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Exploration lointaine

BepiColombo : à l’assaut de Mercure

Isabelle , , , , , , , , ,

BepiColombo est la première mission européenne en direction de Mercure. Son lancement a été effectué avec succès ce 20 octobre à bord d’une Ariane 5.

Image d’artiste de la sonde BepiColombo arrivant à proximité de la planète Mercure (crédit ESA/ATG medialab, NASA/JPL)

Décollage parfait !

Ariane 5 a décollé comme prévu le 20 octobre à 3h45 UTC depuis le Centre Spatial Guyanais à Kourou.

Superbe poster vintage du lancement de BepiColombo (crédit Arianespace)
Décollage Ariane 5 / BepiColombo le 20/10/2018 (crédit ESA-CNES-Arianespace)

27 minutes après le décollage, la charge utile se séparait du lanceur et commençait sa longue route vers la planète Mercure.

Moments clés du lancement de BepiColombo. Après le lancement et la séparation de l’engin spatial et la première acquisition du signal, les panneaux solaires seront déployés. Quelque 12 heures plus tard, une caméra de surveillance embarquée dans le module de transfert capturera une image de l’un des panneaux solaires déployés. Dans la journée qui suivra le lancement, une deuxième série d’images sera prise de l’orbiteur planétaire et des antennes déployées. Après trois jours de vérification des sous-systèmes, la phase de croisière commencera (crédit ESA)

Destination Mercure

Mercure, la plus petite planète de notre Système Solaire, reste peu connue car Mercure est très proche du Soleil, à 58 millions de kilomètres ou 0,39 UA (1 Unité Astronomique = distance Terre-Soleil). Elle est difficile à observer directement depuis la Terre, sauf à l’aube ou au crépuscule, lorsque la luminosité du Soleil ne dépasse pas celle de la planète.

Le Système Solaire

A cause de cette proximité, il est difficile d’y envoyer des sondes. Deux sondes ont pourtant déjà étudié la planète : Mariner 10 qui a survolé Mercure par 3 fois entre 1974 et 1975 et photographié 50% de sa surface, et Messenger (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging) qui a survolé Mercure à trois reprises avant de se mettre en orbite autour de la planète en 2011. Après 4 ans 1 mois, 14 jours en orbite, Messenger a percuté la surface de Mercure le 30 avril 2015.

Image colorée de Mercure par la sonde Messenger qui met en évidence les différences chimiques, minéralogiques, et physiques des roches qui forment la surface de Mercure. (Image crédit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington)

Mercure est une planète rocheuse, légèrement plus grande que la Lune (diamètre 4 879 km). Mais son diamètre a diminué depuis sa création ! Une spécificité de la planète ? La planète se refroidit-elle encore ? C’est l’un des mystères que doit percer la mission BepiColombo. Avec la Terre, Mercure est la seule autre planète tellurique à disposer d’un champ magnétique intrinsèque.

Aperçu de la planète Mercure (crédit ESA)

L’atmosphère mince, ou exosphère, de Mercure est composée principalement d’oxygène, de sodium, d’hydrogène, d’hélium et de potassium, et est donc irrespirable pour un humain. Le jour, les températures peuvent atteindre 450°C et descendre à -180°C la nuit. Il est peu probable que la vie (telle que nous la connaissons) puisse survivre sur cette planète. En dépit de sa proximité avec le Soleil, Mercure n’est pas la planète la plus chaude de notre Système Solaire (c’est Vénus la plus chaude) mais elle est la plus rapide, car elle tourne autour du Soleil tous les 88 jours. Un jour sur Mercure prend 59 jours terrestres. Un cycle jour-nuit sur Mercure prend 175,97 jours terrestres.

Mosaïque couleur de 4 images de Mercure par Messenger avant son 2e survol de Mercure à l’aide de sa caméra grand angle. Les variations de couleur de Mercure sont très subtiles. Cette vue consistait presque entièrement en un territoire qui n’avait jamais été vu auparavant par un vaisseau spatial et comprenait un ensemble spectaculaire de rayons radiaux allant jusqu’à un petit cratère d’impact situé près du pôle nord de Mercure, qui a été baptisé plus tard Hokusai. (crédit NASA / JHUAPL / CIW / color mosaic by Jason Perry)

Première mission européenne vers Mercure

BepiColombo est une mission baptisée en hommage au professeur italien Giuseppe « Bepi » Colombo (1920-1984), qui joua un rôle majeur dans le succès de la mission Mariner 10 avec ses calculs en mécanique orbitale pour la détermination de la première assistance gravitationnelle effectuée par un engin spatial (le survol de Vénus par Mariner 10 a permis de courber sa trajectoire de vol et ramener son périhélie, passage au plus près, au niveau de l’orbite de Mercure). Il participa aussi à la mission européenne Giotto d’étude de la comète de Halley.

