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Mission Mars Science Laboratory

L’exploration de Mars par Curiosity est le déroulement de la mission du rover de Mars Science Laboratory développé par la NASA sur la planète Mars après son atterrissage dans le cratère Gale le 6 août 2012. Le véhicule dispose de 75 kg d’équipements scientifiques et a pour objectif de déterminer si l’environnement martien a dans le passé permis l’apparition de la vie.

    

La mission se décompose en trois phases :

Elle commence par une phase d’approche qui dure deux ans (août 2012 - septembre 2014), au cours de laquelle le rover parcourt 9 km et effectue des études géologiques lors de quatre arrêts prolongés : Yellowknife Bay, Darwin, Cooperstown et Kimberley.

Lors de la deuxième phase, qui dure deux ans et demi (septembre 2014 - avril 2017), Curiosity parcourt 7 km. Il est progressivement dirigé vers les Bagnold Dunes, un long couloir d’épaisses dunes sableuses qui le sépare du Mont Sharp; plus exactement vers l’endroit le plus étroit de ce couloir et a priori franchissable. De nouveaux arrêts prolongés sont organisés : Parhump Hills, les premières Bagnold dunes (notamment, en décembre 2015, la spectaculaire Namib Dune, de 4 mètres de haut), le plateau Naukluft, les Murray Buttes... jusqu’à ce fameux passage étroit, où le sable ne recouvre que superficiellement le sol, ce qui permet à Curiosity d’amorcer la troisième et dernière phase de sa mission.

Fin avril 2017 débute la phase décisive : Curiosity quitte les Bagnold dunes et amorce l’ascension du Mont Sharp. Le conduire à son sommet (situé à 5 km de là) lui permettrait d’avoir une vue d’ensemble du cratère Gale, qui mesure 150 km de diamètre et au centre duquel il se situe. Mais l’objectif premier se situe au pied de la montagne, dans la partie inférieure d’une vallée alluvionnaire, susceptible d’apporter le plus d’informations sur le passé du site.

Ayant parcouru 16,65 km le 9 juin 2017 (sol 1721), Curiosity est en bon état, malgré des roues superficiellement endommagées sur des terrains accidentés et qui contraignent parfois les techniciens du JPL à modifier le trajet initialement prévu.

    

La mission Mars Science Laboratory

Curiosity est l’astromobile (rover) de la mission Mars Science Laboratory (MSL) dont l’objectif est l’exploration de la planète Mars. Le site d’atterrissage, sur lequel la sonde spatiale s’est posée le 6 août 2012 se situe dans le cratère Gale. Celui-ci présente dans un périmètre restreint donc compatible avec l’autonomie du rover, des formations reflétant les principales périodes géologiques de la planète dont celle — le Noachien — qui aurait pu permettre l’apparition d’organismes vivants. Les objectifs du rover sont de rechercher si un environnement favorable à l’apparition de la vie a existé, analyser la composition minéralogique, étudier la géologie de la zone explorée et collecter des données sur la météorologie et les radiations qui atteignent le sol de la planète. La durée initiale de la mission est d’une année martienne soit environ 669 sols (jours solaires martiens) ou 687 jours (solaires) terrestres.

     

Le rover Curiosity

Le rover Curiosity est cinq fois plus lourd que ses prédécesseurs, les Mars Exploration Rovers (MER), ce qui lui permet d’emporter 75 kg de matériel scientifique, dont deux mini-laboratoires permettant d’analyser les composants organiques et minéraux ainsi qu’un système d’identification à distance de la composition des roches reposant sur l’action d’un laser. Les laboratoires embarqués sont alimentés par un système sophistiqué de prélèvement et de conditionnement d’échantillons comprenant une foreuse. Pour répondre aux besoins accrus d’énergie et s’affranchir des contraintes de l’hiver martien et des périodes nocturnes, le rover utilise un générateur thermoélectrique à radioisotope qui remplace les panneaux solaires mis en œuvre par les précédentes missions. Enfin, il bénéficie de logiciels évolués pour naviguer sur le sol martien et exécuter les tâches complexes qui l’attendent. Le rover est conçu pour parcourir 20 km et peut gravir des pentes de 45°.

    

Les activités du rover

Les contraintes énumérées ci-dessus imposent un rythme plutôt lent des activités. Les éléments transmis la veille par le rover contribuent parfois à fixer l’objectif principal de la journée - transit entre deux sites, reconnaissance, approche d’une cible, étude in situ, analyse d’un échantillon dans le mini-laboratoire - mais surtout permettent de finaliser le détail des tâches à enchaîner.

