MMX, la tentative de retour d’échantillons de la lune Phobos de Mars par le Japon
La mission Martian Moons eXploration ou MMX de l ‘agence spatiale japonaise va tenter ce qui n’a jamais été fait auparavant : extraire et faire revenir sur des échantillons du sol de la lune Phobos de Mars sur Terre en 2031.
Forte de son expérience du retour d’échantillons d’astéroïdes avec Hayabusa-1 et Hayabusa-2, la JAXA a développé cette mission ambitieuse mais tout aussi complexe et pleine de risques. C’est la seconde mission japonaise à vouloir atteindre Mars. Le Japon n’a envoyé jusqu’à présent qu’une seule sonde vers Mars, Nozomi (aussi appelée PLANET-B), mais elle a échoué à se mettre en orbite martienne en octobre 1999.
La mission Martian Moons eXploration est dirigée par l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale (JAXA), en collaboration avec la NASA, l’agence spatiale française (CNES), le Centre aérospatial allemand (DLR) et l’Agence spatiale européenne (ESA).
Après une phase initaile d’étude de la lune, la sonde déploiera un rover franco-allemand, Idefix, à la surface de Phobos et, en 2030, atterrira et collectera au moins 10 grammes d’échantillons de la lune provenant de deux sites différents à la surface avant de retourner sur Terre. Sur le chemin du retour, l’autre lune Deimos sera survolée et les instruments seront tournés vers Mars.
En 2031, les échantillons de Phobos seront renvoyés sur Terre dans une capsule spéciale de retour d’échantillons, pour atterrir en Australie. Là, elle sera récupérée, les échantillons de Phobos extraits et catalogués, et distribués aux scientifiques pour analyses.
La lune martienne Phobos est un endroit encore inexploré par l’humanité. Ce retour d’échantillons permettra d’en savoir plus comment les lunes martiennes Phobos et Deimos se sont formées, comment le système martien a évolué et éventuellement déterminer l’origine de l’eau et de la matière organique sur les planètes telluriques.
La durée du vol interplanétaire (dans un sens) est d’un peu moins d’un an, tant à l’aller qu’au retour. En incluant la période d’observation et d’exploitation à proximité des lunes martiennes, la durée totale de la mission est prévue d’environ 5 ans.
Les objectifs scientifiques et technologiques
Les objectifs de MMX se répartissent en deux aspects : la science planétaire et l’acquisition de technologies.
La mission devrait nous faire progresser notre compréhension sur la formation des planètes et de leurs lunes, et leur évolution au fil du temps. Elle étudiera les processus par lesquels la matière organique et l’eau ont été transportés jusqu’aux corps célestes au début du Système Solaire en confirmant la présence de ces matériaux sur les échantillons prélevés
Phobos : astéroïde capturé ou aglomérat de débris martien ?
Phobos (peur en grec ancien) et Deimos (effroi) sont des objets difformes mesurant respectivement seulement 22 kilomètres et 12 kilomètres de diamètre. Deimos échappe petit à petit à la gravité de Mars, tandis que Phobos est attiré. Dans environ 100 millions d’années, les marées gravitationnelles déchireront Phobos, la transformant en un système d’anneaux poussiéreux.
Grâce aux mission américaines Viking (années 1970), puis Mars Global Surveyor, Mars Reconnaissance Orbiter, la mission soviétique Phobos-2 (1988) et la sonde Mars Express de l’ESA, on sait que Phobos est très sombre (albédo ~7 %, plus sombre que la Lune) et sa surface présente une pente spectrale rouge caractéristique, assez proche des astéroïdes de type D, qu’on trouve dans la partie externe de la ceinture d’astéroïdes. Mais les mesures de densité (~1,85 g/cm³) suggèrent une porosité très élevée (30 % ou plus), incompatible avec un simple gros fragment de roche cohérente.
Ces mesures à distance, essentiellement par spectroscopie, ne concluent pas à ce jour sur l’origine des lunes de Phobos et Deimos. Deux hypothèses sont actuellement en « compétition » pour cette origine :
- Capture d’un astéroïde : Phobos serait un objet primitif né dans le Système solaire externe. Ce scénario contredit les orbites actuelles des lunes et pose d’autres défis dynamiques.
- Formation in situ : Il y a des milliards d’années, un gros astéroïde s’est écrasé sur Mars, projetant des débris dans l’espace, dont certains se sont regroupés en orbite pour former Phobos et Deimos (un grand bassin dans l’hémisphère nord martien pourrait être la preuve de ce phénomène).
