Interstellar Mapping and Acceleration Probe

Interstellar Mapping and Acceleration Probe (Observatoire des relations Soleil-Terre), plus connu sous son acronyme IMAP, est une mission spatiale de l'agence spatiale américaine, la NASA, dont l'objectif est l'étude du vent solaire et de l'héliosphère local. IMAP est la cinquième mission du programme d'étude des relations Soleil-Terre (Solar Terrestrial Probes). Le lancement de l'engin spatial a lieu le 24 septembre 2025. La durée nominale de la mission est de 2 ans mais elle pourra être prolongée. IMAP emporte 10 instruments représentant l'état de l'art dans le domaine de la mesure des particules. Le projet est piloté par le centre de vol spatial Goddard tandis que le satellite est construit par le laboratoire APL de l'université Johns-Hopkins. Le projet scientifique est dirigé par l'Université de Princeton. Les instruments sont fournis par des laboratoires et universités américains ainsi que des laboratoires étrangers.

IMAP
Satellite scientifique

Vue d'artiste du satellite IMAP.

Données générales

Organisation	NASA
Constructeur	Applied Physics Laboratory Université de Princeton
Programme	Solar Terrestrial Probes
Domaine	Étude du vent solaire et de l'héliosphère
Statut	En transit
Lancement	24 septembre 2025
Lanceur	Falcon 9
Durée de vie	2 ans (mission primaire)
Site

Caractéristiques techniques

Masse au lancement	900 kg
Contrôle d'attitude	Spinné
Source d'énergie	Panneaux solaires
Puissance électrique	500 Watts

Orbite

Orbite	Orbite héliocentrique
Localisation	Point de Lagrange L1 du système Terre-Soleil

Principaux instruments

IMAP-Lo	Imageur atomes neutres
IMAP-Hi	Imageur atomes neutres
IMAP-Ultra	Imageur atomes neutres
SWAPI	Mesure des ions du vent solaire
SWE	Mesure des électrons du vent solaire
CoDICE	Mesure des particules chargées
HIT	Mesure des ions très énergétiques
MAG	Magnétomètre
IDEX	Mesure de la poussière interstellaire
GLOWS	Mesure de la luminescence solaire

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Contexte

Schéma de l'héliosphère.

L'héliosphère est la région de l'espace placée sous l'influence de notre étoile, le Soleil. Englobant les planètes du système solaire elle est caractérisée par la présence de particules (essentiellement des protons et des électrons) transportées par le vent solaire généré par notre étoile. Cette enveloppe de gaz exerce une pression sur le milieu interstellaire (milieu dans lequel baigne les étoiles de notre galaxie) composé de particules venus de l'espace lointain qui s'écarte autour de cette bulle magnétique au fur et à mesure du déplacement du Soleil au sein de la galaxie. La région formant la limite externe de l'héliosphère, l'héliopause, est approximativement sphérique mais sa forme mouvante car elle est sensible à l'influence de facteurs internes (principalement les éruptions solaires) et externes (densité variable du milieu interstellaire). L'héliosphère protège la Terre en bloquant la majorité des rayons cosmiques (particules massives à très haute énergie) en provenance des autres étoiles^[1].

L'existence de l'héliosphère a été prédite pour la première fois dans les années 1950. La sonde spatiale Voyager 1 est le premier engin spatial à parvenir aux confins de l'héliosphère alors qu'elle se trouvait à environ 13 milliards de kilomètres de la Terre soit 95 Unités Astronomiques. IBEX, un satellite scientifique de très petite taille (environ 100 kg) développé par la NASA, est lancé en octobre 2008 pour étudier l'héliosphère. Il découvre un ruban large en moyenne de 20° et s'étalant sur environ 300°, perpendiculaire au champ magnétique galactique, qui produit deux à trois fois plus d'atomes neutres énergétiques que dans les autres parties de l'héliosphère. Ce ruban est composé de particules ayant une énergie comprise entre 0,2 et 6 keV. Le processus qui est à son origine reste en 2025 inconnu^[2].

Historique du projet

La mission IMAP a son origine dans le rapport décennal d'héliophysique produit en 2012 par l'Académie nationale des sciences des États-Unis. Celui-ci propose deux propositions de mission d'étude de l'environnement du Soleil en une seule à coût modéré rattachée au programme de la NASA Solar Terrestrial Probes consacré à l'étude des interactions entre le Soleil et la Terre. En conséquence, la NASA lance en 2017 un appel à propositions et sélectionne le projet proposé par l'université de Princeton en juin 2018^[3]. Le projet est piloté par le Centre de vol spatial Goddard tandis que le satellite est construit par le Laboratoire de Sciences Appliquées de l'université Johns-Hopkins avec des contributions importantes de laboratoires étrangers (Allemagne, Pologne, Suisse et Japon) pour l'instrumentation.