BepiColombo va compléter la mission Messenger, notamment sur la topographie et la composition de la surface de Mercure à l’hémisphère sud (Messenger avait une orbite elliptique qui passait près du pôle nord et loin du pôle sud). Avec une étude à 10 ans d’intervalles, cela permettra de voir aussi les changements de la planète, comme au niveau des dépôts (glace d’eau ?) observés par Messenger dans des cratères polaires perpétuellement dans l’ombre. BepiColombo, avec son orbite polaire, fournira une couverture plus complète de ces zones avec de nombreux instruments différents.

BepiColombo étudiera les particularités de la structure interne de Mercure, ainsi que son champ magnétique et son interaction avec le Soleil et le vent solaire.

Les résultats scientifiques de cette mission permettront de mieux comprendre la formation de notre Système Solaire et l’évolution des planètes à proximité de leur étoile.

BepiColombo, avec ses deux orbiteurs scientifiques, s’appuiera sur les réalisations de la mission Messenger de la NASA pour offrir la meilleure compréhension de la planète Mercure. Ce graphique met en surbrillance certaines découvertes de Messenger et indique comment BepiColombo assurera le suivi. (crédit ESA)

Un voyage de sept ans

BepiColombo est composé de plusieurs éléments : deux orbiteurs, un module de transfert comprenant des propulseurs électriques et des propulseurs chimiques classiques, et un bouclier solaire [détails plus bas].

Ils ont été assemblés au Centre Spatial Guyanais pour être ensuite placé sur le lanceur Ariane 5. Au lancement, BepiColombo pesait 4074 kg dont 825 kg de carburant.

La « pile » de vaisseaux spatiaux BepiColombo se prépare pour le transfert dans le bâtiment d’assemblage final. L’orbiteur magnétosphérique MMO de la JAXA est visible en haut de la pile, l’orbiteur planétaire MPO de l’ESA au milieu et le module de transfert MTM de l’ESA en bas. (crédit ESA/CNES/Arianespace/Optique video du CSG – S. Martin)

Grâce à la poussée d’Ariane 5, les modules empilés ont été directement injectés sur une trajectoire lui permettant de s’affranchir de l’attraction terrestre afin d’entamer son périple de sept ans vers Mercure. La vitesse de croisière est d’environ 120 000 km/h.

BepiColombo n’arrivera pas avant 2025 aux abords de Mercure, après un voyage de 8,5 milliards de kilomètres, soit l’équivalent de la distance aller-retour entre la Terre et Neptune. « Bepi » parcourra en fait 38 fois la distance maximale entre la Terre et Mercure. La sonde utilisera la gravité de la Terre, Vénus et Mercure en combinaison avec la poussée fournie par son système de propulsion électrique solaire (SEP) pour atteindre Mercure.

Au terme de 18 révolutions autour du Soleil, le module MTM sera éjecté à l’approche de Mercure fin 2025. Les deux orbiteurs scientifiques commenceront leur mission nominale d’un an, qui pourra être prolongée d’une année.

Chronologie des survols pendant les 7,2 années de voyage de BepiColombo vers Mercure, sur la base d’une fenêtre de lancement du 5 octobre au 29 novembre 2018. (crédit ESA)

Deux agences spatiales, 15 pays

La mission a été construite par un consortium de 83 entreprises issues de 15 pays, sous la maîtrise d’œuvre industrielle d’Airbus Space, pour le compte de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) et de l’agence spatiale japonaise (JAXA).

Huit laboratoires français sont impliqués dans le développement de 11 instruments sur 16 : le LPC2E (Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace), l’Institut d’astrophysique spatiale, l’Institut de physique du globe de Paris, l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie, le Laboratoire d’astrophysique de Marseille, le Latmos (Laboratoire atmosphères, milieux, observations spatiales), le Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique et le Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP).