Le régolithe de Phobos n’est pas seulement de la « poussière de lune » : c’est un mélange naturel entre les matériaux constitutifs de la lune elle-même et des apports externes (poussière interplanétaire, mais aussi éjecta projetés depuis Mars et Deimos). À condition que le site de prélèvement soit bien caractérisé par télédétection, l’analyse en laboratoire (minéralogie, composition globale, isotopes de l’oxygène, du chrome et du titane, datation radiométrique) d’une dizaine de gramme de grains prélevés in-situ permettra de trancher la grande question : d’où viennent ces lunes ?
Si Phobos provient d’un astéroïde de type D capturé par la gravité de Mars, on s’attend à ce que la mission collecte du matériau primordial tel que des argiles, des carbonates et de la matière organique, que l’on pense être abondante sur les astéroïdes de type D. Mais, si Phobos s’est formé à partir de fragments d’un impact géant avec l’ancienne Mars, l’analyse des échantillons prélevés sur Phobos devraient montrer que la lune s’est formée à partir d’un mélange de matériaux martiens anciens et de celui de l’objet céleste en collision.
La mission MMX ramènera inévitablement des impuretés dans les échantillons de Phobos. Des météorites martiennes, éjectées de la surface de Mars lors d’impacts de petits astéroïdes, ainsi que leurs fragments, se dépose parfois à la surface de Phobos, car la Lune orbite à seulement 6 000 kilomètres environ au-dessus de la surface de la planète. Ces fragments pourraient aider les chercheurs à mieux déterminer l’état chimique de la couche superficielle martienne et son évolution au cours du temps. Du coup, MMX pourrait devenir une sorte de moyen détourné et peu coûteux de récupérer des échantillons de Mars ! Encore plus espéré par les scientifiques après l’abandon de Mars Sample Return par la NASA début 2026.
Grâce aux missions martiennes d’exploration de la NASA ou de l’ESA, on sait que Mars a abrité de l’eau liquide à sa surface, jusqu’à il y a environ 3,5 milliards d’années. Une des hypothèses actuelles est que l’eau et les composés volatils , y compris les matériaux organiques, ont pu être transportés vers l’intérieur du Système Solaire par des astéroïdes, des comètes et des poussières. Mars se situant à la limite de la ligne des neiges (snow line), la distance dans un système planétaire au-delà de laquelle il fait assez froid pour que les composés volatils (eau, méthane, ammoniaque, monoxyde de carbone…) se condensent en glace, la planète a dû être le témoin du transport de matériaux entre les parties interne et externe du Système solaire.
Préparer de futures missions d’exploration
Grâce aux technologies développées pour la mission, la JAXA entend démontrer sa capacité à atteindre Mars, se poser sur la lune martienne et d’effectuer des prélèvements et d’être capable des communications optimisées dans l’espace lointain avec une nouvelle antenne de communication. Pour la JAXA, ce sont des technologies clés qui serviront de base aux futures missions avec équipage vers Mars, avec la possibilité d’utiliser Phobos comme station spatiale naturelle pour des aller-retour vers la sphère martienne
La JAXA et la NHK ont développé conjointement la « Super Hi-Vision Camera (SHV) » capable de filmer des images en 4K et en 8K dans l’espace. SHV va acquérir le premier mouvement ultra haute définition au monde de Mars et de ses lunes à proximité, afin de mieux sensibiliser et faire participer le grand public à l’exploration spatiale.
“Nous aimerions que les gens voient les lunes martiennes et Mars comme jamais auparavant, et qu’ils sentent qu’ils ont pu venir avec nous dans ce voyage”, a déclaré Kawakatsu Yasuhiro, chef de projet de MMX à la JAXA.
La sonde
D’une masse de près de 4,5 tonnes au décollage, la sonde MMX a été développée par Mitsubishi Electric Corporation. La sonde compacte de 5,3 m de haut sur 4,5 m de large en configuration de lancement (9 m de large, panneaux solaires déployés), se compose de :
- un module de propulsion avec réservoirs de propulseur et moteurs-fusées pour le volde croisière vers Mars et Phobos
- un module d’exploration orbitale avec des jambes d’atterrissage
- un échantillonneur et des instruments scientifiques
- un rover développé conjointement par le DLR et le CNES
- un module de retour abritant la capsule de retour d’échantillon
Le « module d’exploration » équipé d’équipements d’observation et de jambes pour atterrir sur Phobos sera chargé d’explorer et d’observer la zone autour de Phobos. Une fois sa mission terminée, il se détachera au moment de quitter Mars. Seul reviendra vers la Terre le « module de retour » restant.