En septembre 2020 la NASA sélectionne le lanceur Falcon 9 de la société SpaceX. Celui-ci doit également emporter SWFO-L1 de l'agence américaine NOAA qui doit comme IMAP se placer en orbite du point de Lagrange L1 avec comme objectif de recueillir des données sur la météorologie spatiale et l'observatoire Carruthers Geocorona Observatory de la NASA qui doit étudier l'exosphère terrestre. En juillet 2021 les caractéristiques techniques de la mission sont validées et en janvier la revue de conception critique permet de lancer la fabrication de l'engin spatial et de ses instruments. L'assemblage final et les tests débutent en septembre 2023. En janvier 2025 les tests acoustiques et vibratoires de IMAP sont réalisés dans les locaux du laboratoire APL tandis que les tests de comportement dans le vide sont réalisés en mars de la même année au centre de vol spatial Marshall. L'engin assemblé est expédié en mai en Floride pour la préparation finale dans les locaux d'Astrotech. Le panneau solaire qui avait été démonté pour les tests environnementaux est fixé sur le corps de l'engin spatial^[4]

Objectifs scientifiques

Les objections de la mission IMAP sont de déterminer les processus physiques qui contrôlent les évolutions de l'environnement spatial de notre système solaire. Les instruments d'IMAP réalisent ces objectifs en mesurant les caractéristiques du vent solaire ainsi qu'en mesurant l'écho de l'héliosphère lorsque les particules atteignent et interagissent avec les régions situées aux limites de l'héliosphère (héliopause). Les objectifs détaillés sont^[5] :

• définir la composition et les caractéristiques du milieu interstellaire local,
• déterminer comment le champ magnétique du Soleil interagit avec le milieu interstellaire local,
• déterminer comment le vent solaire et le milieu interstellaire interagissent aux limites de l'héliosphère.
• déterminer comment les particules atteignent de hautes énergies en traversant le système solaire.

Caractéristiques techniques

IMAP est un satellite dont les caractéristiques sont proches de celles de IBEX. D'une masse de 900 kilogrammes, il a une forme assimilable à celle d'un cylindre peu épais d'une diamètre de 3 mètres pour une hauteur de 1,5 mètres. Des baies ouvertes sur le côté permettent aux capteurs des instruments qui y sont installés de pouvoir accéder à l'espace. Un appendice long de 2,5 mètres déployé dans l'espace supporte les capteurs du magnétomètre. Il est stabilisé par mise en rotation à raison de quatre tours par minute) avec son axe de rotation est dirigé vers le Soleil. L'énergie est fournie par des cellules solaires fixées sur la face tournée en permanence vers le Soleil. Celles-ci produisent 500 Watts. Une batterie lithium-ion produit 150 Watts durant la phase de lancement lorsque le panneau solaire n'est pas encore dégagé et tourné vers le Soleil. 12 petits moteurs-fusées à ergols liquides sont utilisés pour modifier ou corriger l'orientation de l'engin spatial, la vitesse de rotation et maintenir l'orbite. Ils utilisent de l'hydrazine (un monergol) stocké dans trois réservoirs. Le système de télécommunications utilise des antennes fixées sur les deux faces opposées de IMAP. Les échanges avec la Terre s'effectuent en bande X avec un débit de 2 kilobits sur la liaison montante (commandes) et de 375 à 500 kilobits sur la liaison descendante qui comprend principalement les données recueillies par les instruments^[6].

La température de la face supérieure tournée vers le Soleil et recouverte de panneaux solaires s'élève à près de 140°C tandis que celle de la face opposée descend à -250°C. Par ailleurs l'électronique génère à l'intérieur de l'engin spatial beaucoup de chaleur. Le système de contrôle thermique est chargé de protéger les éléments les plus sensibles de IMAP des températures extrêmes. A cet effet sa surface externe ainsi que ses instruments sont revêtus d'un isolant multicouche et des résistances chauffantes maintiennent si nécessaire la température. L'isolant est perforé à certains endroits pour permettre l'évacuation des gaz présents avant le lancement. Pour évacuer la chaleur interne excédentaire, la face située à l'opposé du Soleil est peinte en noir (elle fait ainsi office de radiateur dissipant la chaleur)^[6].

• Plateforme de IMAP
• 
  Installation du panneau solaire.
• 
  L'engin spatial est installé dans une chambre à vide.
• 

Instruments scientifiques

Types d'observation (spectre énergétique et nature des particules) prises en charge par les instruments de IMAP.

L'instrument CODICE.

L'instrument SWAPI.

IMAP emporte 10 instruments scientifiques^[7] :

IMAP-Lo

IMAP-Lo est un détecteur d'atomes neutres qui détermine la direction et la nature des particules interstellaires dont l'énergie est comprise entre 5 et 1 000 eV. Les éléments détectés sont l'hélium, l'hydrogène, l'oxygène, le néon et le deutérium. L'instrument dérive de IBEX-Lo installé à bord de l'observatoire spatial IBEX^[8].

