ExoMars TGO

L'orbiteur Trace Gas Orbiter, qui appartient au programme ExoMars, sera la seconde mission martienne de l'Agence Spatiale Européenne (ESA), après le succès incontesté de la sonde Mars Express, qui s'est notamment illustrée dans le domaine de la minéralogie de la surface martienne.

L'histoire du programme ExoMars a été particulièrement mouvementée et laborieuse, mais son incarnation actuelle, dans l'orbiteur TGO et le démonstrateur technologique EDM qui lui est lié, prouve que l'ESA a une volonté réelle de continuer à s'impliquer dans l'exploration de la planète rouge, actuellement principalement dirigée par les Etats-Unis au travers de la NASA et du Jet Propulsion Laboratory. L'agence spatiale russe Roscosmos participe de manière significative au programme ExoMars, en fournissant en particulier, dans le cadre de TGO, un lanceur Proton.

Historique

L'histoire d'ExoMars commence au tout début du 21eme siècle, lorsque l'Agence Spatiale Européenne réfléchit à un ambitieux programme d'exploration du système solaire, Aurora. L'objectif d'Aurora est de formuler puis d'implémenter un planning pour l'exploration des planètes évoluant autour du soleil, d'abord par des robots puis par des hommes, en vue d'y rechercher des traces du vivant. Le programme était découpé en plusieurs étapes majeures. Entre 2009 et 2015, l'ESA comptait lancer des missions robotiques vers la planète rouge pour y rechercher des traces passées ou présentes de vie, avant d'effectuer des missions de retours d'échantillons, ou des échantillons de roches et de sols auraient été  prélevés par des engins robotiques sophistiqués, avant d'être ramené sur Terre. Durant l'étape suivante, soit la période 2020-2025, des robots devaient être mis en œuvre pour construire un avant-poste martien, tandis que l'homme, envoyé d'abord sur la Lune à titre d'entrainement, était censé s'élancer, entre 2025 et 2030, vers sa cible finale, la planète rouge.

La première mission du programme Aurora devait initialement partir en juin 2011, et trois scénarios avaient été identifiés : ExoMars, mission composée d'un orbiteur et d'un rover, ExoMars-lite, mission identique à la précédente mais sans l'orbiteur, et enfin BeagleNet, un petit réseau de sondes similaires à l'atterrisseur Beagle 2, et dont chaque capsule aurait emporté un sismomètre emprunté au projet NetLander. Dans tous les cas, les engins devaient être lancés depuis le spatioport de Kourou en Guyane française par une fusée russe Soyouz Fregat 2b.

Cependant, avec le passage des années, le programme Aurora accumule bientôt un retard significatif, principalement à cause de difficultés techniques intimidantes, qui entrainent des problématiques de financement. Les objectifs sont bientôt revus à la baisse, et en 2009, l'agence spatiale européenne se voit dans l'obligation de signer une initiative conjointe d'exploration de Mars avec sa grande sœur, la NASA.

Le programme ExoMars s'articule alors en quatre missions différentes : ExoMars TGO (qui s'appelait alors Mars Science Orbiter), dont il est question dans ce dossier, un démonstrateur technologique (EDM, baptisé plus poétiquement Schiaparelli) devant permettre à l'Europe de s'essayer avec un atterrissage sur Mars après l'échec malheureux de Beagle 2, et enfin deux rovers, l'un européen (Pasteur, actuellement prévu pour 2020), et l'autre américain (MAX-C, que la NASA lancera aussi probablement en 2020 sous la forme d'une copie du rover Curiosity). Dans le cadre de l'accord passé entre les deux agences spatiales, la NASA était sensée fournir les lanceurs, ainsi que la plateforme d'atterrissage.

Hélas, en février 2012, l'agence spatiale américaine annonce, sous une pression budgétaire toujours forte, qu'elle se retire du programme ExoMars, laissant l'ESA dans l'expectative, et avec un gout amer dans la bouche. La question du lanceur est particulièrement pressante, et l'ESA fait alors appel à l'agence russe Roscosmos, qui accepte d'entrer dans la danse. Selon le contrat signé en mars 2012, Roscosmos va fournir deux lanceurs Proton, dont la réputation est malheureusement plutôt mauvaise, surtout lorsqu'il s'agit de Mars, une partie des instruments embarqués sur l'orbiteur TGO (le package de spectromètres ACS et le détecteur de neutrons FREND), et enfin la plateforme d'atterrissage pour le rover. Il est important de noter qu'à l'heure actuelle, la NASA est la seule à maitriser les techniques d'atterrissage sur la planète rouge, et ce même si les britanniques ne sont guère passés loin avec Beagle 2.

Malgré les chamboulements amenés par le retrait quelque peu brutal de la NASA, le lancement de l'orbiteur TGO et de son compagnon EDM furent maintenus pour 2016, et le lancement eu lieu avec succès, comme nous allons le voir. Sur la mission actuelle, la contribution de l'agence spatiale américaine se réduit désormais à la fourniture d'un émetteur récepteur Electra, la NASA étant particulièrement soucieuse de développer un réseau de télécommunication autour de Mars, pour supporter les missions futures, à la fois en termes de navigation et d'échanges de données.