    

Déplacement entre deux sites à étudier

Le rover consacre un nombre de jours important à se déplacer pour aller d’un site sélectionné par l’équipe scientifique au site suivant. Selon le scénario élaboré par l’équipe projet, la distance moyenne entre deux sites étudiés en profondeur par le rover est de 1,5 km. Pour se rendre sur un site, le rover se déplace à une vitesse moyenne estimée à 50 mètres par sol (jour martien). Cette distance dépend de la nature des terrains rencontrés. Durant les journées consacrées au déplacement, le rover commence par examiner les roches avoisinantes avec l’instrument CHEMCAM puis prend des images en relief de certains échantillons avec la caméra microscope MAHLI ce qui nécessite de déployer le bras du rover et donc d’avoir pris des images la veille avec les caméras de navigation pour s’assurer qu’il n’y a aucun obstacle sur la trajectoire du bras. Puis des panoramas sont réalisés avec les caméras de navigation et les caméras MASTCAM. Le reste de la période d’activité est consacrée au déplacement.

    

Reconnaissance d’un site

L’activité de reconnaissance d’un site sélectionné est une journée consacrée à des tâches de préparation. L’objectif est d’obtenir des informations qui permettent à l’équipe scientifique de planifier les prochaines étapes. Le rover examine avec CHEMCAM des cibles désignées puis après déploiement du rover prend des images en relief avec la caméra microscope MAHLI ce qui nécessite de déployer le bras du rover et donc d’avoir pris des images la veille avec les caméras de navigation pour s’assurer qu’il n’y a aucun obstacle sur la trajectoire du bras. Puis des panoramas sont réalisés avec les caméras de navigation et les caméras MASTCAM. L’instrument APXS est déployé et analyse durant toute la nuit un échantillon.

     

Positionnement près d’un échantillon de sol

Durant une journée consacrée au positionnement près d’un échantillon du sol ou d’une roche, le rover se déplace de manière à ce que son bras soit, à l’issue de la journée, en position d’appliquer un outil ou instrument scientifique sur cette cible. Celle-ci doit avoir été identifiée la veille et se trouver à moins de 10 mètres du rover. Celui-ci démarre la journée en utilisant successivement ChemCam, APXS durant un laps de temps bref et MAHLI pour une image tridimensionnelle avant de se mettre en mouvement. À l’issue de son déplacement, les caméras de navigation et MASTCAM prennent des images qui sont transmises à Terre. L’instrument DAN effectue des mesures actives durant le déplacement et sur la position finale.

    

Étude d’un échantillon au contact

Une journée d’analyse d’une échantillon de sol ou de roche au contact consiste à effectuer des observations avec les instruments du bras sur la cible du rover (APSX et MAHLI) qui doit être à portée depuis la veille. La roche est ensuite brossée pour être débarrassée de la couche superficielle puis des mesures sont de nouveau effectuées avec les instruments scientifiques du bras mais cette fois avec un temps de pose plus long d’APXS. Chemcam et Mastcam prennent des images du spectre électromagnétique pour préciser le contexte dans lequel se situe la cible tandis que les caméras de navigation documentent ces activités.

    

Collecte et analyse d’un échantillon du sol

Une journée consacrée à l’analyse d’un échantillon du sol regroupe l’ensemble des tâches aboutissant à l’insertion de cet échantillon dans les mini laboratoires du rover CheMin et SAM. Pour éviter une contamination d’une analyse par l’analyse précédente, un premier échantillon est prélevé sur une roche proche de la cible par la foreuse et conditionné. L’échantillon qu’on souhaite effectivement analyser est ensuite à son tour prélevé, conditionné puis mis à disposition des instruments CheMin et SAM. La partie de l’échantillon qui n’est pas utilisée est déversée sur le plateau d’observation situé sur l’avant du rover et examinée par les instruments MAHLI et APXS. Cette activité se prolonge durant 3 à 5 jours pour disposer d’une quantité d’énergie suffisante pour les équipements scientifiques et compte tenu du volume de données scientifiques à transférer et du temps nécessaire aux analyses.

   

Habitabilité de l’environnement de Mars au Noachien/Hespérien

     

Un environnement fluvio-lacustre : le site de Yellowknife Bay

Dans la petite dépression baptisée « Yellowknife Bay » située à environ 500 mètres du site d’atterrissage, les instruments de Curiosity ont permis de découvrir des dépôts fluvio-lacustres :

Les analyses des instruments de Curiosity ont mis en évidence des dépôts sédimentaires constitués de grains très fins dont les caractéristiques permettent de déduire qu’ils ont été déposés au fond d’un lac. L’analyse de ces grains montrent que les eaux de ce lac avaient un pH neutre, une faible salinité et qu’on y trouvait plusieurs niveaux d’oxydation du soufre et du fer. Les instruments ont détecté la présence de carbone, d’hydrogène, d’oxygène, de soufre, d’azote et de phosphore. Cette composition démontre la présence d’un environnement viable sur le plan biologique qui a persisté sur une durée d’au moins quelques centaines d’années et jusqu’à plusieurs dizaines de milliers d’années durant la période post-Noachienne (il y a moins de 4 milliards d’années).

