aldébaran dans deux millions d’années. Une fois sortie de la magnétosphère de Jupiter, les instruments de Pioneer 10 commencent à étudier les particules du vent solaire et le rayonnement cosmique issu de notre galaxie. Le principal objectif est la recherche de l’héliopause, cette frontière qui délimite la zone d’influence du Soleil. Au lancement de Pioneer 10, la NASA estime que les antennes paraboliques à grande portée du Deep Space Network (DSN) permettent de capter le signal de radio faiblissant jusqu’au milieu des années 1980. Des améliorations considérables de ce réseau permirent de prolonger cette durée de près de quinze ans. Malheureusement, la sonde spatiale se dirigeant à l’opposé du déplacement du Système solaire n’arriva jamais jusqu’à l’héliopause, car celle-ci se trouve beaucoup plus loin du Soleil dans cette direction. La mission de la

sonde est arrivée officiellement à son terme le 31 mars 1997, principalement pour des raisons budgétaires. Des contacts occasionnels sont pris en 2002 pour le 30e anniversaire de son lancement, Pioneer 10, malgré son âge et les conditions qu’elle a rencontrées, fonctionne encore (même si de nombreux systèmes sont arrêtés faute d’énergie, notamment). Le dernier contact avec la sonde, très faible, a eu lieu le 22 janvier 2003. La tentative de contact du 7 février 2003 est restée sans réponse, comme celle du 4 mars 2006. Lors de ces derniers contacts avec la sonde, sa vitesse est de plus de 44 000 km/h et elle est distante du Soleil de plus de 12 milliards de kilomètres. Malgré cela, elle ne détient pas le record de distance à la Terre, celui-ci appartenant à Voyager 1. Bien que partie plus tard, cette dernière détient ce record depuis février 1998 car sa vitesse relative par rapport au Soleil est sensiblement plus importante.

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Sources : Wikipédia, YouTube.