Vendredi 24 février
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Mars Science Laboratory
Voir l'historique des nouveautés IntroductionLe rover américain Curiosity, connu sous le nom de Mars Science Laboratory (MSL) depuis le démarrage du projet, est la troisième génération de sonde mobile envoyée à la surface de Mars par la Nasa, après Sojourner en 1997 et le duo Spirit-Opportunity en 2004. Comme la première fois, le passage d'une génération à l'autre s'accompagne d'un bond en avant en termes de taille, de masse et... d'ambition : quatre fois et demie plus lourd qu'un Mer, gros comme une voiture de type citadine, MSL a en outre une mission primaire bien plus longue que ses prédécesseurs (deux années terrestres). Il faut dire qu'il est doté d'un RTG, c'est-à-dire d'un générateur nucléaire, pour son alimentation en énergie et qu'il est donc beaucoup moins soumis aux aléas météorologiques que ses aînés, dont les panneaux photovoltaïques se couvraient inévitablement de poussière. Comme l'indique le nom qu'elle lui a donné, la Nasa a voulu faire de MSL un véritable laboratoire roulant. Alors que Spirit et Opportunity ne pouvaient réaliser que des analyses superficielles des roches (avec tout de même la possibilité de les abraser sur quelques millimètres au préalable), MSL pourra en prélever des échantillons au moyen d'une foreuse et les verser dans les volumineux instruments intégrés à sa "carrosserie". Plus fort encore, le rover n'aura pas toujours besoin de s'approcher des affleurements rocheux pour les analyser : il pourra en déterminer la composition chimique à plusieurs mètres de distance grâce au laser de l'instrument ChemCam, fourni par la France. Pour poser ce mastodonte sur la Planète Rouge, il a fallu imaginer un tout nouveau système d'atterrissage, car les airbags de Pathfinder et des Mer ont leurs limites. MSL sera ainsi déposé au sol - directement sur ses roues - par une "grue volante" (ou sky crane) équipée de rétrofusées. Ce changement de technologie s'accompagne d'une amélioration de la précision de l'atterrissage : l'ellipse d'incertitude, c'est-à-dire la zone à l'intérieur de laquelle la sonde doit arriver, ne mesure plus que 20 kilomètres par 25, alors qu'elle était de 12 par 80 pour Spirit et Opportunity. Résultat, les scientifiques ont eu un peu plus de liberté pour le choix du site à explorer. Ce choix, évidemment primordial pour la réussite de la mission, a été finalisé en juillet 2011, après cinq grands débats entre chercheurs. Le site retenu est le cratère Gale, large de 150 kilomètres et situé 40 degrés à l'ouest (soit approximativement l'extension en longitude de la mer Méditerranée) et 10 degrés au nord du cratère Gusev, où s'est posé Spirit en 2004. Gale renferme une intriguante pile de dépôts sédimentaires stratifiés haute de plusieurs kilomètres, avec localement des traces d'écoulements. Des phyllosilicates et des sulfates, deux familles de minéraux se formant en présence d'eau, y ont aussi été détectés depuis l'orbite. Grâce à MSL et à sa panoplie d'instruments, les scientifiques espèrent parvenir à déchiffrer dans ces dépôts l'histoire géologique et climatique de Gale, et à évaluer son habitabilité passée et présente.