Contexte

Comme son nom l'indique, et contrairement aux missions américaines qui tentent en quelque sorte de louvoyer autour de l'objectif final de l'exploration martienne, le programme ExoMars affiche clairement son ambition : celle d'identifier, sur la planète rouge, des traces d'une vie passée ou présente.

La NASA, qui avait dès 1976, avec l'atterrissage des sondes Viking, orienté l'exploration de Mars vers la recherche biologique, applique désormais une stratégie plus mesurée, et franchit, mission après mission, des jalons : l'eau, l'habitabilité, le carbone, et enfin la vie. L'agence spatiale européenne, qui n'a pas la puissance de son homologue américain, prend en quelque sorte un raccourci, et focalise ses efforts directement vers l'exobiologie. C'est sans doute aussi une démarche plus honnête, car, officieusement, la recherche de vie sur Mars est toujours l'objectif prioritaire des américains. Les résultats décevants ramenés par les atterrisseurs Viking en 1976 avaient conduits à un arrêt de l'exploration martienne pendant plus de 20 ans, et certains s'inquiètent déjà de ce qui se passera si le rover Curiosity échoue à déceler, dans les argiles du cratère Gale, de la matière organique en quantités suffisantes. C'est donc également une chance, pour l'exploration martienne, que les acteurs se multiplient, que ce soit l'Inde, avec Mangalyaan, ou l'Europe, avec le programme ExoMars. Si les découvertes sur la planète rouge deviennent réellement significatives dans les prochaines années, l'ESA souhaite également démontrer avec ExoMars qu'elle est un acteur essentiel de l'étude de Mars, sur qui il faudra compter pour faire aboutir le grand projet de l'horizon 2020, le retour d'échantillons (bien sûr, dans la plupart des médias, il est plutôt question de poser l'homme sur Mars, mais ce sujet appartient encore pour l'instant au domaine de la science-fiction).

ExoMars s'articule donc autour de deux missions : une, dont le lancement a eu lieu en mars 2016, qui comporte un orbiteur, TGO (Trace Gas Orbiteur), dont il sera exclusivement question ici, et un démonstrateur technologique, qui devrait permettre à l'ESA d'atterrir pour la première fois avec succès sur le sol martien. Baptisé Schiaparelli, il fait l'objet d'un dossier séparé. Une seconde mission encore plus ambitieuse décollera en 2020, pour poser cette fois ci un rover sophistiqué, Pasteur.

Objectifs de l'orbiteur TGO

Une fois en orbite autour de Mars, l'orbiteur TGO devra remplir plusieurs objectifs scientifiques majeurs. Sa principale cible n'est autre que l'atmosphère martienne. Du point de vue scientifique, TGO ne ramènera donc pas d'images spectaculaires de la surface martienne, mais une quantité astronomique de spectres, principalement infrarouge. Contrairement à l'orbiteur américain MAVEN, qui va tenter de caractériser au mieux les mécanismes de fuite de l'air martien dans l'espace, TGO est focalisé sur l'identification des composés présents à l'état de trace dans l'atmosphère martienne, c'est à dire des molécules existantes à des concentrations inférieures au pourcent, comme le méthane ou d'éventuels composés soufrés.

L'un des constituants de trace les plus importants de l'atmosphère martienne, vers lequel s'orientent de nombreuses recherches, n'est autre que le méthane. Sur Terre, ce gaz possède principalement une origine biologique, et est relâché, comme produit du métabolisme, par des micro-organismes méthanogènes, en particulier de nombreuses espèces appartenant au domaine des Archées. D'autres phénomènes ne faisant pas intervenir la vie peuvent cependant relâcher du méthane, et ce gaz peut ainsi être produit par l'activité volcanique ou hydrothermale. Un dossier complet dédié au méthane martien sera prochainement mis en ligne.

Outre le méthane, les produits de sa dégradation sont également très importants à tracer, comme le formaldéhyde par exemple. Les planétologues sont également très intéressés par l'identification de composés soufrés, tel que l'hydrogène sulfuré, l'oxysulfure de carbone ou l'acide sulfurique, qui sont souvent recrachés par des bouches éruptives ou des fumerolles, et qui signent presque à coup sur l'existence d'une activité volcanique. Enfin, la recherche de molécules organiques diverses et variées est hautement prioritaire pour les investigations exobiologiques.

L'orbiteur européen TGO a donc été conçu pour rechercher des composés présents à des concentrations très faibles, et ce avec une sensibilité trois fois supérieure à tout ce qui a été tenté jusqu'à présent, que ce soit depuis l'orbite ou la surface martienne. Les instruments embarqués devraient permettre la détection de molécules à des concentrations aussi faibles qu'une partie par milliard (ppb), voire dans certains cas, 100 ou 10 parties par trillion (ppt), une jolie prouesse due à l'utilisation de spectromètres infrarouge de dernière génération.

