Mars Exploration Rover - Définition

Mars Exploration Rover (MER) est une mission spatiale initiée par les États-Unis et confiée à la NASA sur la planète Mars.

Elle a pour but une exploration géologique de la planète Mars à la recherche d’une présence ancienne et prolongée d’eau, qui aurait permis l’apparition de traces de vie, grâce à deux sondes automatiques lancées depuis Cap Canaveral par une fusée Delta II :

• MER-A, le robot Spirit lancé le 10 juin 2003, s’est posé le 3 janvier 2004 dans le cratère Gusev, une dépression de 170 km de diamètre qui a peut-être accueilli un lac.
• MER-B, le robot Opportunity lancé le 8 juillet 2003, s’est posé le 24 janvier 2004 sur Meridiani Planum.

Cet article utilise trois conventions de langage :

• Le terme de rover, consacré par l’usage, est employé à la place du mot astromobile.
• Les agents de la NASA ont adopté par convention le genre féminin pour les rovers Spirit et Opportunity.
• La durée des missions des rovers est exprimée en nombre de " sols ", qui représentent le nombre de jours martiens écoulés depuis l’arrivée de chaque robot sur Mars. Un sol correspond à 24h 39min.

Communication publique de la NASA sur la mission Mars Exploration Rover

Origine des noms des rovers

La façon de procéder au choix des noms des rovers montre une tentative de la NASA pour attirer l’attention du public américain sur l’exploration spatiale en la rattachant aux mythes fondateurs des USA, et en essayant de cibler en particulier la jeunesse.

Les noms de Spirit et Opportunity ont été retenus à l’issue d’un concours organisé par la société Lego avec la collaboration de la Planetary Society à la demande de la NASA. La lauréate fut une petite fille de 9 ans, Sofi Collis, née en Sibérie, et adoptée par une famille américaine vivant en Arizona. Elle rédigea le poème suivant :

I used to live in an Orphanage.
It was dark and cold and lonely.
At night, I looked up at the sparkly sky and felt better.
I dreamed I could fly there.
In America, I can make all my dreams come true…
Thank-you for the " Spirit " and the " Opportunity "

Ces noms ont été adoptés en référence à la légende de la Conquête de l’Ouest, désignée comme the land of opportunity pour les colons dotés du pioneering spirit.

Opération " Envoyez votre nom sur Mars "

L'opération " Send Your Name to Mars " a permis à la NASA de collecter 4 millions de noms qui ont été inscrits sur un DVD fixé avec 3 briques Lego à la surface de chacune des plates-formes d'atterrissage des rovers.

Le DVD montre en son centre un personnage (Astrobot), toujours de la société Lego, destiné à inciter les plus jeunes à suivre le déroulement de la mission par l’intermédiaire d’un journal sur le web.

Le bord du DVD affiche également un message codé dont le déchiffrage est proposé au public.

Ces disques numériques ont été fabriqués en verre. La NASA a retenu comme fournisseur la société Plasmon OMS, une PME de Normandie.

Ce DVD porte aussi des aimants destinés à collecter de la poussière martienne en vue d’études spectroscopiques.

Astéroïdes baptisés des noms des rovers

En hommage aux rovers explorant la planète Mars, les noms de Spirit et Opportunity ont été attribués respectivement à l’astéroïde 37452 et à l’astéroïde 39382. Ceux-ci ont été découverts le 24 septembre 1960 par Ingrid van Houten-Groeneveld, Cees J. van Houten, et Tom Gehrels, avec les télescopes de l’observatoire du Mont Palomar du Caltech.

L’astéroïde (37452) Spirit a un diamètre de 4 à 9 kilomètres, et l’astéroïde (39382) Opportunity a un diamètre de 3 à 7 kilomètres. Ingrid van Houten-Groeneveld, qui vit aux Pays-Bas, a proposé ces noms récemment après que ces astéroïdes se furent vus assignés un matricule officiel en 2002.

Les deux astéroïdes accomplissent leurs orbites en 7,9 ans autour du soleil entre Mars et Jupiter. Ni l’un, ni l’autre ne suivent un chemin qui croise l’orbite d’autres planètes. Ils appartiennent à un petit groupe d’astéroïdes connus sous le nom de groupe de Hilda, qui ont une résonance d’orbitale de 3:2 avec Jupiter. Ceci signifie que chaque fois que Jupiter accomplit deux orbites autour du soleil, les astéroïdes en accomplissent trois.

