Objectifs

L'objectif de la mission Nozomi, qui comprend uniquement un orbiteur, est l'étude sur une longue période de la haute atmosphère martienne et de son interaction avec le vent solaire. La planète Mars ne peut plus compter sur la présence d'un champ magnétique pour s'opposer au vent solaire, et la haute atmosphère est donc directement exposée à celui-ci. Cette interaction pourrait être l'un des processus majeurs gouvernant l'évolution de l'atmosphère martienne. De ce point de vue, Mars pourrait être similaire à la planète Venus, où la haute atmosphère interagit de manière significative avec le vent solaire.

Au cours de sa mission, Nozomi va se focaliser sur 5 domaines particuliers : l'étude du champ magnétique, de l'atmosphère et de l'ionosphère (structure, composition et dynamique), la photographie de la surface de la planète et de ses deux lunes, et enfin la détection d'un éventuel anneau de poussière sur l'orbite de la lune Phobos.

L'ionosphère, cette couche de la haute atmosphère riche en ions et en électrons, va faire l'objet d'une attention toute particulière. L'ionisation des gaz de l'ionosphère est provoquée par la forte absorption du rayonnement ultraviolet en provenance du Soleil. Si les composés neutres ou ionisés de l'ionosphère possèdent assez d'énergie, ils peuvent échapper au champ gravitationnel de Mars et se perdre dans l'espace. L'étude de ce mécanisme (ainsi que l'étude de composés légers comme l'hydrogène et le deutérium qui sont des marqueurs atmosphériques importants) permettra d'obtenir des informations essentielles sur l'histoire et l'évolution de l'atmosphère martienne. Nozomi observera aussi les tempêtes de poussières qui sont capables d'échauffer la basse atmosphère et d'augmenter la densité de la haute atmosphère martienne.

La sonde enverra également des ondes de hautes fréquences pour tenter de détecter des traces d'eau ou de glace dans le sous-sol martien et servira de plate-forme de test pour un certain nombre de technologies qui seront utilisées lors de prochaines missions interplanétaires japonaises (navigation autonome, détermination précise des paramètres de l'orbite, communication longue distance, etc).

La sonde Nozomi

D'un poids de 541 kg (dont 285 kg de carburant), Nozomi mesure 0,58 mètre de haut et se présente sous la forme d'un prisme carré avec des coins tronqués. Les panneaux solaires sont situés sur les côtés de l'engin. L'antenne de communication est fixée sur la partie supérieure, à l'opposée du système de propulsion. Le moteur de la sonde est capable de délivrer une poussée de 500 newtons. La sonde est stabilisée par rotation, à raison de 7,5 tours par minute. Au niveau des télécommunications, la sonde communique avec la Terre grâce à des transmetteurs à bande S et X. Le débit varie de 64 bits par seconde à 32 kilobits par seconde, et les signaux sont captés principalement par l'antenne de 64 mètres de la station de poursuite Usuda au Japon.

Les instruments scientifiques

La sonde Nozomi est équipée de 14 instruments scientifiques de cinq nationalités (japonaise, canadienne, suédoise, allemande et américaine), disposées sur son pourtour. La masse totale des instruments embarqués est de 35 kilogrammes. Grâce aux équipements de communication, des expériences radio sont également possibles. L'orbite suivie par Nozomi est elliptique, et l'utilisation des instruments va donc dépendre de la portion de l'orbite dans laquelle la sonde se trouve. Lors du passage au périapse (le point de l'orbite le plus proche de Mars), Nozomi analysera par télédétection la basse atmosphère et la surface de Mars, tout en effectuant une étude directe de la haute atmosphère et de l'ionosphère. A l'apoapse (la partie de l'orbite la plus éloignée de Mars), ce sera l'occasion d'étudier les ions et les gaz qui s'échappent de l'atmosphère martienne et l'interaction du vent solaire avec l'atmosphère.

Voici la liste complètes des différents instruments scientifiques de Nozomi :

• MIC (Mars Imaging Camera) : Cette camera fonctionnant dans le visible devra fournir des images globales de la planète Mars. Son rôle sera de surveiller les changements météorologiques, comme l'apparition de tempêtes de poussière, les changements d'opacités de l'atmosphère, les nuages, l'avancée et le retrait des calottes polaires. La sonde Nozomi pourra approcher d'assez près les deux lunes de Mars, Phobos et Deimos, et la caméra en profitera alors pour photographier leur surface. La caméra MIC a été conçue en collaboration avec la France (CNES).