Pour autant, il ne s'agira pas seulement d'identifier la présence d'une molécule gazeuse, mais aussi d'établir une carte précise de sa distribution sur le globe martien, avec les endroits où la concentration est la plus importante, et les endroits où la concentration est nulle. Cette carte variera de plus dans le temps, car, à cause de son aspect dynamique, l'atmosphère de Mars subit des changements perpétuels. Des composés de trace peuvent être relâchés à un endroit précis, se diluer dans l'air sur des surfaces plus ou moins importantes, avant de disparaître, généralement sous l'effet de phénomènes chimiques complexes conduisant à leur destruction, que ce soit des réactions photochimiques, des réactions ayant lieu à la surface de grains de glace ou de poussière (chimie hétérogène), etc. L'étude des variations spatiales et temporelles des composés de trace permettra donc d'identifier les sources (zone d'émission) et les puits (zone de disparition), et de caractériser le rôle des changements saisonniers que subit la planète Mars tout au long de l'année sur le devenir des composés tracés.

Grâce à sa charge instrumentale sophistiqué, TGO devrait permettre d'identifier de nombreux composés dont voici une liste non exhaustive mentionnant les plus importants : molécule d'eau (H2O), radical hydroperoxyle (H-O-O), dioxyde d'azote (NO2), protoxyde d'azote (N2O), monoxyde d'azote (NO), méthane (CH4), acétylène (C2H2), éthylène (C2H4), éthane (C2H6), formaldéhyde (CH2O), acide cyanhydrique (HCN), hydrogène sulfuré (H2S), oxysulfure de carbone (COS), dioxyde de soufre (SO2), acide chlorhydrique (HCl), acide sulfurique (H2SO4), monoxyde de carbone (CO), dioxygène (O2), radical hydroxyle (OH) et ozone (O3). L'établissement d'un catalogue aussi dense de molécules peut donner le tournis mais il est important, car selon les espèces rencontrées, les spécialistes de la chimie de l'atmosphère vont pouvoir identifier ou limiter le nombre d'hypothèses concernant la nature des sources émettrices de certains gaz (par exemple, dans le cas du méthane, source biologique ou géologique), ainsi que les mécanismes aboutissant à la destruction de ces derniers.

Une capacité supplémentaire de TGO est de pouvoir identifier les isotopologues d'une molécule donnée. Dans la nature, un élément chimique particulier (par exemple l'hydrogène, ou le carbone) peut exister sous la forme d'isotopes. De nombreux éléments possèdent des isotopes. Il s'agit exactement du même atome, mais avec une différence néanmoins : le nombre de neutrons n'est pas le même.

Ainsi, l'hydrogène existe sous la forme d'hydrogène que l'on pourrait qualifier de "classique", mais, avec un neutron supplémentaire, il devient du deutérium (qui est toujours de l'hydrogène, mais un peu plus lourd), et avec un second neutron en plus, il forme du tritium (toujours de l'hydrogène, mais encore un peu plus lourd). La molécule de méthane incorporant, dans sa formule chimique, quatre atomes d'hydrogène (CH4), elle peut très bien ne renfermer uniquement que de l'hydrogène normal, ou alors contenir trois hydrogènes classiques, et, par exemple, un atome de deutérium. C'est ce que les chimistes appellent alors un isotopologue.

De la même manière, ce que nous appelons eau lourde n'est qu'une molécule d'eau (H2O) qui a choisi d'accrocher autour de son oxygène des atomes de deutérium en lieu et place des deux atomes d'hydrogène standard. L'identification des isotopologues est importante, car selon leur présence et leur concentration, ils peuvent donner des indices importants sur l'origine de certaines molécules. Enfin, toujours concernant les isotopes, la détermination précise du rapport deutérium/hydrogène dans l'air devrait permettre de mieux connaître l'origine des réserves d'eau de la planète, ainsi que l'intensité des mécanismes d'échappement qui aboutissent à la fuite inéluctable de l'atmosphère martienne dans l'espace. Les données actuellement collectées dans ce domaine tendent à prouver que la planète rouge a perdu une partie non négligeable de son atmosphère, et ce très tôt après sa formation, avec des conséquences particulièrement dramatiques.

L'étude des profils de température, de la vapeur d'eau, de l'ozone et des aérosols permettra également de caractériser et de modéliser la circulation atmosphérique, une tâche particulièrement utile lorsqu'il s'agira de suivre une émission gazeuse, et de remonter jusqu'à sa source. La caméra couleur embarquée sur l'orbiteur (CaSSIS) servira principalement à obtenir des images des régions suspectées d'être les sources des composés gazeux détectés par les spectromètres. Enfin, grâce au spectromètre à neutrons FREND, TGO va également cartographier, avec une résolution dix fois supérieure aux tentatives précédentes, la présence d'hydrogène, et donc d'eau, dans le premier mètre de la surface martienne. Les données acquises viendront compléter celles collectées par les spectromètres à neutrons (NS et HEND) de la sonde américaine Mars Odyssey, ainsi que celles obtenues par l'instrument DAN monté sur le rover Curiosity.

La mission

L'orbiteur TGO, couplée au démonstrateur EDM Schiaparelli, a décollé avec succès à bord d'un lanceur Proton le 14 mars 2016 à 10h30 heure française, depuis le cosmodrome de Baïkonour au Kazakhstan. Le lancement était l'objet d'une certaine inquiétude, car la fusée Proton n'est pas à l'heure actuelle le lanceur le plus fiable en activité sur la planète. Tout s'est heureusement bien déroulé, même s'il semble cependant que nous ne sommes pas passés loin de la catastrophe.

