SuperCam sur le rover Perseverance de la NASA, à la recherche de traces de vie passée sur Mars

Par Philippe Caïs, , chef de projet de la contribution française de SuperCam, Ingénieur de recherche au CNRS, Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux, Université de Bordeaux

Introduction

L’histoire de Mars a toujours fasciné, depuis la nuit des temps jusqu’à encore aujourd’hui, où des robots explorent la planète à la recherche de traces de vie passée, avec le rover Perseverance en première ligne.

Alors que des canaux martiens ont été aperçus au 19^ième siècle, c’est grâce à des observations plus récentes au 20^ième siècles, et aux premiers orbiteurs américains Mariner que ces canaux se révèleront être d’anciens lits de rivières asséchées depuis plusieurs milliards d’années. Qu’à cela ne tienne, l’exploration de la planète par les robots Spirit, Opportunity, Phoenix et encore en activité Curiosity, nous a montré que ces canaux proviennent de grandes quantités d’eau qui ont coulé sur Mars, à l’époque où la chimie prébiotique se développait sur Terre (il y a plus de 3 milliards d’années). Et alors ? Le programme Perseverance a pour objectif de dénicher cette forme de vie qui aurait pu se conserver dans le sous-sol martien, et de les collecter pour être ramenés sur Terre à l’horizon 2031 ! Cet objectif ambitieux de retour d’échantillons martiens (Mars Sample Return) est une collaboration NASA/ESA dont le scénario dépasse la fiction…

Site d’atterrissage

La première étape consiste à se poser sur la planète à un endroit favorable à l’apparition de la vie, mais aussi à sa conservation. C’est pourquoi, le cratère Jezero, qui est un bassin d’impact météoritique d’une cinquantaine de kilomètre de diamètre et d’une centaine de mètres de hauteur, a été choisi. Ce cratère aurait abrité de l’eau en circuit fermé il y a plus de 3.6 milliards d’années, alimenté par une rivière qui a perduré pendant des centaines, milliers ou millions d’années. Et une fois ce lac asséché à cause d’un évènement climatique important, ce site a été préservé des bombardements et c’est pourquoi, le rover Perseverance a été déposé aussi près que possible de l’entrée de la rivière, appelé le delta. Arrivé le 18 février 2021, le rover a exploré le lac pour mieux comprendre sa géologie et son histoire. Maintenant, il est remonté dans le delta pour collecter les alluvions ou argiles qui ont été charriés.

Caractéristiques techniques

Perseverance est le robot le plus perfectionné jamais envoyé sur une autre planète, avec une masse de plus d’une tonne, pour environ 100kg de charge utile (instruments et système de conditionnement des échantillons). Côté instrumentation scientifique, le rover est doté de SuperCam (analyse de la composition des roches à distance depuis le haut du mât) et de PIXL et SHERLOC (instruments embarqués sur le bras, au contact de la cible). Ces instruments sont complémentaires car si SuperCam permet de ‘tirer’ sur plusieurs roches par jour et d’identifier des cibles potentiellement intéressantes, les instruments du bras permettront, une fois que le rover sera arrêté, de confirmer l’intérêt de ces cibles. Des échantillons seront alors prélevés pour être mis en tube puis scellés. Bien sûr, tout sera documenté et photographié sous tous les angles grâce à la vingtaine de caméras présentes sur le rover.

SuperCam

SuperCam joue un rôle central dans la mission, en permettant l’identification rapide de la composition des roches, glaces ou sables. Il s’agit d’un instrument d’optique comprenant un télescope de 10cm de diamètre, qui embarque un laser de puissance (1GW/cm² – la puissance d’une centrale mais seulement pendant 5 nanosecondes) et qui fait un impact sur les roches, de l’ordre de 500 micromètres de diamètre. Deux techniques laser sont implémentées :

• La technique LIBS (faisceau laser infrarouge) : un petit volume de l’échantillon sondé par le laser est vaporisé et chauffé de manière à former un plasma qui émet un rayonnement caractéristique des atomes présents, donnant accès à la composition chimique élémentaire (Fer, Silicium…). 
• la technique Raman (faisceau vert) : ce sont les liaisons et les structures moléculaires qui sont étudiées, grâce à la détection d’un rayonnement diffusé par l’échantillon, caractéristique des énergies de vibration des molécules, donnant ainsi accès à la minéralogie (carbonates, olivine…).

De plus, SuperCam met en œuvre un autre type de spectroscopie qui consiste simplement à analyser les caractéristiques de la lumière du soleil réfléchie par les cibles analysées, dans le domaine du visible et de l’infrarouge, ce qui fournit des données relatives à la minéralogie. Enfin, une caméra CMOS est utilisée en complément des spectromètres pour enregistrer des images couleur dans le domaine du visible ; et un microphone permettant d’enregistrer les sons associés, d’une part aux événements atmosphériques (vent, tempêtes de poussière) et d’autre part, aux impacts du laser sur les roches lors des analyses LIBS, de manière à recueillir des informations relatives à leur dureté.

Pour disposer d’un instrument de vol qui survive à l’environnement sévère de Mars (température jusqu’à -55°C, pression de 7mbar, peu de protection contre les radiations), il a fallu 4 ans de développement et réaliser pas moins de quatre modèles successifs. SuperCam est un instrument développé par les laboratoires de recherche en astrophysique (l’IRAP à Toulouse, l’Observatoire de Paris, le Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux, le LATMOS à Guyancourt, le CNES et ISAE-SUPAERO à Toulouse), en collaboration avec 17 PME qui ont pris part à la fabrication des composants mécaniques, électroniques et optiques. Au total plus de 300 personnes ont travaillé main dans la main pour livrer un instrument aux performances uniques.

Bilan

Après plus de 500 sols sur Mars, le rover a parcouru plus de 12km, prélevé 12 échantillons dont 4 dans le delta. SuperCam a quant à lui réalisé plus de 300 000 tirs laser sur 350 roches, pris plusieurs milliers d’images et enregistré des dizaines de séquences sonores. Tous ces résultats sont à retrouver sur https://mars.nasa.gov/mars2020/.

Les échantillons collectés seront déposés sur le sol martien – probablement en bas de la rivière – en vue d’un futur retour sur Terre. Ce retour d’échantillons représente tout l’enjeu du programme Mars Sample Return. Un petit rover sera envoyé en 2026 pour récupérer ces échantillons et les ramener à un module composé d’un atterrisseur, et d’une petite fusée capable de mettre en orbite basse un container d’une dizaine de kg contenant les échantillons. En orbite autour de Mars, un satellite de l’ESA fera le rendez-vous afin de récupérer ce container et le renvoyer sur Terre. Arrivés sur Terre à l’horizon 2031, les échantillons seront analysés dans des laboratoires habilités de type P4, c’est-à-dire capables de gérer des produits pathogènes en toute sécurité.

Conclusion

En conclusion, le rover Perseverance, équipé de SuperCam, est une véritable prouesse technologique qui permet de caractériser la géologie du sol martien autour du site d’atterrissage, afin de collecter les meilleurs échantillons qui contiendraient des traces de vie passée. Et peut-être de répondre in-situ à cette fascinante question : y a-t-il eu, un jour, de la vie sur Mars ?