Martian Moons Exploration

L'origine des deux petits satellites de la planète Mars - Phobos et Deimos - est mystérieuse. Deux scénarios coexistent[1] :

• les deux satellites sont des astéroïdes qui ont été capturés par la gravité martienne au début de l'histoire du système solaire. Le spectre électromagnétique de la surface des satellites (reflétant la composition de celle-ci) proche de celui des astéroïdes de type C et D ainsi que la faible densité de ces deux corps vont dans le sens de cette hypothèse ;
• ces satellites se sont formés sur place à partir des débris créés par l'impact d'un corps de grande taille à la surface de Mars. La très faible inclinaison et excentricité des orbites des deux satellites militent pour cette interprétation.

Chacun de ces scénarios soulèvent des questions dont les réponses permettraient d'améliorer notre compréhension du mode de distribution et de transport des matériaux aux limites du système solaire interne ainsi que de la formation des planètes[1] :

• si les satellites sont des astéroïdes capturés, comment les matériaux formant Mars ont été transportés au début de l'histoire du système solaire ?
• si les satellites se sont formés sur place, quelle est la nature de l'impact géant et quelle influence a eu cet impact sur les débuts de l'évolution de Mars ?
• est-ce que Deimos a les mêmes origines que Phobos ?

Pour répondre à cette question une mission de retour d'échantillon, baptisée MMX (Martian Moons Exploration) est étudiée par l'agence spatiale japonaise au cours de la décennie 2010. Le retour sur Terre d'un échantillon prélevé sur le sol d'une des deux lunes permettra d'utiliser les instruments d'analyse les plus puissants existants sur Terre pour en identifier les caractéristiques et reconstituer leur mode de formation. Pour développer cette nouvelle mission la JAXA s'appuie sur son expertise sans égale dans le domaine des missions de retour d'échantillon de sol prélevés sur des corps célestes de petite taille. Celle-ci a été acquise avec les missions Hayabusa et Hayabusa 2. Une étude de faisabilité débute en 2016 et s'achève en 2017. Le budget annoncé est 300 millions $. Les universités de Tokyo, Hokkaïdo et de Kobé sont impliquées dans le volet scientifique associé à la mission. L'agence spatiale française, le CNES, participe à cette étude[2].

En novembre 2017 l'agence spatiale civile américaine, la NASA, décide de contribuer dans le cadre de son programme Discovery en fournissant l'instrument MEGANE (lunettes en japonais), un spectrographe gamma et neutrons qui doit permettre d'identifier les éléments chimiques présents à la surface de Phobos. L'instrument est développé par Applied Physics Laboratory de l'université Johns Hopkins[3].

En avril 2017, le CNES et la JAXA signent un accord de collaboration. L'instrument scientifique développé avec le CNES sera un spectromètre proche infrarouge (NIRS), une caméra infrarouge haute résolution combinée à un spectromètre qui analysera la composition des roches : "MacrOmega ", La capacité de MacrOmega d'étudier les roches des lunes martiennes sur des échelles de quelques dixièmes de mètre permettra à la fois de fournir la composition de la lune et d'identifier le meilleur site pour effectuer le prélèvement d'échantillon de sol. Le CNES étudie également la fourniture d'un petit rover pour explorer la surface de Phobos à l'échelle microscopique[4]^,[5].Le 3 octobre 2018, en marge de la conférence de presse du 69^e IAC (International Astronautical Congress) à Brême, une déclaration commune est signée entre Jean-Yves Le Gall, Président du CNES, Pascale Ehrenfreund, Présidente du DLR et Hiroshi Yamakawa, Président de la JAXA, concernant la coopération franco-allemande pour la conception du rover qui partira avec la mission MMX[6].

En juin 2019 l'équipe projet présente une nouvelle architecture pour la sonde spatiale qui fait passer sa masse de 3,4 à 4 tonnes[7]. La mission MMX, qui était jusque là un projet non financé, reçoit le feu vert de l'autorité de tutelle de l'agence spatiale japonaise en février 2020 et entre en phase de développement. Le cout total de la mission est estimé à 387 millions €. Le lancement est prévu en 2024 et le retour sur Terre en 2029[8].