Effectivement, des images fournies par un télescope brésilien, qui suivait l'étage supérieur Breeze-M du lanceur Proton, montrent la présence de nombreux débris dans le sillage immédiat de la sonde. Plusieurs observateurs en ont tiré la conclusion que l'étage supérieur Breeze avait explosé pour une raison inconnue, projetant des shrapnels mortels dans toutes les directions. Selon l'agence spatiale russe, cette interprétation ne tient pas. Suite à la séparation d'ExoMars avec l'étage Breeze, toutes les opérations programmées se sont déroulées comme prévue : passivation de l'étage Breeze, délestage du carburant, manœuvre d'évitement de contamination et collision (qui a lieu en deux étapes, et qui fait partie des mesures de protection planétaire, un crash de l'étage supérieur sur Mars pouvant contaminer la planète). Aucune anomalie n'a été observée, et pour l'agence spatiale russe, les objets visibles sur l'image du télescope brésilien seraient tout simplement des artefacts. L'essentiel est que tout se soit bien passé, mais cette anecdote illustre bien les tensions qui entouraient le lancement d'ExoMars.

Après un voyage interplanétaire de 9 mois le long d'une orbite de transfert de Hohmann de type 1, la sonde ExoMars arrivera en vue de la planète rouge au moins d'octobre 2016. L'éjection du module d'atterrissage aura lieu quelques jours avant la mise en orbite proprement dite de TGO, le 16 octobre. Une fois largué, EDM continuera sur sa lancée comme une balle de fusil en suivant la trajectoire qui était celle de TGO, et effectuera une rentrée atmosphérique directe. Si tout se déroule comme prévu, au terme de cette dernière, le petit module devrait toucher en douceur la surface rouillée de la planète rouge le 19 octobre, soit trois jours après sa séparation.

De son côté, une fois sa tâche de cargo terminée, l'orbiteur TGO aura la lourde tâche de s'insérer en orbite martienne, grâce à l'allumage de son moteur principal qui servira de frein. Effectivement, l'orbiteur va débarquer dans la banlieue martienne avec une vitesse très importante, qu'il est fondamental de diminuer pour permettre sa capture par le champ de gravité de la planète rouge. La délicate manœuvre d'insertion orbitale aura lieu le même jour que l'atterrissage du module EDM, soit le 19 octobre 2016. La journée sera donc particulièrement chargée pour l'ESA.

Juste après sa mise en orbite, le principal souci de la sonde sera d'assurer les communications radio en UHF avec le module EDM pendant environ 8 jours martiens (ou sols). Par la suite, plusieurs manœuvres d'aérofreinage, une technique mise en œuvre pour la première fois par la NASA avec la sonde américaine Mars Global Surveyor, et qui consiste à utiliser la friction avec l'atmosphère martienne pour modifier les paramètres de l'orbite d'insertion initiale, permettront à l'orbiteur européen d'atteindre l'orbite finale de cartographie. Celle-ci est un cercle situé à une altitude de 400 km, incliné de 74° par rapport à l'équateur, un angle présentant des conditions de mesure optimales pour le package ACS.

Plusieurs manœuvres orbitales importantes nécessitant l'allumage des moteurs fusées auront d'abord lieu en décembre 2016, en particulier un changement d'inclinaison pour atteindre 74°, et une réduction de l'apoapse (le point de l'orbite le plus éloigné de la surface martienne). La phase d'aérofreinage débutera ensuite en janvier 2017. Technique très utile pour économiser du carburant et diminuer les coûts d'une mission, l'aérofreinage demande cependant du temps. TGO va ainsi devoir patienter entre 6 et 9 mois avant d'être pleinement à poste pour les investigations scientifiques. Les opérations d'aérofreinage devraient être terminées en novembre 2017.

La collecte de données devrait débuter un mois plus tard, en décembre 2017, et la sonde devrait rester opérationnelle durant au moins une année martienne, soit deux années terrestres. L'Agence spatiale européenne prévoit 5 années de collecte de données scientifiques. En avril 2021, l'orbiteur entrera dans une nouvelle phase de sa mission, en commençant à servir de support pour les télécommunications entre le rover ExoMars et le centre de contrôle sur Terre. La sonde a été conçue pour fonctionner jusqu'en décembre 2022.

La sonde

Nous allons nous intéresser dans cette section à l'anatomie de l'orbiteur TGO, c'est à dire à la description succincte de ses différents sous-systèmes. Si vous n'êtes pas familier avec ce sujet un peu technique, le survol du dossier intitulé anatomie d'une sonde martienne facilitera grandement la lecture de ce qui suit.

Au total, l'orbiteur TGO pèse plus de 4 tonnes (4332 kilogrammes), ce qui en fait la sonde la plus lourde jamais lancée vers Mars (en comparaison, le précédent orbiteur européen Mars Express ne pesait qu'une tonne). Si l'on enlève la capsule EDM (qui pèse 600 kg), on se rend compte que la plus grande partie de la masse est occupée par les ergols (2,5 tonnes). A vide, l'orbiteur pèse encore 1232 kg, et la charge scientifique ne représente que 114 kilogrammes.

