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Pourquoi Artémis I va faire tant de zigzags pour rejoindre la Lune ?

Le Space Launch System (SLS), l'imposante fusée de la Nasa, a quitté sa plateforme ce 16 novembre 2022. Cette fois, ce n'était pas pour revenir dans son bâtiment d'assemblage. La fusée d'Artémis I a enfin décollé vers la Lune, après des mois de galères. Initialement prévu le 29 août, le départ de la première mission du programme Artémis vers la Lune n'avait cessé d'être repoussé. Aux problèmes techniques, dont des fuites coriaces d'hydrogène (le carburant du SLS), se sont ajoutés des aléas météorologiques, auxquels les fusées sont très sensibles.

La mission Artémis I vers la Lune est un essai inhabité : aucun équipage humain n'est présent dans l'habitacle. L'objectif est d'envoyer la capsule Orion autour de la Lune, puis de la ramener sur notre planète. Ainsi, la Nasa peut s'entraîner aux futurs vols habités vers l'astre, qui doivent commencer dès la mission Artémis II.

À quoi va ressembler la trajectoire d'Artémis I vers la Lune ? Une animation, mise en ligne le 13 novembre par Tony Dunn, astronome amateur, sur Twitter, permet de s'en rendre compte. Il a tenu compte de la mise à jour de la trajectoire de la mission, par le Jet Propulsion Laboratory de la Nasa. La trajectoire représentée montre ce qui doit se passer à partir de ce 16 novembre, jusqu'à la fin de la mission.

« Cette trajectoire est légèrement différente des précédentes [ndlr : celles que la mission aurait eu si elle était partie lors des essais précédents]. Le survol lunaire qui le ramène vers la Terre se produit plus près de l'apogée lunaire », fait remarquer Tony Dunn -- l'apogée désignant le point auquel la Lune est la plus éloignée de la Terre.

Pourquoi voit-on autant de zigzags dans cette animation ?

Le mouvement de la capsule, qui semble faire des zigzags, peut étonner. En réalité, cela tient aux choix faits par l'auteur de l'animation, pour rendre cette visualisation possible. Comme l'explique à Numerama le médiateur scientifique Pierre Henriquet, « l'allure de la trajectoire dépend beaucoup du référentiel que l'on choisit pour la dessiner ». Dans cette animation, le référentiel est simultanément centré sur notre planète et fixé sur l'axe entre la Terre et la Lune. Dit autrement, Tony Dunn a fait le choix de maintenir l'alignement entre les deux astres stationnaire. En réalité, la Lune tourne bien autour de la Terre. 

« Cela rend également évident que le vaisseau spatial est en orbite autour de la Lune, explique Tony Dunn dans un autre tweet. Si je ne maintenais pas la Lune immobile, vous verriez juste deux objets apparemment sans rapport en orbite autour de la Terre. » Cela dit, si vous observez attentivement la distance entre la Terre et la Lune dans l'animation, vous allez voir que l'écart entre les deux objets célestes évolue au fil du temps. « La Lune s'approche et s'éloigne de la Terre au cours du voyage, car son orbite est elliptique et la distance Terre-Lune n'est pas constante », complète Pierre Henriquet.

Si l'on cherchait à dessiner la trajectoire d'Artémis I en prenant un autre référentiel, que verrait-on ? « Sur un référentiel géocentrique classique, centré sur la Terre et fixe par rapport aux étoiles, on voit une trajectoire très différente », indique le médiateur scientifique. Voilà un exemple de ce que ça donne (attention, ce schéma est valable pour l'ancienne trajectoire de la mission, telle qu'elle était donnée début septembre) :

On voit exactement la même mission dans les deux dessins. On retrouve les étapes de la mission : mise en orbite terrestre, voyage vers la Lune, mise en orbite lunaire (avec un tour de plus, par rapport à la trajectoire qui commence le 16 novembre), retour vers la Terre. Cependant, l'image de gauche a un inconvénient : on y voit moins bien la trajectoire de la capsule, par rapport à la Lune. Toutefois, l'image de gauche est plus commode pour voir que « la durée totale du voyage sera un peu qu'une orbite lunaire, donc un plus d'un mois », souligne Pierre Henriquet.

Si vous vous demandez encore pourquoi les trajectoires ne sont pas rectilignes, c'est parce que ce sont rarement les plus économes en énergie. On préfère se servir de la gravité des astres pour plus d'efficacité. Résultat : les missions ont « des trajectoires plus courbées, plus longues, mais qui permettent d'économiser les quantités substantielles de carburant », résume le médiateur scientifique.

L'animation de Tony Dunn montre par ailleurs bien la forme de l'orbite d'Orion autour de la Lune : elle est ovale. Durant son voyage en orbite lunaire, la capsule va se trouver à des distances très variées de l'astre : elle passera aussi près qu'à 96 kilomètres de sa surface, qu'aussi loin qu'à 64 300 kilomètres. Aucun vaisseau habité n'est encore allé aussi loin, comme le faisait remarquer Thomas Pesquet (dont les propos avaient malheureusement été repris par des complotistes, doutant que l'humain a bien atteint la Lune).