Communiquer avec une sonde à 25 milliards de kilomètres : le défi impossible que la NASA réussit chaque jour

Il y a des chiffres qu'on a du mal à appréhender et qui résistent à notre imagination. 25 milliards de kilomètres par exemple. C'est la distance qui nous sépare aujourd'hui de Voyager 1. C'est l'objet fabriqué par l'Homme le plus loin de nous dans l'Univers. Et pourtant, chaque jour, la NASA envoie des commandes à cette sonde, et elle répond ! Comment est-ce possible ?

Un voyageur lancé en 1977 et toujours en route

La sonde Voyager 1 a été lancée le 5 septembre 1977. Il y a donc près de 50 ans ! A bord, elle embarque des instruments scientifiques qui ont permis des découvertes fantastiques, et aussi un objet unique : le Golden Record, un disque d'or gravé de sons, de musiques et d'images représentant l'Humanité. Il contient entre autres des photos de paysages, d'êtres vivants, des enregistrements sonores de bruits naturels (pluie, vagues, vent, …), des messages de bienvenue dans plusieurs langues, et même de la musique classique. Un condensé de l'Humanité dans une bouteille lancée à la dérive dans l'océan infini de l'espace. Au cas où une civilisation extraterrestre tomberait un jour dessus.

En 1990, alors qu'elle se trouvait à « seulement » 6,4 milliards de kilomètres de nous, Voyager 1 a retourné son appareil vers la Terre et a pris une photo qui est entrée dans la légende. Le Pale Blue Dot, le point bleu pâle, montre notre planète comme un grain de poussière suspendu dans un rayon de lumière. C'est bouleversant de se dire que ce petit point englobe l'Humanité toute entière, son monde et son Histoire : les forêts, les océans, les pyramides, les villes, les premières peintures dans les grottes, nos joies et nos tristesses, nos rêves… Quand l'infiniment grand nous fait sentir infiniment petits.

Depuis, la sonde a continué son voyage. Elle a quitté le système solaire, traversé l'héliosphère (la bulle d'influence du Soleil formée par le vent solaire), et elle file désormais dans l'espace interstellaire. Et la NASA continue de lui parler.

« Mais moi je perds le Wi-Fi quand je change de pièce »

C’est là que la situation devient franchement injuste. A la maison on perd le signal dès qu’on s’éloigne un peu de la box internet. Et la NASA maintient une connexion stable avec une sonde à 25 milliards de kilomètres. Comment ?

La première partie de la réponse tient à la nature du signal émis par Voyager 1. La sonde dispose d'un émetteur radio d'une puissance de 20 watts. Soit à peu près celle d'une ampoule LED de bureau ou d'une console de jeux en veille. Pas très impressionnant à première vue.

Oui mais la différence fondamentale avec notre Wi-Fi, c'est que l'espace est vide. Terriblement, radicalement vide. C'en est effrayant d'ailleurs. Pas d'air, pas de murs, pas d'obstacles. Il y a bien des planètes, des astéroïdes, des poussières, mais à ces distances ils sont si rares qu'en pratique l'espace reste presque entièrement vide. Le signal de Voyager 1 se propage donc dans le vide intersidéral sans rencontrer la moindre résistance. Aucun mur en béton pour l'absorber, aucun autre signal pour le déranger. Il voyage en ligne droite, à la vitesse de la lumière, depuis des décennies. Il n'y a pas de manière plus rapide de voyager.

Un signal plus faible qu'un murmure dans une tempête

Le problème c'est que même dans le vide un signal s'affaiblit avec la distance. Et quand il parvient sur Terre après avoir parcouru 25 milliards de kilomètres, il est fatigué et c'est bien normal.

A l'arrivée sur Terre, on parle d'une puissance de signal reçue de l'ordre de -150 dBm. Si l'unité ne vous dit rien alors voici quelques analogies. A ce niveau, c'est comme essayer d'entendre quelqu'un chuchoter dans une salle de concert bondée en plein orage, alors que tout le monde crie en même temps. Ou comme percevoir le battement d'ailes d'un papillon à des kilomètres de nous alors qu'on se balade à Times Square à New York.

Par rapport au signal de notre box internet à la maison, on n'est donc plus dans la même échelle : là où un Wi-Fi est déjà un signal très faible à l'échelle humaine, celui de Voyager 1 est des centaines de milliards de fois plus faible encore. On est dans la limite absolue du détectable.

Les grandes oreilles de l'Humanité

Et pourtant ce signal est encore exploitable. Pour le capter, il faut des instruments extraordinaires. La NASA utilise le Deep Space Network (DSN), un réseau de trois antennes géantes réparties sur le globe : en Californie (Goldstone), en Espagne (Madrid) et en Australie (Canberra). Pourquoi trois, et aussi éloignées en plus ? Parce que la Terre tourne sur elle-même, et on veut qu'il y ait toujours au moins une antenne pointée dans la direction de la sonde.