L'orbiteur TGO est basé sur la plateforme Spacebus mise au point par la société Thalès Aliena. Le bus est structuré autour d'un cylindre de 1,2 mètre de circonférence, sur lequel sont arrimés tous les sous-systèmes : panneaux solaires pour l'alimentation en énergie, moteurs fusées pour la propulsion et les changements d'orientation, antennes de télécommunication et instruments scientifiques. L'engin a grossièrement la forme d'un rectangle de 3,2 mètres de hauteur pour 2 mètres de largeur et 2 mètres de longueur.

L'énergie électrique est fournie par environ 20 m2 de panneaux solaires délivrant 2000 watts une fois autour de Mars, et qui rechargeront deux batteries au lithium d'une puissance totale de 5100 watts. Une fois déployé, les panneaux solaires mesurent 17,5 mètres bord à bord, ce qui constitue donc une impressionnante voilure.

L'orbiteur possède un moteur principal brulant un mélange d'hydrazine et d'eau oxygénée, capable de délivrer une poussée de 424 newtons. Son rôle principal est de freiner la sonde lors de l'arrivée sur Mars, pour permettre sa capture par le champ de gravité de la planète rouge. Pour maintenir son orientation dans l'espace et effectuer des corrections de trajectoire, TGO dispose également de 6 petits propulseurs de 22 newtons, qui crachent de l'hydrazine. L'attitude de la sonde peut aussi être modifiée par le biais de roues à réaction.

Une antenne grand gain d'un diamètre de 2,2 mètres de diamètre, relié à un transpondeur de 65 watts, va permettre à TGO de communiquer avec la Terre à haut débit dans les bandes radio X et Ka. La sonde embarque également trois antennes à faible gain, ainsi qu'une antenne hélicoïdale UHF, couplée au transpondeur Electra de la NASA, pour pouvoir communiquer avec les engins au sol.

Charge utile

Le satellite Trace Gas Orbiteur comporte quatre instruments scientifiques, qui pèsent au total 134 kilogrammes. Cette charge utile se décompose de la façon suivante :

