Pas de communication ni de navigation, électronique défectueuse et risque de collision. Au centre de contrôle de mission de l'ESA à Darmstadt, les équipes ont été confrontées à un scénario sans précédent : une tempête solaire d'une ampleur extrême. Heureusement, ce cauchemar ne s'est pas déroulé dans la réalité, mais dans le cadre de la campagne de simulation de Sentinel-1D, repoussant les limites des opérations des engins spatiaux et de la préparation à la météorologie spatiale.
Avant chaque lancement de l'ESA, les équipes de mission subissent une phase de simulation rigoureuse qui répète les premiers instants d'un satellite dans l'espace, tout en préparant le contrôle de mission en cas d'anomalie. Depuis la mi-septembre, les équipes du Centre européen d'opérations spatiales (ESOC) de l'ESA, à Darmstadt, en Allemagne, sont plongées dans les simulations de Sentinel-1D, dont le lancement est prévu le 4 novembre 2025.
Pour modéliser l’un des scénarios les plus extrêmes, les agents de simulation se sont inspirés du tristement célèbre événement de Carrington en 1859, la tempête géomagnétique la plus puissante jamais enregistrée. L'exercice a reproduit les effets d'une tempête solaire catastrophique sur les opérations des satellites afin de tester la capacité de l'équipe à réagir sans navigation par satellite et sous de graves perturbations électroniques.
« Si un tel événement se produit, il n'y a pas de bonnes solutions. L'objectif serait d'assurer la sécurité du satellite et de limiter les dégâts autant que possible », explique Thomas Ormston, directeur adjoint des opérations du vaisseau spatial pour Sentinel-1D.
Cette campagne comprenait une rare activation par le Bureau de météorologie spatiale de l'ESA de son Centre de sécurité spatiale, inauguré en 2022 dans le cadre de l'engagement croissant de l'ESA en faveur de la sécurité spatiale. Le Bureau des débris spatiaux de l'ESA et les responsables des opérations des engins spatiaux d'autres missions en orbite terrestre de l'ESA ont également participé à l'exercice pour améliorer le réalisme, en simulant les impacts et la coordination entre les missions.
Se faire frapper par une vague scélérate
Il est 22h20 et tout se passe comme prévu. Après un lancement et une séparation réussis, le contrôle de mission attend l'acquisition du signal satellite. Quelques minutes plus tard, une transmission bruyante atteint le contrôle de mission. Quelque chose ne va pas.
Le vaisseau spatial, ainsi que d’autres en orbite, a été touché par une éruption solaire. Se déplaçant à la vitesse de la lumière, cette onde électromagnétique a atteint notre planète huit minutes seulement après son éruption solaire.
L’équipe de simulation a modélisé une éruption massive de classe X45, avec d’intenses rayons X et ultraviolets perturbant les systèmes radar, les communications et les données de suivi. Les fonctionnalités de navigation de Galileo et GPS sont désormais hors ligne, tandis que les stations au sol, notamment dans les régions polaires, ont perdu leurs capacités de suivi en raison des niveaux de rayonnement maximaux.
Quelques instants plus tard, la Terre est frappée par une deuxième vague, cette fois composée de particules de haute énergie, notamment de protons, d'électrons et de particules alpha. Ces particules, accélérées à des vitesses proches de la lumière, ont mis 10 à 20 minutes pour atteindre notre planète et commencent à perturber l'électronique embarquée avec des retournements de bits et des pannes potentielles permanentes.
« L'éruption solaire a surpris les membres de l'équipe. Mais une fois qu'ils ont retrouvé leur calme, ils ont su qu'un compte à rebours avait commencé. Dans les 10 à 18 heures suivantes, une éjection de masse coronale allait se produire, et ils ont dû s'y préparer », explique Gustavo Baldo Carvalho, responsable de la simulation de Sentinel-1D.
Monter sur le CME
Quinze heures après l’éruption solaire, la troisième phase, la plus destructrice, a commencé : une éjection massive de masse coronale – un plasma chaud de particules chargées – se déplaçant à des vitesses allant jusqu’à 2 000 km/s a frappé la Terre et déclenché une tempête géomagnétique catastrophique.
Au sol, de magnifiques aurores étaient visibles jusqu'en Sicile, tandis que la tempête effondrait le réseau électrique et provoquait des surtensions électriques dommageables dans de longues structures métalliques telles que des lignes électriques et des pipelines.
Dans l’espace, les satellites ont également connu des difficultés. La tempête a provoqué un gonflement de l'atmosphère terrestre, augmentant la traînée des satellites en orbite terrestre basse et les poussant hors de leurs trajectoires habituelles. Les contrôleurs de mission ont été confrontés à plusieurs avertissements de collision avec des débris spatiaux et d’autres engins spatiaux.