La mission MMX doit étudier les lunes de Mars mais également la planète Mars. Les objectifs scientifiques sont les suivants[1] :

• déterminer l'origine des satellites Phobos et Deimos notamment en ramenant sur Terre un échantillon représentant au minimum 10 grammes (plus de 1000 grains) du sol de Phobos prélevé à une profondeur de 10 cm sous la surface. L'objectif est d'en collecter au moins 100 grammes[7].
• comprendre les processus à l’œuvre dans l'environnement immédiat de Mars. Dans quelle mesure les satellites de Mars ont évolué différemment des astéroïdes standard ? Quelles répercussions les évolutions de la surface et de l'atmosphère de Mars ont-elles eu sur cet environnement ?
• étudier la distribution temporelle et spatiale des tempêtes de poussière, des nuages de glace et de la vapeur d'eau sur la planète Mars.

La sonde spatiale MMX a une masse de 4 tonnes et comprend trois modules[1] :

• un module de propulsion chargé d'amener la sonde spatiale jusqu'à Mars
• un module d'exploration comprenant le train d'atterrissage à quatre pieds et le système de prélèvement d'échantillon du sol lunaire ;
• un module chargé de ramener la capsule contenant l'échantillon de sol sur Terre.

L'astromobile/rover

Simulation du rover roulant sur Phobos.

La sonde spatiale emporte un petit astromobile (rover) développé conjointement par le CNES et le DLR. Impliqué depuis 2016 dans la fourniture d'un rover d'exploration à MMX, le CNES a été rejoint en 2018 par le DLR[13]^,[14]. Les deux agences avaient préalablement collaboré, dans le projet MASCOT pour la mission japonaise Hayabusa 2. Contrairement à MASCOT dont la durée de vie était limitée à 17 heures par le recours à des batteries, le rover de MMX est équipé de panneaux solaires qui lui assurent une durée de vie nominale de 100 jours à la surface de Phobos[14]. Le petit rover dispose de 4 roues[15], en raison de la faible gravité de Phobos et contrairement aux rovers habituels martiens qui en comptent 6, et de 4 instruments: un banc stéréo de caméra de navigation, un spectromètre à effet Raman, deux caméras observant l'interaction roue/régolithe et un radiomètre infrarouge. L'agence spatiale allemande, le DLR, est chargée de la structure externe du rover et des composants assurant sa mobilité, fournit le spectromètre et le radiomètre. L'agence spatiale française, le CNES, développe l'ordinateur de bord, la chaine d'alimentation électrique (panneaux solaires, unité de distribution, batteries), l'architecture mécanique et thermique, le logiciel de vol, le lien radio-fréquence entre le rover et la sonde MMX, la centrale inertielle, la régulation thermique, l'analyse de mission ainsi que les quatre caméras[14].

Selon le scénario en vigueur en avril 2017, la mission projetée serait lancée vers septembre 2024 par le nouveau lanceur japonais H3 en cours de développement. MMX doit se placer sur une orbite martienne en août 2025. Durant 34 mois la mission restera sur une orbite quasi stationnaire par rapport aux satellites de Mars. Elle effectuera une cartographie minéralogique (en particulier des minéraux hydratés) et une étude géologique complète de Phobos et partielle de Deimos. Des mesures seront effectuées pour déterminer la structure interne en particulier la présence de glaces. Elle doit se poser sur la surface de Phobos à deux reprises pour y prélever des échantillons puis effectuer plusieurs survols de Deimos pour étudier cette deuxième lune. La capsule d'échantillon entamerait son voyage de retour en août 2028 avec une arrivée sur Terre planifiée en juillet 2029. L'atterrissage doit avoir lieu dans une région désertique située en Australie[2]^,[7].