Autres opérations de communication

D’autres actions de communication ont été réalisées par la NASA, comme un concours de dessins sur le thème de l’exploration de Mars, ou l’utilisation de personnages de dessins animés pour symboliser les rovers. Mais l’opération la plus significative est un énorme effort de mise à disposition d’informations sur Internet, notamment en diffusant des images brutes filmées par les caméras des rovers.

Équipements et structure

Structure de l’engin spatial

Chacun des engins spatiaux jumeaux qui composent la mission MER comporte :

• un étage de croisière de 2,25 m de diamètre, équipé de panneaux solaires de 4,4 m², de deux antennes de faible et moyen gain pour communiquer avec la Terre, de moteurs de correction de trajectoire à l’hydrazine, de deux senseurs solaire et stellaire pour la navigation.

• un bouclier de protection arrière avec des rétrofusées et un parachute.

• un ensemble composé par le rover, le module d’atterrissage tétraédrique, et les airbags.

• un bouclier de protection thermique.

L’ensemble de l’engin spatial est stabilisé grâce à une rotation de deux tours par minute.

Les composants de chacun des engins spatiaux ont le poids suivant :

• Rover - 174 kg,
• Module d’atterrissage - 348 kg,
• Bouclier de protection arrière et parachute - 209 kg,
• Bouclier de protection thermique - 78 kg,
• Étage de croisière - 193 kg,
• Carburant - 50 kg.

Le poids total est de 1 063 kg.

Structure des rovers

Jumeaux, les deux rovers ont une hauteur de 1,5 m, une largeur de 2,3 m, une longueur de 1,6 m et un poids de 185 kg. Chaque rover comporte :

• une cellule centrale triangulaire, qui abrite l’ordinateur de bord et ses batteries, et les maintient à une température contrôlée (entre -40° et +40°),

• 6 roues équipées chacune d’un moteur individuel, et d’un moteur de direction pour les 4 roues de devant et de derrière, ce qui permet au rover de faire des tours de 360° sur lui-même.

• un système de mobilité pour circuler sur terrain rocheux, reliant les roues à la cellule centrale,

• des panneaux solaires pouvant fournir jusqu’à 140 watts d’énergie électrique, capables de se dresser à la verticale pour tenter de faire glisser la poussière martienne accumulée,

• 2 batteries rechargeables,

• un bras robotisé (IDD) porteur de l’outil d’abrasion des roches (RAT), de 2 spectromètres (Mössbauer et APXR) et d’une caméra microscope.

• 3 antennes radios, à grand gain, à faible gain et UHF,

• un ordinateur (voir ci-après),

• un système de contrôle et de maintien de la température des organes internes : thermomètres, thermostats, radiateurs, système d’évacuation de la chaleur, peinture dorée, isolant (aérogel). La température doit être suffisamment élevée et constante pour garantir le bon fonctionnement des circuits électriques et des batteries. Ces derniers ont donc été placés dans une boîte isolée (Warm Electronics Box ou WEB), qui est réchauffée par huit cellules chauffantes (Radio-isotope Heater Units ou RHU). La chaleur est produite dans chaque cellule par 2,7 grammes de dioxyde de plutonium.

• un mât portant des instruments de navigation et scientifiques : une caméra panoramique, deux caméras de navigation, et un spectromètre thermique.

• 6 caméras de navigation et 3 caméras scientifiques (voir ci-dessous).

Équipements de communication d’un rover

La mission Mars Pathfinder employait un petit robot, Sojourner, qui restait dépendant de son module d’atterrissage, car celui-ci était le support des équipements de communication avec la terre.

Dans la mission MER, au contraire, les rovers sont indépendants de l’atterrisseur qui est abandonné lorsque le robot se met en route. En effet, chaque rover est équipé avec 3 antennes pour communiquer avec la Terre :

• une antenne grand gain (HGA), parabolique, portant à son verso un mémorial (voir ci-dessous), et qui permet de communiquer directement avec la Terre dans la bande X. Cette antenne est pilotable pour l’orienter vers la Terre. Son débit est de 11 Kbit/s pendant 3 heures par jour au maximum.