Les instruments scientifiques embarqués sont au nombre de 11, dont 4 dévéloppées par des partenaires de la JAXA *, auxquels s’ajoutent 2 pour l’acquisition de technologies d’exploration :
- Observation à distance / in situ :
- TENGOO (TElescopic Nadir imager for GeOmorphology) est une caméra télescopique pour acquérir des images haute résolution de la surface,
- OROCHI (Optical RadiOmeter composed of CHromatic Imagers) est une caméra spectrométrique grand angle pour imager la surface et fournir des informations minéralogiques,
- MIRS* (MMX InfraRed Spectrometer) est un spectromètre infrarouge proche fournit par le CNES pour révéler les minéraux et rechercher les composés organiques et l’eau,
- MEGANE* (Mars moons Exploration with GAmma rays and NEutrons, spectromètre à rayons gamma et à neutrons) fournit par la NASA pour déterminer la composition élémentaire,
- LIDAR (LIght Detection And Ranging) est un altimètre laser pour la cartographie de la surface de Phobos,
- CMDM (Circum-Martian Dust Monitor) est un enregistreur de poussière en orbite martienne,
- MSA (Mass Spectrum Analyzer) est spectromètre de masse ionique pour détecter d’éventuels dépôts de glace,
- IDEFIX*, le rover
- Collecte et restitution des échantillons :
- C-SMP (coring sampler), pour recueillir des matériaux à des profondeurs supérieures à deux centimètres
- P-SMP (pneumatic sampler) * pour recueillir les matériaux en vrac à la surface
- SRC (sample return capsule)
- Acquisition de technologies d’exploration :
- IREM (Interplanetary Radiation Environment Monitor) est un enregistreur de l’environnement radiatif interplanétaire
- SHV (caméras Super Hi-Vision)* – voir plus haut
[je détaillerai ultérieurement la méthode d’échantillonnage]
Une contribution française à la dynamique de vol et à l’instrument MIRS
Le spectromètre imageur proche infrarouge MIRS a été construit sous maitrise d’œuvre du LIRA (Laboratoire d’Instrumentation et de Recherche en Astrophysique) en collaboration avec le CNES et 4 autres laboratoires français : le LAB (Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux), le LATMOS (Laboratoire ATMosphères, Observations Spatiales), l’OMP (Observatoire Midi-Pyrénées) et l’IRAP (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie).
Ce spectromètre imageur va cartographier la composition minérale de Phobos et Deimos (minéraux, hydratation, matière organique) pour aider à sélectionner les sites de prélèvement d’échantillons, et clarifier l’origine des lunes martiennes. Il servira aussi à observer l’atmosphère de Mars [détails dans un article à venir].
Le CNES vient aussi en support à la JAXA pour l’étude des trajectoires et de la dynamique du vol en amont de la mission et participera potentiellement aux opérations en vol.
Un rover franco-allemand : Idefix
Le rover Idefix pourrait devenir le premier à effectuer une conduite sur roues sur un corps à très faible gravité. Auparavant, seuls les petits atterrisseurs sauteurs, comme les MINERVA déployées par la JAXA lors de la mission d’échantillonnage Hayabusa-2 en 2018, assuraient la mobilité sur des corps à faible teneur en g comme les astéroïdes.
La gravité sur le Phobos est environ 2 000 fois inférieure à celle de la Terre. Sur Phobos, le rover Idefix de 25 kg sur Terre pèsera environ ce que pèsent 12 grammes sur Terre.
Le rover franco-allemand MMX a été conçu et construit sous la direction conjointe du CNES et du DLR, l’agence spatiale allemande. Le DLR est notamment responsable du développement du train d’atterrissage du rover, y compris de la carrosserie légère, ainsi que de l’ensemble du système de redressement et de locomotion.
Le CNES apporte des contributions significatives avec des systèmes de caméras pour l’orientation spatiale et l’exploration en surface, ainsi que pour l’étude des propriétés mécaniques des sols. Le CNES a également développé le module de service central du rover, comprenant l’ordinateur de bord et le système d’alimentation et de communication.
Fortes de leur expérience avec l’atterrisseur Philae de la mission Rosetta qui a rebondi sur la comète, les 2 agences spatiales ont prévu des cas non nominaux.