IMAP-Hi

IMAP-Hi est un détecteur d'atomes neutres qui détermine le spectre, la direction et l’énergie des particules issues de l'héliosphère externe dont l'énergie est comprise entre 0,41 et 15,6 keV. Il comprend deux détecteurs pointés respectivement à 90° et 45° de l'axe de rotation de IMAP et dans la direction opposée au Soleil. IMAP-Hi peut détecter les atomes d'hélium, d'hydrogène, d'oxygène, de néon, de carbone et d'azote. L'instrument dérive de IBEX-Hi installé à bord de l'observatoire spatial IBEX^[9].

IMAP-Ultra

IMAP-Ultra est un détecteur d'atomes neutres, d'ions et d'électrons qui détermine le spectre, la direction et l’énergie des particules issues de l'héliogaine et au-delà. Il détecte en particulier les atomes neutres d'hydrogène dont l'énergie est comprise entre 3 et 300 keV mais est également sensible aux atomes d'hélium. L'instrument est identique à l'instrument JENI embarqué à bord de la sonde spatiale européenne mis à part qu'il comporte deux détecteurs au lieu d'un seul^[10].

MAG

MAG est un magnétomètre composé de deux détecteurs identiques tri-axiaux fluxgate dérivés des instruments embarqués à bord de MMS. Les magnétomètres sont montés à l'extrémité d'une perche de 1,8 mètre de long pour réduire l'impact des équipements de l'engin spatial sur les mesures. Des mesures sont effectuées avec une fréquence de 2 Herz. La plage de mesures est de ±500 nT et la résolution est de 10 pT^[11].

SWE

SWE (Solar Wind Electrons) est un instrument mesurant la distribution dans les trois dimensions des électrons thermiques et suprathermiques dont l'énergie est comprise entre 1 eV et 5 keV^[12].

SWAPI

SWAPI (Solar Wind and Pickup Ions) est un instrument mesurant la distribution énergétique des ions d'hydrogène et d'hélium du vent solaire et issus du milieu interstellaire. Les particules mesurées ont une énergie comprise entre 0,1 et 20 keV^[13].

CoDICE

CoDICE (Compact Dual Ion Composition Experiment) est un instrument mesurant la nature des ions, leur distribution de vitesse et leur charge électrique. Les particules mesurées ont une énergie comprise entre 0,5 et 80 keV par charge électrique (détecteur CoDICE-Lo) et entre 0,03 et 5 MeV par noyau dans CoDICE-hi. Ces mesures doivent permettre de déterminer la composition et les flux dans le milieu interstellaire local ainsi déterminer l'origine des particules suprathermiques^[14].

HIT

HIT (High-energy Ion Telescope) est un instrument mesurant la nature des ions, leur spectre énergétique et leur distribution angulaire et leur temps d'arrivée. Les éléments mesurés vont de l'hydrogène au nickel dont l'énergie est de 2 à 40 MeV. HIT est basé sur l'instrument LET embarqué à bord de STEREO^[15].

IDEX

IDEX (Interstellar Dust Explorer) est un instrument mesurant la composition, la vitesse et la distribution de masse des particules de poussière interstellaire. La sensibilité de l'instrument doit lui permettre de mesurer au moins 100 particules par an. La résolution de masse est de 1/200^[16].

GLOWS

GLOWS (Global Solar Wind Structure) est un instrument mesurant le rayonnement émis dans l'héliosphère par l'hydrogène (rayonnement Lyman-αline 121,6 nm) et par l'hélium (58,4 nm)^[17].

Déroulement de la mission

Animation montrant la trajectoire de IMAP depuis son lancement jusqu'à sa phase opérationnelle en orbite autour du point de Lagrange L1. Le référentiel tourne avec la Terre.

IMAP est lancé le 24 septembre 2025 par une fusée Falcon 9 décollant du centre spatial Kennedy en Floride qui emporte également deux autres engins spatiaux : d'une part SWFO-L1 de l'agence américaine NOAA dont l'objectif est de recueillir des données sur la météorologie de l'espace et d'autre part l'observatoire Carruthers Geocorona Observatory de la NASA qui doit étudier l'exosphère de la Terre. Tous les trois doivent être placés en orbite du point de Lagrange L1 du système Terre-Soleil situé à 1,5 million de kilomètres de la Terre en direction du Soleil. Ces engins spatiaux sont fixés sur une structure cylindrique de type ESPA (Expendable Launch Vehicle Secondary Payload Adapter Array Ring) solidaire du dernier étage de la fusée^[18].

Après un transit de plusieurs mois IMAP s'insère en janvier 2026 en orbite autour du point de Lagrange L₁ . Dans cette position, les mesures du vent solaire sont nettement moins perturbées par la Terre. La mission primaire doit durer 2 ans mais le satellite emporte des consommables pour au minimum 5 ans^[19].

• Installation sous la coiffe du lanceur
• 
  Configuration des trois engins spatiaux - IMAP, SWFO-L1 et Carruthers - fixés sur la structure ESPA (Expendable Launch Vehicle Secondary Payload Adapter Array Ring) sous la coiffe du lanceur spatial Falcon 9.
• 
  Les trois engins sont photographiés ici assemblés sous la coiffe du lanceur Falcon 9 avant qu'elle soit refermée.