Cet article est initialement paru dans le Bulletin APM n°84 publié en juillet 2020. Chaque trimestre, les membres de l’association reçoivent un bulletin avec des articles et dossiers exclusifs. Vous retrouverez ci-dessous un extrait de celui-ci, disponible en version complète pour les membres.

• Introduction
• D’où viennent Phobos et Deimos
• Objectifs de la mission MMX
• Caractéristiques techniques de la sonde : les 7 instruments
• Le rover
• Le système de prélèvement
• Déroulement de la mission

Introduction

Alors que Mars suscite un très grand intérêt scientifique, avec 3 lancements de sonde pour la fenêtre de 2021, et qu’à l’horizon 2030 la NASA et l’Agence spatiale européenne planifient une mission de retour d’échantillons martiens qui seront prélevés par Perseverance dans le cratère Jezero, la JAXA a annoncé en 2017 qu’elle en rapportera en 2029 de Phobos, une des deux lunes de la Planète rouge ! C’est la mission Martian Moons eXploration (MMX).

MMX n’est pas la première mission à tenter d’effectuer une étude détaillée des lunes martiennes. Au cours des 30 dernières années, les scientifiques soviétiques et russes ont réalisé quatre missions sans succès : les sondes Phobos-1 et Phobos-2 en 1988, suivies en 1996 de Mars-96, et enfin, Phobos-Grunt en 2011. Mais les sondes spatiales russes ont toutes échoué.

Le principal objectif scientifique de la mission MMX est de déterminer si les lunes martiennes Phobos et Deimos sont des astéroïdes capturés par Mars ou s’ils se sont formés par agrégation de matériaux éjectés par la planète à la suite d’un impact géant dans le cadre d’un processus analogue à celui ayant abouti à la formation de notre Lune. La réponse à cette question permettra d’affiner le scénario de formation des planètes du système solaire.

En avril 2017, Jean-Yves Le Gall, président du CNES, et Naoki Okumura, président de la JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) avaient signé un accord pour préparer la mission MMX. Le 19 février 2020, l’Agence spatiale japonaise (JAXA) a donné son feu vert au développement de la mission MMX, qui a pour objectif de déchiffrer l’origine des deux lunes martiennes, encore incertaine, par des observations sur place et un retour d’échantillons sur Terre. La JAXA a profité de cette annonce pour lever les incertitudes sur les choix du site d’atterrissage du rover et du lieu de la collecte des échantillons.

Représentation de l’orbiteur et de l’étage propulsif de la sonde MMX.
(doc. JAXA)

La mission Martian Moons eXploration (MMX) est ainsi un projet d’exploration des deux lunes de Mars, dont le lancement est prévu pour la fenêtre 2024. Environ un an après avoir quitté la Terre, l’engin spatial arrivera dans l’espace martien et entrera en orbite autour de Mars. Il se déplacera ensuite sur une orbite quasi-satellite (QSO) autour de la lune martienne, Phobos, pour collecter des données scientifiques et recueillir un échantillon de la surface de la lune. La sonde emportera un petit rover d’exploration qui sera réalisé par le CNES et le DLR (Centre Allemand pour l’Aéronautique et l’Astronautique).

Après observation et collecte d’échantillons, un module reviendra sur Terre avec le matériel recueilli auprès de Phobos. en 2029. L’exploration des lunes martiennes contribuera à améliorer la technologie pour l’exploration future de la planète et des satellites. Par exemple, l’avancement de la technologie requise pour effectuer des allers-retours entre la Terre et Mars, les techniques d’échantillonnage avancées qui seront utilisées sur la surface de la lune martienne et la technologie de communication optimale à l’aide des stations au sol du Deep Space Network.

D’où viennent Phobos et Deimos

On envisage deux possibilités :

• ce sont des astéroïdes capturés par la gravité martienne ; le spectre  et la faible densité observés militent pour cette thèse ;
• ces corps résultent de l’accrétion des débris d’un impact majeur avec Mars. Cette thèse s’accorde bien avec leurs caractéristiques orbitales.