MMX devrait libérer Idefix à une altitude de 40 mètres, de sorte que le rover impactera la surface à une vitesse de fuite de 1 mètre par seconde de sorte qu’Idefix ne rebondisse pas dans l’espace. Après une descente très douce, le rover devrait rebondir pendant environ 15 minutes, parcourant quelques dizaines de mètres avant de s’immobiliser.
Au cas où Idefix ne se stabiliserait pas, l’équipe du CNES a développé un mécanisme de redressement universel. En installant les roues à l’extrémité des bras extensibles, chacun monté sur des “épaulements” électriquement rotatifs à 360 degrés qui peuvent faire pivoter les jambes de chaque côté du châssis du rover, il est toujours possible pour le rover de se réorienter.
Si Idefix survit, il passera environ 100 jours à explorer Phobos et aider les équipes de la mission pour déterminer le lieu d’atterrissage de MMX.
Après le lancement de la mission MMX, le rover sera exploité par les centres de contrôle du CNES à Toulouse (France) et du DLR à Cologne (Allemagne).
[Détails à venir sur Idefix et les contributions françaises dans un autre article]
Les phases de la mission et les difficultés techniques
Phobos comme objectif principal ne sera pas facile. Les trois tentatives de la Russie, Phobos-1 et Phobos-2 en 1988 et Phobos-Grunt en 2011, se sont toutes soldées par un échec. La principale différence de MMX par rapport aux missions Hayabusa et Hayabusa-2 précédentes est que, contrairement aux astéroïdes qui existent dans l’espace interplanétaire en tant qu’objets autonomes, les lunes martiennes orbitent autour de Mars, sous l’influence de la gravité martienne. Par conséquent, pour observer les lunes martiennes, la sonde doit orbiter autour de Mars de la même manière que les lunes martiennes.
Phobos et Deimos, mesurent plus de 10 km de diamètre. Par conséquent, lors d’observations rapprochées de Phobos, il est nécessaire de placer la sonde sur une orbite contournant Phobos pour obtenir une force centrifuge afin de contrer la force gravitationnelle et, par conséquent, elle ne peut pas facilement planer ou rester dans une position d’origine, comme l’ont fait Hayabusa et Hayabusa-2. Ainsi, des observations rapprochées des lunes martiennes nécessitent de prendre en compte les effets gravitationnels de Mars et des lunes martiennes, ce qui est extrêmement différent des observations de petits astéroïdes.
MMX a décollé ce lundi 19 octobre depuis le Tanegashima Space Center à 19h41 UTC à bord du lanceur H3-24L, la version la plus puissante du lanceur H3 de la JAXA.
Après une croisière d’un an, MMX atteindra Mars et abandonnera son module de propulsion. Le module d’exploration se déplacera ensuite vers une orbite quasi-satellite particulière autour de Phobos en septembre 2027.
Elle effectuera des observations scientifiques de Phobos à basse altitude et sélectionnera des sites de collecte d’échantillons.
Le rover IDEFIX sera le premier à se poser sur Phobos en décembre 2028. Il mesurera les propriétés et l’environnement de la surface et contribuera à la sécurité de l’atterrissage de la sonde.
Début 2029, la sonde atterrira en douceur à la surface de Phobos, collectera des échantillons. Deux atterrissages sont prévus. À l’aide d’un équipement d’échantillonnage avancé avec manipulateur et carottier (coring), elle vise à collecter plus de 10 g d’échantillon à une profondeur d’au moins 2 cm (Hayabusa-2 visait 0,1 g et est parvenue à en recueillir 5,4 g).
Dans la phase finale du séjour dans la sphère martienne, la sonde MMX réalisera des observations en survol de Déimos, la seconde lune de Mars.
Fin 2030, le moteur principal de MMX est allumé pour échapper à la sphère martienne en une seule fois pour le retour sur Terre. Juillet 2031, la capsule séparée sera récupérée en Australie. C’est le dernier grand défi de la mission.
Avec les difficultés d’arrivée sur Mars puis en orbite, la gravité à peine présente de Phobos, son terrain incertain et les dangers de l’extraction d’échantillons, MMX est la mission la plus ambitieuse et la plus périlleuse que la JAXA ait jamais tentée.
Et je ne manquerai pas de vous en parler sur sur site dès que possible !
Pour compléter :
Sources principales : site Jaxa, publication « The Importance of Phobos Sample Return for Understanding the Mars-Moon System« ,
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