Les sédiments analysés proviennent de l’érosion de roches magmatiques présentes sur les remparts du cratère Gale et dont la composition reflète celle de la croûte de Mars. Les sédiments se sont formés en plusieurs étapes dans des conditions très différentes. La couche située à la base sont faiblement altérés ce qui implique un dépôt rapide dans des conditions arides sans doute froides. Les matériaux argileux et la magnétite détectés en leur sein ne sont pas d’origine mais se sont diffusés après dépôt par circulation de fluides de pH presque neutre. Au cours d’une deuxième période, les sédiments ont été modifiés donnant naissance à des nodules, des rides en relief, des veines plus claires en déposant des sulfates de calcium, du magnésium et du chlore.

    

Le paradoxe des sédiments de composition basaltique

En date d’octobre 2014 toutes les roches examinées sur le site d’atterrissage par les instruments de Curiosity sont de type sédimentaire c’est-à-dire qu’elles résultent de l’action de l’eau et de l’érosion éolienne (action du vent). Jake Matijevic était la seule roche considérée au moment de sa découverte comme d’origine magmatique (un basalte), mais une observation plus poussée réalisée par le responsable scientifique de l’instrument MAHLI, a conclu récemment qu’il s’agissait en fait d’un grès grossier c’est-à-dire une roche sédimentaire (toutefois cette conclusion ne fait pas l’unanimité). Ces sédiments se sont formés en partie sous l’action de l’eau courante comme à Yellowknife Bay ou de processus éoliens comme à Shaler. Des strates sédimentaires bien marquées ont été observées par exemple à Kimberley. Nombre de ces roches, que ce soient des grès fins ou grossiers ou des mudstones, comportent des fractures remplies de minéraux riches en eau.

La composition minérale de ces sédiments laisse toutefois les géologues perplexes. En effet ces roches sédimentaires sont constitués de minéraux d’origine basaltique. Or ce type de minéral sur Terre est transformé rapidement (à l’échelle géologique) par les processus de météorisation physico-chimique déclenchés par la présence d’eau. La structure cristalline de l’olivine, du pyroxène et du plagioclase, qui forment le basalte, est modifiée par l’oxydation qui réduit les proportions de fer, magnésium et calcium contenus à l’origine et au contraire accroit les proportions de silicium et d’aluminium aboutissant à la formation d’argiles. Aussi sur Terre les roches sédimentaires à base de basalte sont rares. Ce processus n’est pas observé sur les roches étudiées par les instruments de Curiosity. Celles-ci sont riches en fer et en magnésium et pauvres en aluminium et en silicium. Elles sont par ailleurs plus riches en potassium que ne le sont normalement les basaltes. L’explication la plus logique est que les roches sédimentaires se sont constituées en deux temps. La fragmentation du basalte s’est réalisée de manière mécanique sans intervention de l’eau. Il y a eu par la suite un épisode aqueux extrêmement bref qui n’a pas permis la dégradation du basalte et au cours duquel les couches sédimentaires se sont formées. Cette interprétation renforce le scénario d’une planète Mars sèche, même dans les premières phases géologiques, et donc peu propice à l’apparition de la vie sous quelque forme que ce soit.

     

L’atmosphère martienne

Les mesures effectuées par l’instrument SAM ont permis d’affiner nos connaissances sur la composition de l’atmosphère de MARS. Ces mesures ont été réalisées en octobre 2012 au début du printemps martien près de l’équateur.

     

Échappement de l’atmosphère

Les mesures des instruments de Curiosity beaucoup plus précises que celles réalisées par les missions précédentes ont permis de confirmer le scénario d’un échappement de l’atmosphère originelle dans l’espace. Ainsi, selon les mesures de l’instrument SAM, l’isotope 36Argon est quatre fois plus fréquent que Argon alors que le rapport est beaucoup plus élevé à l’origine si on s’en réfère à la composition du Soleil ou de Jupiter.

    

Origine de l’eau et de l’hydrogène observés

Au cours des missions précédentes des réservoirs d’eau ont été observés à de nombreux endroits de la surface de la planète. Les observations effectuées avec les instruments ChemCam ont démontré que le sol martien est constitué en partie de grains riches en fer et magnésium hydratés. L’eau ainsi stockée pourrait constituer une grande partie de l’eau stockée en surface.