Informations générales
ObjectifsLes récentes missions américaines à la surface de Mars (les Mer, mais aussi Phoenix en 2008) se sont essentiellement focalisées sur la recherche de l'eau, ou du moins des traces de son passage. MSL, lui, s'est vu confié une tâche bien plus délicate encore, celle d'évaluer l'habitabilité passée et présente de son site d'atterrissage, en l'occurence le cratère Gale. Cela ne signifie pas qu'il cherchera à détecter directement la vie, à l'instar des sondes Viking dans les années 70, car il n'est pas équipé pour cela. Son objectif est plutôt d'établir progressivement, au fur et à mesure de l'exploration des lieux et des analyses de roches et d'échantillons, l'histoire physico-chimique, géologique et climatique de la région afin de déterminer si certaines conditions que l'on estime nécessaires à l'apparition de la vie ont été réunies à un moment donné. Une attention particulière est portée à l'inventaire des composés organiques présents (parmi eux, les acides aminés, souvent décrits comme les "briques de la vie", seront activement recherchés). Cependant, la détection de composés organiques n'est pas suffisante en elle-même, car il existe d'autres sources possibles, notamment les météorites carbonées. C'est pourquoi MSL sera capable de réaliser des mesures complémentaires (rapports isotopiques, chiralité) permettant de trancher entre une origine biologique ou purement géologique. La question de l'habitabilité actuelle sera quant à elle traitée par la mesure de l'ensemble des radiations que l'on reçoit lorsque l'on se trouve à la surface de Mars : rayons cosmiques galactiques, particules du vent solaire, neutrons secondaires, ultraviolets, etc. La connaissance précise de ces radiations est de première importance pour estimer la possibilité de préservation d'éventuelles biosignatures, voire d'organismes vivants. Elle est aussi importante dans la perspective de l'envoi d'une mission habitée de longue durée sur la planète d'ici la fin du siècle. Enfin, la géologie du cratère Gale fait aussi partie, bien entendu, des objectifs majeurs de la mission. De ce point de vue, MSL complétera efficacement les données recueillies depuis l'orbite, en fournissant entre autres : des vues d'ensemble, rapprochées voire microscopiques des affleurements, de nombreuses analyses chimiques des roches et des sols rencontrés, des analyses minéralogiques - plus ponctuelles - d'échantillons prélevés à l'aide du bras articulé, etc. En s'aidant de toutes ces données, et à partir des hypothèses d'ores et déjà formulées, les planétologues tenteront d'établir définitivement le mode de formation de l'immense pile de dépôts sédimentaires qui occupe 50% de la surface du cratère. Les investigations les plus attendues sont celles des couches au sein desquelles ont été identifiés des minéraux hydratés (phyllosilicates et sulfates), marqueurs d'une altération de la surface par l'eau liquide.
DéroulementHistorique du projetLa conception de la mission et du rover MSL débute en 2003, alors même que les Mer Spirit et Opportunity sont encore en transit entre la Terre et Mars. Trois ans plus tard, est entamée la phase de développement, qui comprend la finalisation de la conception, la fabrication et les tests. À cette date, le coût du projet est estimé à 1,6 milliard de dollars et la fenêtre de lancement visée se situe en septembre/octobre 2009. Cependant, les ingénieurs se heurtent à divers problèmes techniques (dont l'un concernant les actuateurs, pièces