  • Le package NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery) regroupe un ensemble de trois spectromètres (SO, LNO et UVIS) fonctionnant dans le domaine de l'ultraviolet et du visible (200 nm à 650 nm) ainsi que de l'infrarouge (2200 nm à 4300 nm), pour identifier les composants de l'atmosphère martienne. Les spectromètres infrarouge SO et LNO, développés à partir d'un modèle embarqué sur la sonde Vénus Express, permettront de dresser le profil vertical des composés de l'atmosphère martienne, LNO possédant en plus la capacité à détecter les dépôts de glace au sol. De manière plus spécifique :
    • L'instrument SO (Solar Occultation) fonctionne en étudiant l'absorption sélective de l'atmosphère martienne, lorsque le soleil passe derrière le globe de Mars et illumine la fine tranche d'air visible sur la bordure du disque planétaire. Ce sont ces mesures en occultation qui lui donne son nom. Chaque occultation dure en moyenne 5 minutes, ce qui laisse le temps à l'instrument de prendre des centaines de spectres et de dresser un profil vertical de l'atmosphère, depuis son sommet jusqu'à la surface de Mars. SO observera six canaux, c'est à dire six tranches particulières de la totalité du spectre lumineux. Celles-ci correspondent à des secteurs où des molécules très intéressantes absorbent avec efficacité la lumière.
    • LNO (Limb, Nadir and Occultation) permet d'analyser la lumière non seulement durant les occultations solaires, mais aussi au niveau du limbe (l'horizon est alors visé de façon à collecter la lumière solaire diffusée par l'atmosphère), ou en recueillant celle directement réfléchie par le sol martien (mesures au nadir). Il possède une sensibilité plus élevée que celle de SO, et puisqu'il peut être pointé vers la surface martienne, il servira également à analyser certaines caractéristiques de cette dernière, comme la présence de glaces et d'encroutement givrés.
    • UVIS est un spectromètre fonctionnant dans le domaine de l'ultraviolet et du visible (de 200 à 650 nm) et servira quant à lui à étudier les émissions d'ozone, d'acide sulfurique (un composé principalement rejeté par les volcans) ainsi que les aérosols, c'est à dire des particules de nature diverses, solides ou liquides, très fines, qui existent en suspension dans l'air. Les aérosols sont très importants, car ils représentent des sites possibles où des réactions chimiques hétérogènes, entre des phases solides, liquides et gazeuses, peuvent se produire, expliquant ainsi certaines observations. Ce spectromètre peut effectuer des mesures en mode occultation solaire, au limbe et au nadir.
  • Le package ACS (Atmospheric Chemistry Suite) va compléter les mesures acquises par NOMAD en étendant la couverture infrarouge, et en réalisant des images de notre étoile pour améliorer l'interprétation des données obtenues lors des occultations solaires. Son rôle principal est de caractériser la structure de l'atmosphère et d'entreprendre des études climatiques. Comme Nomad, l'ensemble instrumental comporte également trois appareils de mesure, qui sont sans surprise des spectromètres : NIR (domaine spectral étudié : le proche infrarouge), MIR (pour le moyen infrarouge) et TIR (pour l'infrarouge thermique). MIR et PIR sont en particulier basés sur l'instrument TIMM-2 qui était embarqué sur la sonde Phobos Grunt, malheureusement perdue au lancement en novembre 2011, tandis que TIR est hérité de l'expérience acquise avec le développement des instruments AOST (toujours sur Phobos Grunt) et PFS (sur Mars Express). Notons que l'instrument PFS s'était illustré en 2004 par des détections controversées de méthane et de formaldéhyde (un produit de décomposition du méthane dans l'atmosphère martienne).
    • Le premier spectromètre (NIR) couvre un domaine spectral de 700 nm à 1700 nm, dans le proche infrarouge donc. Son architecture lui permet d'effectuer des mesures en occultation, au limbe et au nadir. Avec MIR, il servira à dresser des profils verticaux de température et de densité pour plusieurs molécules, comme le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), la vapeur d'eau (H2O) ainsi que le monoxyde de carbone (CO), et ce depuis 10 km au-dessus de la surface jusqu'à 80 km d'altitude. Il permettra de déterminer des ratios isotopiques (comme le rapport deutérium/hydrogène, le rapport 13CO2/CO2, CO18O/CO2, etc.), de rechercher différentes espèces moléculaires dont des molécules soufrés et organiques que nous avons déjà listé en introduction (acétylène, éthylène, éthane, dioxyde de soufre, eau oxygénée et radical hydroperoxyle, formaldéhyde, acide chlorhydrique, oxysulfure de carbone, radical hydroxyle, oxyde nitreux et oxygène). Enfin, le spectromètre NIR pourra dresser le profil vertical des aérosols, identifier des nuages de poussière ou de glace et mesurer la concentration d'ozone (O3).
    • Le second spectromètre (MIR) couvre un domaine spectral de 2200 nm à 4500 nm dans l'infrarouge moyen, et ne fonctionne qu'en mode occultation. Il va travailler sur les mêmes thématiques que son compagnon œuvrant dans le proche infrarouge (PIR).
    • Enfin, le dernier spectromètre (TIR) couvre deux domaines spectraux et pousse jusqu'à l'infrarouge lointain, l'un allant de 2000 nm à 25 000 nm (en occultation solaire et observation au nadir), l'autre balayant la plage de 1700 nm à 4000 nm (observation au nadir seulement), avec pour ce dernier une optimisation dans la fameuse bande de 3300 nm ou le méthane absorbe avec intensité. Le spectromètre TIR aura pour rôle de dresser des profils thermiques de l'atmosphère depuis la surface jusqu'à environ 55 kilomètres d'altitude, de caractériser la poussière et les nuages, de mesurer la température au sol, tout en possédant également une capacité de détection et de cartographie de la fameuse molécule de méthane (respectivement en occultation et au nadir).
  • La caméra répondant au joli nom de CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System) prendra des images couleur, stéréo, de la surface martienne, à une résolution moyenne de 5 mètres par pixel. Elle capturera des bandes de la surface martienne larges de 8 kilomètres, sur quatre longueurs d'onde différentes, soit le bleu, le vert, le rouge et l'infrarouge. L'instrument est monté sur un cardan rotatif qui permet de tourner la caméra de 180°, ce qui offre la possibilité d'acquérir des images stéréoscopiques (montrant le relief) avec un seul dispositif optique (ou un seul "œil" électronique). Une image stéréoscopique est composée de deux clichés, pris avec des orientations différentes, et idéalement dans des conditions d'illumination identiques. Pour acquérir une paire d'image stéréo, la caméra CaSSIS sera d'abord tournée pour pointer une zone située devant l'orbiteur. Elle sera ensuite basculée vers l'arrière de 180°, pour prendre la seconde image. L'objectif de CaSSIS est de pouvoir caractériser le contexte géologique et minéralogique des sources (zone d'émission) et des puits (endroits de disparition) des composés gazeux identifiés et suivis par les packages NOMAD et ACS. Elle permettra également de caractériser les sites d'atterrissage potentiels pour le rover Pasteur dont le lancement est prévu en 2020, en mesurant les pentes, en caractérisant le nombre et la taille des rochers présents au sol, et enfin en recherchant d'autres dangers éventuels pouvant compromettre le posé en douceur du robot. Bien entendu, toutes les données collectées par les sondes américaines seront également utilisées pour la sélection du site d'atterrissage.
  • Enfin, le détecteur à neutrons FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector) aura pour fonction de cartographier l'hydrogène, et donc indirectement la molécule d'eau (H2O), à la surface et dans le proche sous-sol de Mars, de façon similaire à l'instrument HEND qui équipe l'orbiteur américain Mars Odyssey, et qui a permis de dresser une très belle carte de la répartition de la glace sur la planète rouge. Les résultats obtenus ont été brillamment confirmés par la sonde Phoenix, lors de son atterrissage à proximité du pôle nord de Mars

    Le principe de la mesure est basé sur le bombardement naturel de la surface martienne par des rayons cosmiques. En interagissant avec la matière, et en particulier les premiers mètres de la couche concassée qui forme le sol de Mars, les particules cosmiques, qui sont très énergétiques par nature, brisent des atomes et provoquent l'émission de nombreux neutrons, qui possèdent des énergies diverses et variées. Certains de ces neutrons sont capturés par les atomes du régolite, mais d'autres parviennent à s'échapper vers le haut. Avant qu'ils ne soient capables de rejoindre l'air libre, ces neutrons peuvent être plus ou moins ralentis en fonction des atomes qu'ils rencontrent sur leur chemin. L'hydrogène, présent dans la molécule d'eau, peut ainsi être détecté simplement par l'intensité avec lequel il freine les neutrons. La mesure de sa concentration permet d'estimer celle de la molécule d'eau.