Et finalement, est-ce que Deimos a les mêmes origines que Phobos ? L’origine ainsi identifiée permettrait de comprendre la dynamique du disque proto-solaire, qui a profondément modelé l’évolution des mondes planétaires, caractérisés aujourd’hui par l’immense diversité de leurs propriétés.

MMX va également effectuer un suivi pluri-annuel de l’atmosphère de Mars, pour mieux caractériser les processus liés à son évolution climatique.

Objectifs de la mission MMX

L’objectif scientifique majeur de la mission est ainsi de clarifier l’origine des deux lunes martiennes et le processus d’évolution de la sphère martienne (Mars, Phobos et Deimos). La création de ce système est l’une des clés pour résoudre les mystères de la formation planétaire dans le système solaire. Le second objectif est de comprendre les mécanismes contrôlant l’évolution de la surface des lunes martiennes et de Mars, et acquérir de nouvelles perspectives sur l’histoire de la sphère environnementale de Mars, y compris celle des lunes martiennes.

Les lunes martiennes devraient avoir accumulé des sédiments qui ont été éjectés de Mars pendant des milliards d’années. L’observation des lunes fournira donc des informations sur l’évolution de la surface martienne. De plus, si les lunes se sont formées lors d’une collision entre Mars et de gigantesques astéroïdes, le matériau de ces lunes révélera les conditions d’origine sur Mars à cette époque précoce, offrant un aperçu de la formation de la planète et de son jeune environnement. Alternativement, si les lunes sont des astéroïdes capturés, leur composition aidera à clarifier le processus de transport des composants volatils (tels que l’eau) nécessaires à l’habitabilité. En d’autres termes, l’exploration des lunes martiennes est importante non seulement pour comprendre les lunes elles-mêmes, mais aussi pour la science planétaire future. Pour atteindre ses objectifs, MMX couplera trois approches complémentaires, exemplaires des missions des prochaines décennies : caractérisation globale par observations à distance, analyses in situ jusqu’à l’échelle microscopique à partir d’un rover qui se posera à sa surface, collecte et retour sur Terre d’échantillons, pour analyses en laboratoire (environ 10g). Les opérations devraient durer deux années martiennes, pour un retour des échantillons en 2029.

Si Phobos et Deimos, les deux satellites naturels de la Planète rouge sont des objectifs prisés des scientifiques, ils suscitent aussi l’intérêt des planificateurs des futures missions habitées à destination de Mars. En effet, Phobos, le plus grand des deux satellites, est souvent cité pour devenir un avant-poste habité de l’exploration humaine et robotique de Mars. Parmi les objectifs de MMX, un certain nombre sont en lien avec les problématiques d’une mission habitée martienne. Par exemple, du fait de la proximité à Mars de ces deux lunes, sortir du puits gravitationnel de Mars ne sera pas une mince affaire. MMX testera une technologie pour atterrir et naviguer à la surface de corps de faible gravité et déployer de l’équipement pour des tâches telles que l’échantillonnage de surface. Un instrument mesurera également les taux de rayonnement et de radiation reçus par ces deux satellites, une préoccupation majeure pour la santé des astronautes.

Caractéristiques techniques de la sonde

La sonde spatiale MMX aura une masse de 4 tonnes et comprendra trois modules :

• 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. Il embarque un petit astromobile fourni par les agences spatiales française (CNES) et allemande (DLR) ;
• un module chargé de ramener la capsule contenant l’échantillon de sol sur Terre.

De haut en bas, modules d’exploration, de retour et de propulsion.
(doc. F.Forget/LMD/IPSL)

La charge utile scientifique comprend sept instruments :