• une antenne faible gain omnidirectionnelle (LGA), pour communiquer directement avec la Terre, à un faible débit de 7 à 10 bits/s dans la bande X.

• une antenne UHF omnidirectionnelle, pour communiquer avec les orbiteurs américains Mars Global Surveyor et Mars Odyssey, et avec l’orbiteur européen Mars Express, s’ils sont à la verticale du robot. Son débit est de 128 Kbit/s, pendant une ou deux sessions de quelques minutes par jour.

Caméras de navigation et d’observation scientifique

Les rovers comportent 9 caméras destinées d’une part à la navigation et d’autre part aux études scientifiques :

• 2 paires de caméras monochromes, permettant d’obtenir des images en relief, destinées à détecter les obstacles sur le parcours de l’appareil :
  • une paire située à l’avant du rover (Front Hazcam), qui sert également à observer le bras robotisé,
  • une paire à l’arrière du rover (Rear Hazcam).

• une paire de caméras panoramiques (PanCam) de haute résolution, fixées au sommet du mat vertical porteur d’instruments. Chacun de ces instruments est équipé d’un capteur CDD de 1024 pixels sur 1024 pixels. Ce dispositif permet de faire des images en relief, et de repérer les roches et les sols intéressants pour une analyse ultérieure par les autres appareils de mesure. La PanCam est équipée de :
  • 8 filtres montés sur une roue permettant des captures d’images à des longueurs d’onde de 0,4 à 1,1 micromètres.
  • 2 filtres solaires pour mesurer l’absorption des rayons solaires par les poussières dans l’atmosphère de Mars.
  • des filtres permettant la vision infrarouge pour l'œil droit de la Pancam.
  • des filtres dans la lumière visible pour l'œil gauche de la caméra.

• une paire de caméras grand angle (Navigation Camera ou NavCam), de faible résolution, destinées à la navigation,

• une caméra microscope (Microscopic Imager), placée sur le bras robotisé, permettant d’obtenir des gros plans d’une résolution de 20 à 40 micromètres par pixel. Pour la mise au point, la distance entre le microscope et la surface photographiée est mesurée à l’aide d’une petite tige métallique.

Spectromètres et autres instruments d’observation

Chaque robot transporte également 3 spectromètres :

• un spectromètre infrarouge miniature d’émission thermique (Mini-TES), pour étudier la composition minéralogiques des roches et des sols, en mesurant le rayonnement naturel infrarouge émis par ces objets. Cet appareil est fixé sur le mât de chaque rover, à côté de la caméra panoramique.

• un spectromètre Alpha Particle Rayons X (APXS), développé par l’Institut Max-Planck de chimie de Mayence en Allemagne, employé pour des analyses rapprochées de l’abondance des éléments constitutifs des roches et du sol. Les sources radioactives de Curium 244 de cet appareil bombardent de particules alpha et de rayons X le substrat à étudier. Ensuite, il analyse soit les rayons X émis par les éléments les plus lourds, soit les particules alpha réfléchies par les éléments les plus légers (carbone, oxygène, azote mais pas hydrogène et hélium). Cet instrument est fixé au bout du bras robotisé.^[1]

• un spectromètre Mössbauer MIMOS II, élaboré par le Dr Göstar Klingelhöfer de l’université Johannes Gutenberg de Mayence, en Allemagne, employé pour l’examen rapproché de la minéralogie des roches et des sols. Cet appareil utilise un rayon gamma pour mesurer la présence de minéraux riches en fer et leur état d’oxydation. Il est placé au bout du bras robotisé.^[2]

A noter également :

• un outil d’abrasion des roches (RAT), qui permet d’enlever la poussière et la surface des roches à étudier sur un diamètre de 4,5 cm, et une profondeur de 5 mm, grâce à une meule constituée d’éclats de diamants fixés sur une résine solide. Cet instrument permet d’étudier les roches en évitant les biais liés à la poussière ou à une altération de surface. Il est disposé au bout du bras robotisé. L’image ci-contre montre une vue en gros plan prise par la caméra microscope du robot Spirit, d’une zone abrasée par l’outil RAT du rocher Mazatzal, le jour Sol 82 de la mission MER A sur Mars.