• MGF (Magnetic Field Measurement) : D'après l'instrument MAG/ER de la sonde Mars Global Surveyor, la planète Mars ne possède plus qu'un champ magnétique local et fossile, contrairement au champ global et actif de la Terre. Mais de nombreux points restent encore dans l'ombre, et l'instrument MGF de Nozomi devrait permettre d'y voir plus clair lors des passages à basse altitude au périapse.

• PET (Probe for Electron Temperature) : Cet instrument, en mesurant la température électronique de l'ionosphère, va tenter d'en étudier la structure thermique.

• ESA (Electron Spectrum Analyzer) : L'analyseur spectral electronique ESA va mesurer l'énergie du flux électronique entre 12 eV et 16 keV (eV signifiant électron volt), pour obtenir des informations essentielles sur la magnétosphère, l'ionosphère et les mécanismes qui s'y déroulent.

• ISA (Ion Spectrum Analyzer) : L'analyseur spectral ionique ISA va mesurer l'énergie du flux ionique entre 10 eV et 16 keV (eV signifiant électron volt), pour obtenir des informations essentielles sur la magnétosphère, l'ionosphère et les mécanismes qui s'y déroulent.

• EIS (Electron and Ion Spectrometer) : Ce spectromètre va mesurer l'énergie de particules très énergétiques comme les électrons, les protons, les noyaux d'hélium et les noyaux d'atomes d'oxygène. Ces particules, dont l'énergie varie de plusieurs centaines d'eV à quelques dizaines de KeV, sont produites par l'interaction du vent solaire avec les hautes couches de l'atmosphère, et leur étude va permettre d'en apprendre plus les mécanismes qui ont lieu à l'interface atmosphère/vent solaire.

• XUV (Extra Ultraviolet Scanner) : Ce scanner fonctionnant dans l'ultraviolet devra mesurer l'abondance et la distribution des formes neutres et ionisées de l'hélium dans l'ionosphère martienne, pour obtenir respectivement des informations sur l'activité interne de Mars et sur les processus d'ionisation et d'échappement dans l'espace.

• UVS (Ultraviolet Imaging Spectrometer) : Ce spectromètre UV fonctionnant entre 115 et 310 nm devra servir à étudier la structure de l'atmosphère et sa composition, ainsi que son évolution au cours du temps.

• PWS (Plasma Wave and Sounder) : L'objectif du PWS est d'étudier la structure de l'ionosphère martienne. L'appareil couvre le domaine radio entre 20 kHz et 5 MHz.

• LFA (Low Frequency plasma wave Analyzer) : Cet analyseur de plasma devra étudier l'environnement en plasma de la planète Mars, ainsi que les interactions entre le vent solaire et l'atmosphère martienne. Il couvre le domaine radio entre 10 Hz to 32 kHz.

• IMI (Ion Mass Imager) : Cet appareil est capable d'identifier les ions possédant des énergies comprises entre 10 eV et 35 keV par charge. Avec un champ de vision de 360° et grâce à la rotation de la sonde sur elle-même, l'IMI est capable de mesurer dans les 3 dimensions la distribution des ions. Avec les autres instruments scientifiques de Nozomi, il va contribuer à l'étude de l'interaction de la haute atmosphère avec le vent solaire, tout en étant également capable de détecter la présence d'un éventuel anneau de poussière autour de Mars. Cet instrument est fourni par la Suède.

• MDC (Mars Dust Counter) : Ce détecteur va permettre de mesurer la masse et la vitesse des particules de poussière. Son objectif principal sera de mesurer la présence de poussière à proximité de Mars. On pense effectivement que les deux lunes martiennes, Phobos et Deimos, peuvent laisser dans leur sillage des particules de poussière qui ont fini avec le temps par former un anneau autour de la planète Mars. L'instrument MDC pourra également étudier la poussière du milieu interplanétaire. Il est fourni par l'Allemagne.