Ces antennes ne ressemblent pas aux paraboles sur nos toits. Enfin si, un peu quand même. Sauf que ce sont des monstres de 70 mètres de diamètre, soit plus que la hauteur de la tour de Pise ! Elles sont pointées avec une précision chirurgicale pour suivre la sonde dans sa course. Et elles sont directionnelles : contrairement au Wi-Fi qui rayonne dans toutes les directions, ces antennes concentrent leur écoute dans un cône très étroit. Toute leur surface, des milliers de mètres carrés de métal poli, collecte et focalise les rares photons du signal de Voyager 1 qui ont réussi à atteindre la Terre.

Le froid pour mieux entendre

Mais avoir des antennes géantes ne suffit pas. Il faut aussi des traitements numériques incroyablement efficaces pour distinguer le signal du bruit. Le signal, c'est la voix de la sonde, ce qu'on veut entendre. Le bruit, c'est tout le reste : les parasites, les interférences mais aussi le bruit électronique des instruments eux-mêmes, les petites fluctuations internes des composants. Il y a donc le bruit extérieur, venu du cosmos et des environs de la Terre, mais aussi le bruit rajouté par la machine elle-même, comme si l'oreille qui écoute générait en permanence son propre grésillement en arrière-plan.

Et là un ennemi inattendu entre en jeu : la chaleur.

Tout objet chaud émet des ondes électromagnétiques de manière aléatoire à cause de l'agitation thermique des électrons. Et pas besoin d'être brûlant pour ça. Un récepteur électronique à température ambiante génère lui-même du bruit, et ce bruit vient parasiter le signal déjà infime qu'il cherche à lire. C'est comme essayer d'entendre un murmure dans une salle de concert. Soit la personne doit parler plus fort, soit on fait taire la salle. Et c'est la deuxième option qu'on choisit.

La solution donc : refroidir le récepteur à des températures cryogéniques, proches du zéro absolu (-273°C), avec de l'azote ou de l'hélium liquide. A ces températures, l'agitation thermique des électrons tombe à un niveau négligeable, et le bruit électronique disparaît presque entièrement. Le récepteur devient alors capable de détecter d'infimes signaux comme ceux de Voyager 1. Et tout se passe sur Terre : la sonde se contente d'émettre, et on a construit pour pouvoir l'écouter.

Une horloge qui tourne, une pile qui se vide

Combien de temps encore pourra-t-on parler avec Voyager 1 ? La réponse tient dans deux contraintes qui s'aggravent irrémédiablement chaque jour.

D'abord la distance. Le signal met aujourd'hui plus de 23 heures pour atteindre la Terre depuis la sonde. Envoyer une commande et recevoir la confirmation prend donc environ deux jours complets aujourd'hui, et ce délai s'allonge continuellement.

Ensuite, et surtout, la source d'énergie. Voyager 1 n'a pas de panneaux solaires car elle est trop loin du Soleil pour que cela ait un sens. Elle est alimentée par un générateur thermoélectrique à radioéléments (RTG), autrement dit une pile nucléaire, qui exploite la chaleur produite par la désintégration naturelle d'un morceau de plutonium-238. Cette chaleur est ensuite convertie en électricité pour le fonctionnement de la sonde. Mais cette source d'énergie diminue lentement avec le temps, à mesure que le matériau radioactif se désintègre. Les trois piles embarquées à bord produisent aujourd'hui environ moitié moins d'énergie qu'au lancement, et cette baisse est irréversible.

Les ingénieurs éteignent donc progressivement les instruments un par un pour préserver l'essentiel : la communication. Les estimations actuelles donnent à la NASA la capacité de maintenir le contact jusqu'aux alentours de 2025–2030, peut-être un peu plus. Ensuite, Voyager 1 continuera son voyage seule et en silence.

Ce que ça dit de nous

C'est assez impressionnant de se dire qu'on communique encore avec une machine construite dans les années 70, c'est-à-dire à une époque où les ordinateurs occupaient des pièces entières, avec de grandes oreilles de métal refroidies à l'hélium.

Il y a aussi quelque chose de profondément émouvant dans cette histoire. Carl Sagan, qui avait convaincu la NASA de retourner l'appareil photo de Voyager 1 vers la Terre pour prendre la photo du point bleu pâle, aimait rappeler que nous sommes, au sens littéral, faits de « poussières d'étoiles » et que « le cosmos est en nous ». Connaître l'Univers c'est nous connaître nous-mêmes.

Voyager 1 continuera son voyage bien après que nous aurons perdu le signal. Peut-être pendant des millions d'années encore. A moins que d'autres formes de « poussières d'étoiles » ne fassent sa rencontre…