• 7 aimants destinés à piéger les particules magnétiques, et à les étudier à l’aide de la caméra panoramique, de la caméra microscope, et des spectromètres Mössbauer et APXS. Le dispositif de capture magnétique est constitué d’un cylindre central et de trois anneaux, ayant chacun une orientation magnétique alternée. L’ensemble constitue un cylindre de 4,5 cm de diamètre. Les poussières s’accumulent au fil du temps, au fil des captures des particules en suspension dans l’air martien, qui est très riche en poussières. Comme les différents aimants ont des puissances différentes, les plus faibles ne capturent que les particules plus magnétiques, alors que les plus forts les capturent presque tous. En revanche, il ne sera pas possible de savoir quelle est l’origine précise d’un ensemble donné de poussières.

Équipement informatique et système d’exploitation

L’équipement informatique des deux rovers est le suivant :

• Microprocesseur : un RAD6000, qui est un processeur RISC 32 bits construit par la firme Lorad, en fait une adaptation durcie à l’égard des radiations des PowerPC utilisés entre autres dans les Macintosh de la société Apple depuis 1994. Sa vitesse est de 20 millions d’instructions par seconde.

• Mémoire : 128 Mo de DRAM, 256 Mo de mémoire flash et 3 Mo de EEPROM (mémoire non volatile).

• Système d'exploitation : VxWorks, un OS temps réel de la firme Wind River, déjà employé pour les missions Mars Pathfinder et Stardust.

Un voyage de sept mois

Lancement

La fusée Delta II de la firme Boeing a été sélectionnée par la NASA pour effectuer le lancement des deux engins spatiaux MER en raison de sa fiabilité et de sa puissance, en rapport avec la masse à propulser. Cette famille de lanceurs a été mise en service plus de 10 ans avant ce lancement, et elle a été employée pour plus de 90 projets.

Elle a déjà été utilisée pour lancer les 5 précédentes missions de la NASA vers Mars :

• Mars Global Surveyor en 1996,
• Mars Pathfinder en 1996,
• Mars Climate Orbiter en 1998,
• Mars Polar Lander en 1999,
• Mars Odyssey en 2001.

La mission Spirit a utilisé une fusée Delta II 7925 standard, qui a décollé le 10 juin 2003 à 17 h 58 min 47 s UTC. Par contre, la mission Opportunity, qui a été lancée plus tardivement le 7 juillet 2003 à 03 h 18 min 15 s UTC, a nécessité plus d’énergie pour atteindre Mars. Elle a donc été lancée par une fusée Delta II 7925 H, où " H " signifie " Heavy " (lourde).

Le 1er lancement avec la fusée Delta II 7925 a eu lieu dans le complexe spatial 17A (SLC-17A) de la station Cap Canaveral de l’Air Force Station en Floride. Le 2ème lancement avec la fusée Delta II 7925H a été effectué depuis le même site depuis le pas de tir SLC-17B.

Au décollage, la fusée Delta II pèse au total 285 228 kg, dont seulement 1 070 kg pour l’engin spatial.

Les principaux éléments constituant la fusée Delta II sont les suivants :

• Des fusées d’appoint à carburant solide sont employées pour augmenter la puissance de la fusée : 9 au total, dont 6 déclenchées au décollage, et 3 fonctionnant une minute pendant le vol.

• L’étage I est alimenté avec du kérosène et de l’oxygène liquide. Il comporte un moteur Rocketdyne RS-27A, qui développe une poussée de 890 000 Newtons.

• L’étage II utilise un moteur Aerojet AJ10-118K, qui brûle une combinaison d’Aérozine 50 (un carburant fait de 50 % d’hydrazine et 50 % de diméthyl-hydrazine asymétrique) et de tétroxyde d’azote (comburant à base de N₂O₄). L’étage II s’allume à deux reprises : dans la phase finale de la mise sur orbite terrestre, puis pour aligner le reste du lanceur et le vaisseau spatial vers Mars, avec la bonne vitesse et le bon angle de lancement.

• L’étage III comporte un moteur fusée solide, qui fonctionne pendant 90 s pour injecter l’engin spatial sur sa trajectoire vers Mars.

• La coiffe abrite les étages II et III, ainsi que l’engin spatial MER. Il les protège des forces aérodynamiques durant la traversée de l’atmosphère terrestre. La coiffe est larguée à une altitude de 130 km, à la fin de la combustion de l’étage II.