essentielles au bon fonctionnement des roues et du bras robotique) qui leur font prendre du retard sur le calendrier établi initialement. En décembre 2008, jugeant que ce retard empêchera d'effectuer certains tests indispensables, la Nasa annonce sa décision de repousser le lancement à la fenêtre suivante, qui s'ouvre à la fin de l'année 2011. Le report, auquel s'ajoute la nécessité évidente de résoudre les problèmes techniques restants, augmente considérablement le budget de la mission, qui atteint finalement 2,5 milliards de dollars en novembre 2010. Parallèlement à la mise au point du matériel, la communauté scientifique est invitée à débattre autour du choix du site d'atterrissage. Sur plus de 60 candidats envisagés au départ, quatre finalistes sont retenus après les trois premières réunions en juin 2006, octobre 2007 et septembre 2008. Ces quatre sites sont les cratères Eberswalde, Gale et Holden, et la vallée Mawrth Vallis. Avec le report du lancement, les chercheurs se voient offrir du temps supplémentaire pour traiter et interpréter les données des orbiteurs, et ainsi défendre leurs sites favoris respectifs. Deux autres réunions sont organisées en septembre 2010 et mai 2011, ouvrant la voie au choix final (qui appartient aux hauts responsables de la Nasa, et non à la communauté). Celui-ci est annoncé en juillet, avec la désignation du cratère Gale comme site d'atterrissage de la mission. En route pour Mars !La fenêtre de lancement choisie par la Nasa en fonction de la configuration planétaire s'étend du 25 novembre au 18 décembre 2011, ce qui laisse donc un peu plus de trois semaines pour réussir le tir de la fusée porteuse Atlas 5. Le voyage de 570 millions de kilomètres jusqu'à Mars prendra environ huit mois, au cours desquels seront effectuées six corrections de trajectoire [image 1]. Il est découpé en trois phases, dites respectivement de croisière, d'approche (45 jours avant l'arrivée) et "EDL" (pour "Entry, Descent and Landing", c'est-à-dire "Entrée, Descente et Atterrissage"). Cette dernière est de loin la plus critique de la mission. Imaginez : en moins de sept minutes, l'appareil va passer de 125 kilomètres d'altitude à zéro et d'une vitesse de 21 000 km/h à zéro ! Il va en outre se séparer de son bouclier thermique et de sa coque supérieure, mais aussi déployer son train roulant, ce que les précédents rovers ne faisaient qu'une fois au sol. Car MSL est doté d'un système d'atterrissage entièrement nouveau, basé non plus sur des coussins gonflables (incompatibles avec sa taille et sa masse), mais sur une "grue volante". Celle-ci doit prendre le relai du parachute à 1,6 kilomètre d'altitude et assurer grâce à ses rétrofusées la descente jusqu'à une vingtaine de mètres au-dessus du sol [images 2 et 3]. À partir de là, le rover doit s'en désolidariser, suspendu à trois câbles de 7,5 mètres, puis déplier son train roulant sur lequel il va ensuite se poser directement [image 4]. Le contact avec le sol déclenche alors des dispositifs pyrotechniques qui brisent les câbles, permettant à la grue de s'éloigner et d'aller s'écraser à bonne distance. Une fois cet atterrissage mouvementé accompli, quelques jours seront nécessaires au déploiement de différents éléments tels que le mât et les antennes de communication, à la vérification des principaux systèmes et à la localisation précise du rover. Puis ce sera le grand jour, tant attendu : celui du premier "drive", le commencement d'une exploration passionnante pendant au moins deux ans !
