Découverte d'autoroutes interplanétaires pour les sondes spatiales

Les chercheurs ont découvert un nouveau réseau d'autoroutes interplanétaires permettant de traverser le Système solaire avec peu de carburant et plus rapidement qu'auparavant.

« Il n'y a pas de problèmes résolus, il y a seulement des problèmes plus ou moins résolus », c'est une des célèbres citations du mathématicien et physicien français Henri Poincaré. Lui-même avait considérablement fait avancer les questions portant sur ce que l'on appelle le problème des trois corps en mécanique céleste. Sous ce nom un peu ésotérique se trouve simplement le problème consistant à trouver le comportement et les trajectoires de trois corps s'attirant gravitationnellement et effectuant des mouvements en réponse selon les lois de la mécanique de Newton. Nous n'en avons que des solutions partielles. La résolution de ce problème donne par exemple les clés pour comprendre et prédire les mouvements de la Lune autour de la Terre sous l'effet de son attraction combinée avec le Soleil, ou encore les mouvements des satellites autour de la Terre ; elle permet d'appréhender également les trajectoires des sondes interplanétaires quittant la Terre pour explorer les comètes et les astéroïdes ou lorsqu'elles sont, par exemple, en orbite autour d'une planète géante afin d'explorer ses lunes.

Bien des corps célestes nous restent à explorer dans le Système solaire, pour mieux comprendre sa cosmogonie mais aussi, un jour, en explorer les ressources minières ou bien l'eau pour alimenter des colonies. Les mécaniciens célestes cherchent donc les trajectoires qui seraient les plus économiques en temps et en carburant. Au cours de cette quête, ils ont notamment découvert l'existence de ce qu'ils appellent l'Interplanetary Transport Network (ITN) ou, en français, « le réseau de transport interplanétaire ».

Futura avait déjà rendu compte de l'existence de ce réseau dans le précédent article ci-dessous. Il repose sur l'existence des points de Lagrange associés aux planètes en orbite autour du Soleil ou aux lunes en orbite autour de ces planètes. On peut décrire ces trajectoires en constatant qu'elles se rassemblent pour former des surfaces formant des sortes de tubes. Mathématiquement, l'étude et la formulation rigoureuse de ces surfaces font intervenir la notion abstraite de « variété » (manifold en anglais) dont une théorie générale pour des hypersurfaces en dimensions « n » arbitraires a été développée depuis plus d'un siècle.

La découverte de l'ITN repose aussi sur de puissantes nouvelles méthodes en mécanique céleste qui ont été découvertes par Henri Poincaré au-delà des travaux dans ce domaine de Lagrange, Laplace et Gauss. Elles portent en elles la fameuse théorie du chaos pour des systèmes dynamiques décrits par des équations différentielles et faisaient déjà intervenir des notions subtiles de topologie et de ce que l'on a appelé par la suite la géométrie symplectique. Mais ces sujets ne seront pas abordés car cela nous entraînerait beaucoup plus loin qu'il n'est nécessaire pour signaler la publication par Nataša Todorović, Di Wu, et Aaron J. Rosengren dans Science Advances d'un nouvel article faisant état de progrès récents dans l'exploration de ce qu'il est possible de faire avec les autoroutes du réseau de transport interplanétaire.

Les mécaniciens célestes y annoncent en effet avoir découvert de nouvelles structures géométriques en rapport avec les trajectoires de l'ITN et faisant intervenir ce qu'ils appellent des arches de chaos en rapport avec les ensembles de trajectoires stables ou instables formant les surfaces, les variétés déjà identifiées lorsque l'on explore les solutions du « planar, circular, and restricted three-body problem (PCR3BP) » comme l'appelle en anglais (le problème à trois corps réduit, circulaire et dans un plan). Ces arches permettent de comprendre le comportement et les trajectoires de petits corps célestes comme ceux de la famille des comètes de Jupiter (en anglais JFC, pour Jupiter Family Comets), qui se composent de comètes périodiques de courte période, ou encore ceux de la famille des centaures, des petits corps glacés qui gravitent autour du Soleil entre Jupiter et Neptune.

Surtout, les nouvelles routes peuvent conduire des comètes et des astéroïdes près de Jupiter à la distance de Neptune en moins d'une décennie et à 100 unités astronomiques en moins d'un siècle ; elles pourraient en conséquence être utilisées pour envoyer des engins spatiaux aux confins de notre Système solaire relativement rapidement, ainsi que pour surveiller et comprendre les objets proches de la Terre qui pourraient entrer en collision avec notre planète.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astronautique-decouverte-autoroutes-interplanetaires-sondes-spatiales-20503/