    FREND va mesurer les neutrons sur deux gammes d'énergie (de 0,4 électronvolt à 500 kilo-électronvolt, et de 0,5 méga électronvolt à 10 méga électronvolt), et ce sur de petites portions de la surface martienne, ce qui va permettre à l'instrument de générer une carte à haute résolution de la distribution de l'eau dans la couche la plus superficielle de la croute martienne (soit quelques mètres de profondeur). Par rapport aux mesures engrangées par l'instrument HEND de Mars Odyssey, le gain en résolution spatiale devrait être d'un facteur dix, ce qui est énorme. Les données obtenues seront comparées à celles acquises par l'instrument DAN monté sur le rover Curiosity et le futur instrument ADRON du rover Pasteur dont le lancement est prévu pour 2020 dans le cadre d'ExoMars. L'instrument FREND inclut également un dosimètre pour mesurer le niveau de radiation local, et corréler les fluctuations des radiations reçues par l'instrument avec les mesures neutroniques proprement dites. Les fluctuations observées seront en partie dues à la météorologie solaire, notre étoile traversant des phases de calme, et d'autres plus agitées, ou elle émet alors des bouffées de particules énergétiques. Le rayonnement galactique est également par nature variable.

Relais radio Electra

Pour conclure ce dossier, notons que l'orbiteur TGO embarque un émetteur récepteur ultra haute fréquence (UHF) doté d'une antenne hélicoïdale, Electra, fourni par la NASA. L'agence spatiale américaine utilise effectivement toutes les opportunités possibles et imaginables pour amener autour de Mars des dispositifs de communication avec la Terre, que ce soit pour les missions actuelles ou les missions futures. Il s'agit de constituer à terme un véritable  réseau de télécommunication spatial à moindre coût, sans avoir à déployer d'orbiteurs spécialisés.

Pour en savoir plus :

Go !Comprendre les orbites
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Go !Ça sent le gaz (*) : du méthane sur Mars.
Go !Vie sur Mars : la preuve par le méthane ?.
Go !Vie sur Mars : où l'on reparle du méthane.
Go !Liste de liens concernant ExoMars (page de bibliographie).

L'orbiteur TGO (Trace Gas Orbiter) est la première sonde du programme ExoMars de l'Agence Spatiale Européenne. Même si son nom n'est guère poétique ou évocateur, il a au moins l'intérêt d'annoncer la couleur. La sonde est effectivement presque entièrement dédiée à l'étude de composés gazeux présents en très petites quantités dans l'atmosphère de Mars, et qui peuvent être d'importants marqueurs d'une activité volcanique et biologique. Il ne faudra donc pas attendre de spectaculaires images de la surface martienne vue du ciel, mais un nombre incalculable de mesures spectrales (Crédit photo : © ESA).

L'atmosphère de Mars est actuellement la cible de deux missions spatiales importantes : la sonde américaine MAVEN, et l'orbiteur européen TGO. La plupart des planétologues estiment que la planète rouge a perdu la majorité de son atmosphère dans l'espace, et ce assez tôt après sa formation il y 4,5 milliards d'années. Les deux grandes questions que les scientifiques se posent actuellement sont de savoir dans quelles conditions l'atmosphère martienne s'est échappée, et si cette dernière renferme toujours des traceurs d'une activité volcanique voire biologique. L'atmosphère d'une planète est aussi importante que sa surface, et cela ne concerne pas uniquement le système solaire. Les spécialistes qui étudient les exoplanètes rêvent également de pouvoir obtenir des spectres de la couche de gaz qui entourent ces astres lointains et mystérieux (Crédit photo : © droits réservés).

Le méthane est l'un des gaz les plus importants que TGO va tenter de détecter dans l'atmosphère martienne. Sur Terre, ce composé formé d'un atome de carbone et de quatre atomes d'hydrogène est principalement émis par des êtres vivants, même s'il peut aussi être rejeté par d'autres processus géologiques, comme le volcanisme ou l'hydrothermalisme. De plus, il peut aussi être apporté de l'extérieur par des impacts météoritiques ou cométaires. Fin 2003 et début 2004, le spectromètre PFS de la sonde Mars Express avait détecté des traces de méthane au niveau de la ceinture équatoriale de Mars, tandis que le gaz était aussi identifié presque simultanément depuis la Terre par plusieurs observatoires terrestres. Cependant, les quantités très faibles approchaient les limites de détection des appareils, sans compter que la forte concentration de méthane contenue dans l'atmosphère terrestre compliquait très sérieusement les analyses menées depuis notre planète. Enfin, facteur supplémentaire de désarroi pour les chercheurs, le méthane semblait apparaître puis disparaître, sans que l'on puisse comprendre pourquoi. Dix années plus tard, en décembre 2014, la NASA annonce que le rover Curiosity a détecté du méthane au niveau du cratère Gale, à une concentration de 7 ppb, mais le résultat est accueilli avec suspicion, car nous sommes là encore aux limites de détection instrumentale. Aujourd'hui, le méthane martien continue à jouer à cache-cache avec les scientifiques. ExoMars TGO devrait permettre, on l'espère, de lever de nombreux points d'interrogation (Crédit photo : © droits réservés).