InstrumentsAPXSL'Alpha Particle X-ray Spectrometer, fourni par l'Agence Spatiale Canadienne (ASC), est un "habitué" de la planète Mars puisque des instruments similaires ont été embarqués sur les deux générations précédentes de rovers. Montée sur le bras articulé, la "tête" de l'APXS [image 6] doit être placée en contact ou à quelques millimètres de la roche à analyser, qu'elle bombarbe alors de noyaux d'hélium (également appelées particules alpha) et de rayons X produits par des sources radioactives de curium 244. En réaction à ce bombardement, les atomes constitutifs de la roche vont émettre leurs propres rayons X, plus ou moins énergétiques, que l'instrument va pouvoir capter pour remonter en fin de compte à la composition chimique. L'APXS embarqué sur MSL bénéfécie de plusieurs améliorations par rapport à ses prédécesseurs. Sa sensibilité, notamment, est bien meilleure, ce qui permet de réduire le temps nécessaire à l'acquisition des données. Une analyse des éléments chimiques les plus courants dans les roches (comme le sodium, le magnésium, l'aluminium, le silicium, le calcium, le fer ou le soufre) peut être réalisée en une dizaine de minutes à peine, et une analyse complète en trois heures, contre dix sur les Mer. En outre, un refroidisseur a été ajouté sur le détecteur de rayons X, permettant d'utiliser l'instrument durant le jour, et non plus seulement durant la nuit. ChemCamSans aucun doute, ChemCam (Chemistry and Camera) est l'instrument-phare du rover MSL, d'abord de par sa position au sommet du mât, mais aussi et surtout de par la technologie qu'il emploie. Celle-ci est désignée dans le jargon spécialisé par l'acronyme Libs, qui signifie en français spectroscopie par ablation laser. Et c'est ce dernier mot, laser, qui attire l'attention du grand public. Pas étonnant dans ces conditions que bon nombre de vues d'artiste et d'animations en images de synthèse représentent MSL avec ChemCam en action. Pourtant, contrairement à ce que pourraient laisser croire ces illustrations, le laser de ChemCam est parfaitement invisible pour l'œil humain puisqu'il opère dans l'infrarouge proche ! Tout comme l'APXS, ChemCam sert à déterminer la composition chimique des roches. On l'aura compris cependant, son fonctionnement est totalement différent. Les impulsions laser déclenchées depuis la "tête" de l'instrument [image 7] sont focalisées sur une cible ; une petite fraction de la roche est ainsi vaporisée et forme un plasma (un gaz ionisé) qui émet de la lumière dans le domaine ultraviolet-visible. Cette lumière est collectée par le télescope de 110 millimètres (lui aussi dans le mât) et transmise par fibre optique à un spectromètre chargé de la décomposer. Les raies d'émission des éléments chimiques apparaissent alors plus ou moins intenses selon leur abondance. Les avantages de la technique sont multiples. Aucune préparation des cibles n'est nécessaire (ni brossage, ni abrasion préalable), car le laser peut lui-même retirer les éventuelles couches superficielles de poussière ou d'altération. Avec sa portée de sept mètres, l'instrument permettra de se faire une première idée de la nature d'une roche sans avoir à y amener le rover, ou d'obtenir des compositions chimiques sur des portions d'affleurements hors d'atteinte. Enfin, les analyses étant très rapides et peu gourmandes en énergie, on pourra en effectuer un grand nombre pour, par exemple, mettre en évidence un enrichissement en tel ou tel élément le long du trajet suivi. Comme son nom l'indique, ChemCam est aussi doté d'une caméra, le RMI (Remote Micro-Imager), qui utilise le même télescope que le spectromètre. Son rôle est d'acquérir des images permettant de localiser précisément le tir laser sur la roche. Cependant, comme il n'y a pas de limite à sa portée, elle pourra également être utilisée indépendamment pour observer à distance des affleurements intéressants. CheMinLogé dans le corps du rover, l'instrument CheMin (Chemistry and Mineralogy) est prévu pour recevoir via une petite trappe des poudres de roches et de sols préparées par le système d'échantillonnage [image 8]. Une fois dans l'appareil, celles-ci sont analysées par diffraction des rayons X, une technique qui permet de déterminer de manière directe la nature et l'abondance des minéraux présents. Une analyse dure normalement une dizaine d'heures réparties sur plusieurs nuits martiennes, même si certains échantillons devraient donner des résultats acceptables en une seule journée. CheMin peut aussi réaliser des analyses en fluorescence des rayons X pour déterminer des compositions chimiques, mais il ne s'agit pas de sa fonction principale. Les poudres versées dans l'instrument seront placées dans une roue comportant 32 cellules, dont cinq sont réservées à des échantillons de référence. Les 27 autres pourront être utilisées à plusieurs reprises, par vidages successifs, afin de réaliser au minimum 74 analyses durant la mission nominale. En cas de besoin, rien n'empêche d'aller au-delà de ce chiffre ; toutefois, les risques de contamination entre les échantillons augmenteront au fur et à mesure de la réutilisation des cellules. DanL'instrument Dan (Dynamic Albedo of Neutrons) est une contribution de l'agence spatiale russe Roskosmos. Il s'agit d'un spectromètre à neutrons pouvant fonctionner de manière passive ou active et dont le rôle sera de mesurer l'abondance et la distribution de l'hydrogène dans le premier mètre de sol tout le long du chemin suivi par le rover. L'hydrogène peut être présent sous forme d'eau ou de glace contenue dans le sol (le spectromètre à neutrons de la sonde Mars Odyssey avait ainsi permis de cartographier la glace superficielle à l'échelle de toute la planète), mais aussi sous forme de minéraux hydratés, tels que certains phyllosilicates ou sulfates. MahliMahli (Mars Hand Lens Imager) est une caméra couleur disposée à l'extrémité du bras robotique, permettant d'acquérir des vues détaillées des roches pouvant atteindre une résolution de 13,9 µm (millième de millimètre) par pixel. Grâce à sa capacité à faire le point à l'infini, elle pourra aussi fournir des images de contexte à différentes échelles, en fonction de la distance de travail. Sa position sur le bras lui fera en outre bénéficier de points de vue inaccessibles aux autres caméras embarquées : elle pourra ainsi par exemple photographier le dessous du rover, si cela s'avère nécessaire ou intéressant. Enfin, Mahli est équipée de trois jeux de diodes électroluminescentes (dont un émettant dans l'ultraviolet) autorisant l'acquisition d'images durant la nuit.