Les partenaires industriels de BepiColombo (crédit ESA)

Un satellite 4 en 1

Quatre éléments constituent la mission BepiColombo :

  • Le Module de Transfert, ou Mercury Transfer Module (MTM) fournit une propulsion solaire-électrique pour la phase de croisière vers Mercure. Il est équipé de quatre propulseurs ioniques T6. Malgré des niveaux de poussée beaucoup plus faibles que pour une propulsion chimique, les propulseurs T6 peuvent accélérer BepiColombo à une vitesse 15 fois supérieure à celle d’un propulseur chimique classique en utilisant une quantité de carburant plus faible mais sur des durées plus longues [article sur la propulsion électrique à venir].
Photo du Mercury Transfer Module (MTM) en cours d’intégration et vue sur ses 4 moteurs ioniques (crédit ESA – U. Reininghaus)
  • Un orbiteur planétaire ou Mercury Planetary Orbiter (MPO) développé par l’ESA. Il réalisera une cartographie complète de Mercure, étudiera sa composition et sa structure interne.
Test de déploiement du panneau solaire de 7,5 m de long du Mercury Planetary Orbiter (MPO) de BepiColombo (crédit ESA)
  • Un orbiteur magnétosphérique ou Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO) développé par la JAXA. Il analysera le champ magnétique et la magnétosphère de Mercure.
Le Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO) à son arrivée à Kourou (crédit ESA–A. Le Floc’h)

Ces 2 engins spatiaux seront au final sur 2 orbites elliptiques autour du Soleil différentes. Le MPO fonctionnera sur une orbite de 2,3 heures à une altitude de 480 x 1 500 km au-dessus de la surface de la planète. Il faudra 9,3 heures au MMO pour orbiter autour de Mercure sur orbite de 590 x 11640 km.

L’orbiteur planétaire MPO (orbite interne) et l’orbiteur magnétosphérique MMO (orbite externe), dans leur orbite polaire elliptique autour de Mercure (crédit ESA/ATG medialab)
  • Le MOSIF, pour MMO Sunshield and Interface Structure (protection solaire et structure de l’interface) protège le MMO de l’intensité solaire pendant la phase de croisière qui, aux environs de Mercure, est environ 10 fois supérieure à celle de la Terre.
Le pare-soleil MOSIF protégeant le Module MOM de BepiColombo (crédit ESA – M. Pedoussaut)

Les engins spatiaux en orbite de Mercure doivent non seulement faire face à l’immense chaleur du Soleil, mais également au rayonnement infrarouge émis par la planète. Le MPO est protégé par des couvertures thermiques souples (MLI, Multi Layer Insulation) en titane et en céramique (jusqu’à 50 couches au total). Les antennes sont en titane résistant à la chaleur et recouvertes d’un nouveau revêtement.

Les protections thermiques de BepiColombo (crédit Airbus)

16 instruments à bord

11 instruments sont à bord du Mercury Planetary Orbiter (MPO)

  • un altimètre laser BELA (BepiColombo laser altimeter)
  • un accéléromètre ISA (Italian spring accelerometer)
  • un magnétomètre MPO-MAG (Mercury Planetary Orbiter Magnetometer)
  • un radiomètre et spectromètre thermique infrarouge MERTIS (MErcury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer)
  • un spectromètre à rayons gamma et neutrons MGNS (Mercury Gamma-ray and Neutron Spectrometer)
  • un spectromètre à imagerie à rayons X MIXS (Mercury Imaging X-ray Spectrometer)
  • une expérience sur la radio-science MORE (Mercury Orbiter Radio-science Experiment)
  • un spectromètre UV pour l’exploration de l’exosphère herméenne PHEBUS (Probing of Hermean Exosphere by Ultraviolet Spectroscopy)
  • SERENA (Search for Exospheric Refilling and Emitted Natural Abundance) pour la recherche de remplissage exosphérique et d’abondance naturelle émise
  • des caméras SIMBIO-SYS (Spectrometer and Imagers for MPO BepiColombo Integrated Observatory System)
  • un spectromètre de particules et d’intensités solaires SIXS (Solar Intensity X-ray and particle Spectrometer)
Vue d’ensemble des instruments scientifiques à bord du Mercury Planetary Orbiter (MPO) de l’ESA, l’un des deux orbiteurs scientifiques composant la mission BepiColombo sur Mercure (crédit ESA)

5 instruments à bord du Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO)

  • un magnétomètre MMO-MGF (Mercury Magnetometer)
  • une expérience sur les particules de plasma MPPE  (Mercury Plasma Particle Experiment)
  • un instrument pour les ondes plasma PWI  (Plasma Wave Instrument)
  • Imageur spectral atmosphérique du sodium MSASI (Mercury Sodium Atmospheric Spectral Imager)
  • un moniteur de poussières MDM (Mercury Dust Monitor)
Vue d’ensemble des instruments scientifiques à bord du Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO) de la JAXA, l’un des deux orbiteurs scientifiques composant la mission BepiColombo sur Mercure (crédit ESA)

Pour en savoir plus :

Ma sélection de vidéos sur la mission :

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