Depuis son orbite circulaire à 400 kilomètres d'altitude, TGO ne devra pas seulement détecter du méthane, mais aussi cartographier ce dernier, en identifiant les zones d'apparition (sources) et les zones de disparition (puits). Le suivi précis des variations spatiales et temporelles sera fondamental pour déterminer le comportement de ce gaz dans les conditions martiennes actuelles. Pour l'instant, les modèles théoriques de photochimie et de circulation atmosphérique ne parviennent pas à expliquer les observations effectuées. Le méthane disparait effectivement trop vite, et est réparti de façon trop hétérogène (Crédit photo : © droits réservés).

L'orbiteur TGO est constitué d'un bus standard (un rectangle de 3,2 mètres x 2 mètres x 2 mètres) auquel ont été adjoints d'imposants panneaux solaires, un moteur fusée pour l'insertion en orbite, une antenne grand gain de 2,2 mètres de diamètre, ainsi qu'un ensemble d'instruments scientifiques principalement composés de spectromètres de dernière génération, dont la sensibilité est bien supérieure à ceux actuellement en orbite. La sonde emporte également sur son dos le module d'atterrissage Schiaparelli (Crédit photo : © ESA).

De nombreux spectromètres de TGO fonctionnent sur le principe de l'occultation solaire (l'illustration ci-dessus montre en fait Vénus, une fois n'est pas coutume). Lorsque le soleil passe derrière la planète Mars, ses rayons traversent la mince couche d'air visible au niveau du bord de la planète. Cette tranche d'atmosphère absorbe de façon sélective, selon sa composition, certaines longueurs d'onde. En étudiant le spectre de la lumière solaire vue au travers de l'atmosphère, et en notant les photons qui sont, selon leur énergie (c'est à dire leur longueur d'onde) absorbés ou non, les planétologues peuvent déterminer avec précision la composition de l'atmosphère, et la présence de certains gaz, même si ces derniers sont présents en très petite quantité. Le phénomène d'occultation dure environ 5 minutes, et se produit chaque fois que le soleil se lève ou se couche. L'atmosphère peut également être étudiée en visant directement la surface (mesures au nadir) ou en regardant la planète sur le côté, vers l'horizon (mesures au limbe) (Crédit photo : © droits réservés).

Tout comme Mars Express avec Beagle 2, l'orbiteur TGO transporte sur son dos le petit module d'atterrissage Schiaparelli, et a donc la responsabilité de l'amener sur place, pour le larguer et suivre sa descente vers le sol rouge de Mars. Outre ses ambitieux objectifs scientifiques, TGO assumera aussi le rôle de relais de communication entre Mars et la Terre, que ce soit pour Schiaparelli, le futur rover européen Pasteur ou d'autres engins américains (Crédit photo : © David Ducros/ESA).

Ecorché de la fusée Proton, montrant la sonde ExoMars dans la coiffe. Dans le cadre de l'initiative conjointe d'exploration de Mars signée en 2009 entre l'ESA et la NASA, l'orbiteur TGO devait être lancé à bord d'une fusée américaine Atlas-V. Suite au désistement de l'agence spatiale américaine, la sonde a dû être expédiée vers sa cible par une fusée russe Proton. Hélas, ce lanceur a (très) mauvaise réputation, et depuis l'année 2010, il a connu pas moins de 8 échecs ou dysfonctionnements majeurs. Certains n'hésitent d'ailleurs pas à le qualifier de cercueil volant. Il faut noter également que la sonde Mars 96 fut perdue en novembre 1996 par la défaillance du quatrième étage d'un lanceur Proton. Des prières durant le lancement ne seront donc pas de trop ! (Crédit photo : © David Ducros/ESA).

Soulagement à l'agence spatiale européenne. Malgré les craintes exprimées quant à la fiabilité de son lanceur, la sonde ExoMars a été lancée sans aucun souci vers Mars le 14 mars 2016 depuis le cosmodrome de Baïkonour au Kazakhstan (Crédit photo : © ESA/Stéphane Corvaja).

Pour certain, nous ne sommes cependant peut-être pas passés loin d'un catastrophe au lancement. Cette image, obtenue par un observatoire brésilien, montre 9 objets voyageant dans le sillage de la sonde TGO (hors champ), peu après son lancement le 14 mars 2016. Ces fragments pourraient provenir de l'explosion malencontreuse de l'étage supérieur Breeze-M du lanceur russe Proton. Si cette hypothèse (rejetée par l'agence spatiale russe) est confirmée, la sonde TGO a eu beaucoup de chance. Toutes les mesures télémétriques acquises après le lancement indiquent que l'engin est en bonne santé, et que tous les instruments sont fonctionnels. Aucun shrapnel cosmique n'est donc venu frapper le satellite dans sa course vers la planète rouge et les mystères de son atmosphère (Crédit photo : © OASI Observatory team; D. Lazzaro, S. Silva / ESA)

 

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