     

Conditions atmosphériques présentes

L’instrument REMS effectue des mesures en continu de la température, de l’humidité. Dans les relevés ci-dessous correspondant à la période comprise entre mi-août 2012 et février 2013 soit durant une saison martienne allant de la fin de l’hiver à la fin du printemps, les capteurs indiquent une température pratiquement constante avec un minimum quotidien à −70 °C et un maximum à 0 °C. L’augmentation de pression moyenne visible dans le deuxième schéma qui passe de 0,75 à 0,9% de la pression terrestre est la conséquence de l’évaporation du dioxyde de carbone gelé au pôle sud du fait d’un ensoleillement croissant. Le troisième schéma présente le taux d’humidité très bas qui varie de manière sensible en fonction de la zone où se situe le rover.

     

Rayonnement ionisant à la surface de Mars

Comparaison des doses reçues durant une mission habitée vers Mars et des doses reçues sur Terre et en orbite basse (données de Mars fournies par MSL/Curiosity).

L’instrument RAD de Curiosity a mesuré le rayonnement cosmique reçu durant le transit entre la Terre et Mars et lors du séjour sur Mars sur une période d’environ 300 jours. Ces mesures avaient deux objectifs : déterminer les conditions nécessaires pour que des microorganismes survivent sur Mars compte tenu du rayonnement existant et déterminer le niveau de risque pour une mission spatiale habitée vers Mars. RAD a mesuré les deux sources de rayonnement ionisant : celui d’origine solaire qui fluctue en fonction d’un cycle de 11 ans avec des éruptions solaires qui peuvent être violentes et celui d’origine galactique beaucoup plus énergétique. La période durant laquelle les mesures ont été effectuées correspond au pic du cycle de 11 ans de l’activité solaire. Toutefois le pic de ce cycle (le cycle 24) est particulièrement peu accentué.

La surface de la planète est beaucoup moins bien protégée du rayonnement cosmique que celle de la Terre car Mars n’a pas de champ magnétique pour repousser les particules ionisantes et son atmosphère, beaucoup plus ténue, représente moins de 1% de celle de la Terre. Le rayonnement d’origine galactique est constitué de particules (ions, électrons) ayant une énergie comprise entre 10 mégaélectron-volt et plus de 10 gigaélectron-volt qui peuvent pénétrer de plusieurs mètres dans le sol martien tandis que les particules d’origine solaire dont l’énergie est inférieure à 150 MeV sont généralement bloquées par la surface. Sauf épisode solaire violent le rayonnement solaire perd même l’essentiel de son énergie en traversant l’atmosphère martienne qui représente une colonne de gaz de 20 g/cm2.

Les mesures effectuées indiquent à la surface de Mars une dose de rayonnement d’origine galactique de 210 ± 40  microgray par jour avec des variations découlant de la saison et du cycle jour/nuit. Dans l’espace, durant le transit entre la Terre et Mars, le rayonnement est beaucoup plus intense (480 ± 8 microgray) car le vaisseau n’est protégé ni par le sol de la planète, qui bloque plus de 50% des particules, ni par l’atmosphère. Le rayonnement d’origine solaire mesuré à la surface durant les pics d’activité représente environ 50 micrograys. D’après ces données, les astronautes d’une mission habitée vers Mars respectant le scénario de référence de la NASA (transit de 180 jours et séjour de 500 jours) subiraient une dose équivalente (pondérée en fonction de l’énergie des particules) totale d’environ 1,01 Sievert, dont 320 millisieverts durant leur séjour sur Mars et deux fois 331 millisieverts durant les voyages aller et retour. À titre de référence la dose annuelle moyenne de rayonnement naturel reçue à la surface de la Terre est de 2,5 millisieverts.

     

Un paysage façonné par les lacs et les rivières

Depuis le début de la mission, les caméras du rover montrent des vestiges de petits cours d’eau qui viennent accumuler du sable et de l’argile au pied du mont Sharp en formant des deltas. Après avoir observé des centaines de couches superposées à la base du mont, les scientifiques émettent l’hypothèse que le mont était occupé autrefois par un lac de grande taille progressivement comblé par les sédiments déposés par les cours d’eau. Le processus se serait déroulé sur des dizaines de millions d’années. La présence de ce lac indique que Mars a été suffisamment chaude pour maintenir de l’eau liquide sur de longues périodes sans qu’on puisse expliquer les mécanismes météorologiques qui auraient pu le permettre.

    

WIKIPÉDIA, août 2017.