MardiLa caméra Mardi (Mars Descent Imager) sera l'instrument scientifique le moins utilisé de la mission, et pour cause : il ne fonctionnera que deux minutes environ ! Fixé sur le côté du rover et pointé vers le bas, son rôle sera de réaliser une série d'images couleur (cinq par seconde) au cours de la phase finale de l'atterrissage, après la séparation du bouclier thermique. Ces images "aériennes" couvriront la zone d'arrivée du rover avec une excellente résolution spatiale (1,5 mètre à deux kilomètres d'altitude ; 1,5 millimètre à deux mètres d'altitude) et devraient permettre de reconstituer un modèle numérique de terrain très précis. Ces données seront d'une grande utilité dans les premiers jours de la mission afin, d'une part, de déterminer la localisation exacte du rover et, d'autre part, de repérer les affleurements intéressants et les obstacles éventuels dans les environs. On s'attend à ce que MSL quitte la zone photographiée par Mardi après seulement quelques semaines d'exploration. MastCamMastCam consiste en un duo de caméras montées sur le mât du rover, juste sous le laser de ChemCam. Il s'agit de véritables caméras couleur, c'est-à-dire qu'elles produisent directement des images couleur, en une seule "prise", à la manière d'un appareil photo numérique classique. À titre de comparaison, avec les caméras Pancam de Spirit et Opportunity, il fallait combiner trois images acquises avec des filtres différents (rouge, vert et bleu) pour reconstituer les teintes naturelles. Cependant, les MastCam de Curiosity sont tout de même équipées d'un jeu de filtres allant du visible à l'infrarouge, ceci afin de pouvoir réaliser des analyses multispectrales, qui fournissent des indices sur la nature des sols et des roches. Il était initialement prévu que les deux caméras soient dotées d'un zoom, mais cette capacité a plus tard été retirée du cahier des charges pour des raisons budgétaires. En conséquence, l'instrument a été repensé avec des focales fixes : 100 millimètres pour la MastCam 100, l'œil droit du rover [image 9], et 34 millimètres pour la MastCam 34, positionnée à gauche. La première a donc un champ de "vision" plus réduit (cinq degrés carrés contre quinze) mais une meilleure résolution (7,4 centimètres par pixel à un kilomètre de distance contre 22). Les images fournies serviront à la fois à l'étude du paysage et des affleurements rocheux, au suivi de l'atmosphère (opacité, tourbillons de poussière, dépôt de givre, etc.) et à la définition du chemin à suivre. RadLe Radiation Assessment Detector [image 10] est un détecteur de particules énergétiques encastré dans le chassis du rover et pointant vers le zénith. Son rôle est de caractériser l'ensemble des radiations reçues à la surface de Mars. Cela inclut les rayons cosmiques galactiques, les particules du vent solaire, les neutrons secondaires et toutes les autres particules produites dans l'atmosphère ou le régolite. Les mesures aideront à déterminer l'influence possible de ces radiations sur les organismes vivants, y compris les Humains qui se rendront peut-être sur place dans quelques décennies. Elles permettront aussi de valider les modèles numériques de l'atmosphère martienne. RemsL'instrument Rems (Rover Environmental Monitoring Station), fourni par le Centro de Astrobiología, près de Madrid (Espagne), est une station météorologique composée de plusieurs capteurs répartis à différents endroits du rover. Son rôle est de mesurer les paramètres atmosphériques suivants : sens et vitesse du vent, pression, humidité relative, température de l'air, température du sol et rayonnement ultraviolet. Ces informations seront enregistrées automatiquement toutes les heures durant cinq minutes, indépendamment de l'activité du rover et du moment du jour ou de la nuit. L'élément le plus visible de l'instrument consiste en deux sondes positionnées approximativement à mi-hauteur du mât, à 120° l'une de l'autre [image 11]. Cette configuration garantit qu'au moins l'une des deux sondes enregistrent le sens et la vitesse du vent sans perturbation liée au mât lui-même. Les sondes portent aussi les capteurs pour l'humidité relative et la température du sol. La température de l'air sera par contre mesurée par un capteur situé dans le corps du rover, relié à l'extérieur par un tube. Le capteur UV, quant à lui, est positionné sur le dessus du chassis. SamInstallé comme CheMin dans le chassis du rover, Sam (Sample Analysis at Mars) est une machine complexe [image 12], dotée de trois instruments de mesure et de différents sous-systèmes pour la manipulation et la préparation des échantillons. Les trois instruments sont un chromatographe en phase gazeuse (GC ; à noter qu'il s'agit d'une contribution française), un spectromètre de masse à quadrupôle (QMS) et un spectromètre à diode laser (TLS). Avec ses 38 kilos sur la balance, Sam représente environ la moitié de la charge utile scientifique du rover et justifie pratiquement à lui seul l'appellation de "laboratoire martien" donné à celui-ci. Sam peut traiter aussi bien des échantillons gazeux (l'air ambiant) ou solides (prélevés au sol ou dans les roches grâce aux outils du bras robotique), ces derniers étant chauffés jusqu'à 1000°C de manière à en extraire des gaz. Dans les deux cas, le mélange gazeux est injecté dans le chromatographe, qui est chargé d'en séparer les différents composants, en particulier ceux dits organiques, c'est-à-dire basés sur le carbone et l'hydrogène. L'identification et la mesure de l'abondance des composants se fait principalement à l'aide du spectromètre de masse. Quant au spectromètre à diode laser, son rôle est de déterminer les rapports isotopiques du carbone et de l'oxygène dans les molécules de dioxyde de carbone et de mesurer l'abondance de méthane.
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