• NMS (Neutral Mass Spectrometer) : Ce spectromètre de masse fourni par la NASA va permettre de mesurer à une échelle globale la composition chimique de la haute atmosphère martienne, ce qui n'a encore jamais été réalisé pour l'instant. La composition chimique de la haute atmosphère martienne a seulement été déterminée à deux endroits, lors de la descente des atterrisseurs Viking le 20 juillet et le 3 septembre 1976. Le NMS va mesurer les variations horizontales et verticales de la densité de la majorité des composés neutres de la haute atmosphère martienne (H, He, N, N2, O, O2, NO, CO, CO2, Ar) ainsi que le rapport des différents isotopes. Ceci dans le but d'étudier le dynamisme, la chimie et l'état thermique de l'atmosphère. Des profils de température seront réalisés de 150 à 500 km de la surface de Mars. Le spectromètre de masse NMS est une version très améliorée et moins lourde (2,8 kg) de celui de la sonde Pioneer (Pioneer Venus Orbiter), qui a étudié pendant presque 14 ans la haute atmosphère de Vénus et son interaction avec le vent solaire. L'orbite suivie par la sonde Pioneer était elliptique, comme celle de Nozomi (les ressemblances s'arrêtent cependant là, car Pioneer a suivi une orbite polaire, alors que celle de Nozomi est équatoriale). Comme nous l'avons vu plus haut, Mars ne possède pas de champ magnétique capable d'interagir avec le vent solaire, et la planète rouge est donc de ce point de vue beaucoup plus proche de Vénus que de la Terre. Les résultats obtenus par la sonde Pioneer seront donc comparés avec bonheur avec ceux de Nozomi.

• TPA (Thermal Plasma Analyzer) : Cet instrument va mesurer les propriétés des ions de faible énergie de la haute atmosphère martienne, comme leur vitesse, leur température ou leur composition. Il nous permettra ainsi de comprendre les mécanismes de l'interaction entre l'atmosphère neutre, l'ionosphère, la magnétosphère et le vent solaire. Le TPA est fourni par le Canada.

Nozomi possède aussi un oscillateur ultrastable (Ultra Stable Oscillator ou USO), associé au système de communication radio. L'USO, fourni par la NASA, n'est pas vraiment un instrument scientifique, même s'il va permettre de mener à bien des expérimentations. Si le signal extrêmement précis émis par l'oscillateur va surtout servir de "bip" d'horloge pour les ordinateurs de bord et permettre le guidage de la sonde, il servira aussi à étudier l'atmosphère martienne.

La mission

Le lancement de Nozomi a eu lieu dans le sud du Japon, au centre spatial de Kagoshima dans l'île de Kyushu, le 3 juillet 1998 à 18:12 UTC (soit le 4 juillet à 3:12 A.M. heure japonaise). Cette date a été choisie pour célébrer le premier anniversaire de l'atterrissage de la sonde américaine Pathfinder, qui s'est posée sur Mars le 4 juillet 1997. Les opérations en vol sont conduites depuis le centre d'opérations de Sagamihara.

Nozomi a été lancée par une fusée M-5, qui l'a placé autour de la Terre sur une orbite elliptique (7000 km x 400 000 km). Avant de partir vers Mars, la sonde est restée quatre mois dans la banlieue terrestre. Pendant cette période, elle a survolé la Lune à deux reprises pour profiter de son assistance gravitationnelle et augmenter sa vitesse. Un survol de la Terre devait lui donner l'impulsion finale nécessaire à son voyage vers la planète rouge. Mais les choses ne se sont pas déroulées comme prévu.

La première rencontre avec la Lune a eu lieu le 24 septembre 1998 et l'énergie obtenue lors de ce survol a permis à la sonde d'augmenter l'altitude de l'apogée. Le deuxième rase-motte lunaire a eu lieu le 18 décembre 1998 et deux jours plus tard, le 20 décembre 1998, la sonde frôlait la planète Terre.

Malheureusement pour les japonais, un incident dramatique se produisit lors de ce passage rapproché. Pendant la manœuvre, les ingénieurs se rendent vite compte qu'une valve du sous système de propulsion ne s'est pas ouverte. Pour remettre la sonde dans le droit chemin et compenser la diminution de la poussée, les navigateurs programment dans l'urgence une manœuvre propulsive. Le 21 décembre 1998, Nozomi allume son moteur pendant 7 minutes. Mais à l'issue de la manœuvre, les ingénieurs découvrent que la consommation de carburant a été bien plus importante que prévue, et que la petite sonde ne dispose plus d'assez de carburant dans ses réservoirs pour se diriger vers la planète Mars !

Le 11 janvier 2000, les responsables japonais annoncent officiellement la déviation de la sonde vers une orbite solaire transitoire. Nozomi va devoir effectuer trois rotations autour du Soleil et deux assistances gravitationnelles terrestres (le 21 décembre 2002 et le 19 juin 2003), avant de rejoindre la planète Mars en décembre 2003. Si la sonde est sauvée, le bilan est cependant dramatique, puisque la mission a désormais pris quatre années de retard.