« Si une telle tempête se produisait, la traînée des satellites pourrait augmenter de 400 % avec des pics locaux de densité atmosphérique. Cela affecte non seulement les risques de collision, mais réduit également la durée de vie des satellites en raison de l'augmentation de la consommation de carburant pour compenser la dégradation de l'orbite », explique Jorge Amaya, coordinateur de la modélisation de la météo spatiale à l'ESA.
« Un événement d'une telle ampleur dégraderait gravement la qualité des données de conjonction, rendant les prévisions de collision de plus en plus difficiles à interpréter à mesure que les probabilités changent rapidement. Dans ce contexte, la prise de décision devient un équilibre délicat en raison d'incertitudes importantes, où une manœuvre d'évitement visant à réduire le risque d'une collision potentielle pourrait légèrement augmenter le risque d'une autre », explique Jan Siminski, du Bureau des débris spatiaux de l'ESA.
Les niveaux de rayonnement ont également augmenté, endommageant les composants électroniques et les matériaux. Les perturbations dues à un seul événement sont devenues encore plus fréquentes, détériorant les systèmes et raccourcissant leur durée de vie opérationnelle. Les signaux GNSS se sont encore dégradés, les traqueurs d’étoiles sont devenus aveugles et les événements de charge de batterie ont ajouté au chaos.
« L'immense flux d'énergie éjecté par le soleil peut endommager tous nos satellites en orbite. Les satellites en orbite terrestre basse sont généralement mieux protégés par notre atmosphère et notre champ magnétique contre les dangers spatiaux, mais une explosion de l'ampleur de l'événement de Carrington ne laisserait aucun vaisseau spatial en sécurité », explique Jorge.
Entraînement pour le « grand »
« Cet exercice a été l'occasion d'étendre une campagne de formation par simulation et d'impliquer de nombreuses autres parties prenantes au sein de l'ESOC, couvrant tous les types de missions et d'acteurs opérationnels. Le mener dans un environnement contrôlé nous a donné des informations précieuses sur la façon dont nous pourrions mieux planifier, approcher et réagir lorsqu'un tel événement se produit. Le point clé à retenir est qu'il ne s'agit pas de savoir si cela se produira mais quand », déclare Gustavo.
Le Centre de sécurité spatiale de l'ESA a joué un rôle central dans cet exercice et constitue un atout clé dans la préparation de l'Europe aux tempêtes solaires extrêmes. La simulation fournira des informations essentielles pour la constitution de services opérationnels de météorologie spatiale à l’échelle européenne, contribuant ainsi à affiner les procédures et à améliorer la résilience.
« Simuler l'impact d'un tel événement revient à prédire les effets d'une pandémie : nous ne ressentirons ses effets réels sur notre société qu'après l'événement, mais nous devons être prêts et avoir des plans en place pour réagir dans les plus brefs délais. Cet exercice était la première occasion d'aborder un événement aussi majeur et d'inclure la réaction du Bureau de météorologie spatiale de l'ESA dans les opérations établies de l'ESA », explique Jorge.
« L'ampleur et la variété des impacts nous ont poussés, nous et nos systèmes, à la limite, mais l'équipe a relevé le défi et cela nous a appris que si nous pouvons gérer cela, nous pouvons gérer n'importe quelle éventualité réelle », conclut Thomas.
Des infrastructures pour l'avenir
Au-delà des tests de résilience à la météorologie spatiale dans le cadre des opérations, des simulations comme celle-ci soulignent le besoin urgent d’améliorer la capacité européenne à prévoir les événements météorologiques spatiaux.
Le programme de sécurité spatiale de l'ESA développe le système de capteurs météorologiques spatiaux distribués (D3S). Cette série de satellites de météorologie spatiale et de charges utiles hébergées surveilleront différents paramètres de météorologie spatiale autour de la Terre et fourniront une source de données inégalée, prête à protéger les citoyens européens et les infrastructures critiques.
Plus loin de la Terre, la mission Vigil de l'ESA sera pionnière dans une approche révolutionnaire en observant le « côté » du soleil depuis le point de Lagrange 5, ouvrant ainsi la voie à des informations continues sur l'activité solaire.
Lancé en 2031, Vigil détectera les événements solaires potentiellement dangereux avant qu’ils ne soient visibles depuis la Terre, nous permettant ainsi de connaître à l’avance ses spécificités et d’offrir un temps inestimable pour protéger les engins spatiaux et les infrastructures au sol.