1. TENGOO, « Imageur Téléobjectif Nadir pour la Géomorphologie ». C’est une caméra téléobjectif (angle étroit) pour observer le terrain détaillé à la surface des lunes martiennes. TENGOO, dont la résolution est d’environ 40 cm, et obtenir des informations sur la distribution des différents matériaux correspondant aux échantillons collectés. Il peut également être utilisé pour vérifier la sécurité sur le site d’atterrissage prévu.
2. OROCHI, « RadiOmètre Optique composé d’Imageurs Chromatiques », caméra grand angle en lumière visible à plusieurs longueurs d’onde pour la détection des matériaux hydratés et de matière organique.
3. LIDAR, « Light Detection And Ranging ». C’est un instrument télémétrique pour observer les informations sur la forme de la surface de la lune martienne. LIDAR utilise un laser pour mesurer l’altitude et l’albédo du terrain survolé.
4. MacrOmega, « Observatoire Macroscopique pour la Minéralogie, l’Eau, les Glaces et l’Activité ». C’est un instrument d’observation proche infrarouge pour étudier la distribution des minéraux hydratés, des substances liées à l’eau et des matières organiques. Il sera utilisé pour choisir les lieux d’échantillonnage. MacrOmega est développé en partenariat avec l’agence spatiale française CNES et l’Institut d’Astrophysique Spatiale.
5. MEGANE, « Mars-lune Exploration avec les rayons GAmma et NEutrons ». En étudiant les rayons gamma et les neutrons libérés par la surface, la présence des principaux éléments et de l’hydrogène sera observée et ces mesures utilisées pour sélectionner les emplacements de prélèvement.
6. CMDM, « Circum-Martian Dust Monitor ». C’est un appareil pour étudier l’environnement de poussière autour de la lune de Mars. En mesurant l’abondance de poussière de 10 μm ou plus, la fréquence de collision des corps célestes qui génèrent de la poussière et le phénomène de réintégration de la poussière sur les lunes martiennes peuvent être analysés.
7. MSA, « Mass Spectrum Analyzer ». C’est un instrument pour étudier l’environnement ionique autour de la lune martienne. La présence de glace à l’intérieur de  celle-ci, l’effet des intempéries sur sa surface et la quantité de dissipation de l’atmosphère martienne peuvent être étudiés en mesurant les ions libérés de la lune martienne, les ions libérés de Mars et les ions du vent solaire.

Le rover

MMX comprendra un petit rover, développé par le CNES et le DLR, déjà partenaires dans le projet MASCOT (mission Hayabusa 2).  Muni de panneaux solaires, sa durée de vie nominale sera de 100 jours à la surface de Phobos. Il sera équipé de 4 roues et comportera 4 instruments : des caméras de navigation, un spectromètre Raman, deux caméras spécialement dédiées à l’observation de l’interaction roue/régolithe et un radiomètre infrarouge.

Le système de prélèvement

Sur Phobos, la gravité est de 0,0057 m/s² (1700 fois moins que sur Terre), valeur minuscule, mais néanmoins plus importante que dans le cas des astéroïdes déjà approchés par les Japonais. La technique de prélèvement d’échantillon est donc différente ; au lieu d’un contact très bref avec sa cible, MMX se posera à la surface de Phobos pour prélever l’échantillon du sol à 2 cm de profondeur. Si nécessaire, deux atterrissages seront effectués pour garantir le succès du prélèvement. Mais la durée du séjour sera limitée à 3 heures.

Déroulement de la mission

Le lancement, annoncé vers septembre 2024, sera confié au nouveau lanceur japonais H3, encore en développement. MMX devrait atteindre son orbite martienne en août 2025. Durant 34 mois la sonde restera sur une orbite quasi stationnaire par rapport aux satellites, lui permettant de procéder à une cartographie minéralogique et à l’étude de la géologie de Phobos (et en partie de Deimos). On cherchera à déterminer la structure interne, en particulier la présence éventuelle de glaces. Après avoir accompli deux atterrissages sur Phobos, MMX effectuera plusieurs survols de Deimos. Puis, la capsule d’échantillon entamera son voyage de retour en août 2028, pour une arrivée sur Terre en septembre 2029.

Seulement cinq années s’écouleront entre la date de lancement (septembre 2024) et le retour sur Terre (septembre 2029) de la sonde qui, entre-temps aura séjourné trois ans, d’août 2025 à août 2028, dans le système martien. L’atterrissage devrait avoir lieu dans une région désertique située en Australie, comme pour le retour des échantillons d’Hayabusa 1, le 13 juin 2010 et pour Hayabusa 2, prévu en fin 2020.

Sources principales :

•      Wikipedia : Martian Moons Exploration.
•      Site officiel JAXA : http://mmx.isas.jaxa.jp/en/