L'insertion en orbite martienne était initialement prévue pour le 11 octobre 1999, après un voyage de 700 millions de kilomètres qui aurait duré seulement 10 mois. La sonde devait se placer sur une orbite fortement excentrique (150 à 300 km de périapse, 27 300 km d'apoapse), avec une inclinaison de 138 degrés et une période de révolution de 38 heures. Après un certain temps, le périapse devait être déplacé à 150 km seulement de la surface de Mars pour permettre des mesures in situ dans la thermosphère et la basse exosphère. La mission devait durer une année martienne (soit deux années terrestres), mais il était prévu qu'elle puisse se prolonger au-delà de cette période. Ironie du sort, elle ne commencera en fait qu'en décembre 2003 !

Quatre années d'attente, c'est beaucoup, d'autant plus que la sonde n'a pas été conçue pour un voyage interplanétaire aussi long. Certains instruments scientifiques pourraient très bien ne pas résister à un séjour aussi important dans l'espace et la dégradation de la charge utile pourrait empêcher la sonde d'accomplir quelques-uns de ses objectifs initiaux. De la même manière, la perte d'un sous système critique (comme le sous système de télécommunication radio) pourrait ruiner la mission. Malgré tout, la situation ne présente pas que des inconvénients. Les scientifiques ont d'ores et déjà mis à profit la longue phase de croisière en planifiant des observations du milieu interplanétaire avec les nombreux instruments de la charge utile. En arrivant en décembre 2003, Nozomi commencera également sa mission avec une activité solaire réduite (ce qui est intéressant d'un point de vue scientifique) et pourra travailler de concert avec l'orbiteur Mars Express de l'agence spatiale européenne.

Pour en savoir plus :

Chroniques martiennes : Nozomi, la fin de l'espoir ?
La sonde Mars Express de l'agence spatiale européenne, avec laquelle Nozomi doit travailler.
Liste de liens concernant Nozomi (page de bibliographie).

Avec 14 instruments scientifiques, Nozomi va étudier la haute atmosphère martienne et son interaction avec le vent solaire (Crédit photo : droits réservés).

La sonde Nozomi s'élance vers Mars à bord d'une fusée M5, le 4 juillet 1998. C'est la première sonde japonaise à partir vers une autre planète (Crédit photo : ISAS).

La sonde japonaise Nozomi n'est pas partie directement vers la planète rouge et a passé 5 mois dans la banlieue de la Terre. Après un décollage le 4 juillet 1998, elle a en effet survolé deux fois de suite la Lune pour prendre de la vitesse (septembre et décembre 1998). Après avoir profité de l'assistance gravitationnelle de la Terre, elle s'est enfin élancée vers Mars. La mise en orbite était initialement prévue pour le mois d'octobre 1999, mais elle n'aura finalement lieu qu'en décembre 2003. Nozomi a en effet pris 4 ans de retard, suite à une trop grande consommation de carburant lors d'un loupé dans une manœuvre le 20 décembre 1998. La position particulièrement favorable de Mars en 2003/2004 a cependant permis de continuer la mission (Crédit photo : droits réservés).

Nozomi a pris sa première image le 18 juillet 1998 avec sa caméra MIC (Mars Camera Imaging). La distance entre la sonde et le couple Terre Lune était respectivement de 168100 km et de 535300 km (Crédit photo : ISAS).

A cause de l'échec d'une manœuvre au voisinage de la Terre le 20 décembre 1998, Nozomi va être obligée de passer quatre années supplémentaires dans l'espace. Elle ne pourra rejoindre Mars qu'après avoir effectué trois révolutions autour du Soleil et deux passages rapprochés près de la Terre (en décembre 2002 et juin 2003). L'arrivée est prévue pour le mois de décembre 2003. Nozomi n'a pas été conçue pour tenir aussi longtemps. Son transmetteur radio à bande S a d'ailleurs lâché en 1999 et il ne lui reste plus que son transmetteur de secours à bande X pour communiquer. Avec un peu de chance, la sonde pourrait cependant toujours être en état de fonctionner lors de son arrivée tardive début 2004. Si tout se passe correctement, Nozomi s'insérera sur une orbite de 150 km de périapse et de 51 000 km d'apoapse (Crédit photo : droits réservés).