À la suite du décollage, les principales phases du vol sont les suivantes :

• Insertion dans une orbite circulaire " parking " autour de la Terre.

• Insertion de l’engin spatial sur une trajectoire vers Mars.

• Séparation de l’engin spatial et du véhicule de lancement.

• Repérage initial par le Deep Space Network (voir ci-dessous).

• Vérification de l’état de l’engin spatial.

• Exécution d’un ensemble minimum de commandes de post-lancement.

Trajectoire et navigation spatiale

Les sondes effectuent un voyage d’environ six mois et parcourent la distance relativement courte de cinquante-six millions de kilomètres, dû au rapprochement exceptionnel de Mars et de la Terre à la fin de l’année 2003.

Les planètes ne seront plus aussi proches avant l’an 2287. Cependant Mars et la Terre se trouvent relativement proches l’une de l’autre, en moyenne tous les seize ans lorsque les deux planètes sont en opposition périhélique. C’est alors une période propice pour l’envoi de sondes vers Mars.

Le guidage des sondes a nécessité des mesures de très haute précision, prenant en compte un grand nombre de facteurs influençant la trajectoire. Par exemple :

• l’absence de prise en considération de la pression de la radiation solaire, qui amène les panneaux solaires à se conduire comme une voile solaire, aurait entraîné une dérive de 4 km en 10 jours.
• une erreur de 5 cm sur la position des antennes réceptrices entraîne un biais de 500 m près de Mars.

La navigation spatiale a employé la technique du DDOR (Delta Differential One-way Range ou variation différentielle directe de la distance), prononcée Delta Door (porte delta). Celle-ci fait appel au Deep Space Network, qui est un réseau de trois grandes stations de suivi radio des sondes interplanétaires, situées à Goldstone dans le désert Mojave en Californie, près de Madrid en Espagne, et près de Canberra en Australie. Chaque station de suivi comporte au moins 4 antennes qui se caractérisent par leurs très grandes dimensions, de 34 m à 70 m de diamètre.

Deux de ces stations, distantes de 120° à la surface de la terre, ont été utilisées pour suivre simultanément :

• chaque vaisseau lancé vers Mars,
• un quasar situé dans une direction angulaire proche de chaque vaisseau.

La technique DDOR permet de déterminer très précisément la position du vaisseau par parallaxe d’après :

• la position du quasar, qui est connue à quelques milliardièmes de degrés près,
• la position des deux antennes réceptrices, en évaluant la vitesse de rotation de la Terre à 0,2 millisecondes près, ses variations, l’influence de la tectonique des plaques, et même en faisant appel à une modélisation du comportement du noyau de fer liquide de la Terre,
• la distance angulaire entre le signal du quasar et celle du vaisseau.

Atterrissage sur Mars

La phase de l’atterrissage sur Mars a duré 6 minutes, après 6 mois passés dans le vide de l’espace.

Les principales étapes sont les suivantes :

• Traversée de l’atmosphère martienne : la prise de contact s’est faite à plus de 19 000 km/h. La traversée a provoqué une décélération de 7 g, correspondant à un ralentissement de plus de 4 000 km/h par minute. Le bouclier thermique a été porté à une température de 1 500 °C.
• Déploiement du parachute au bout de 4 minutes, à une vitesse de 1 600 km/h et à 10 km au-dessus du sol martien.
• Largage du bouclier thermique, 20 secondes plus tard.
• Sortie de l’atterrisseur depuis le module de descente, 10 secondes plus tard, le long d’un câble de 20 m, à 6 km d’altitude. Ce dispositif permet de placer les airbags hors de portée des rétrofusées, et d’éviter que leur allumage ne les fasse éclater. De plus, ce système pendulaire réduit le risque d’un emballement de l’atterrisseur dans le parachute causé par des turbulences de l’atmosphère martienne.
• À 2 500 m du sol, évaluation de la vitesse de chute par le radar d’approche, pour déterminer la durée de fonctionnement des rétrofusées, ainsi que la vitesse horizontale et de la direction, pour déterminer les fusées à actionner.
• Gonflement des airbags.
• À 200 m du sol, allumage des rétrofusées pour amener la vitesse verticale à zéro.
• À 12 m du sol, coupure du câble et chute de l’atterrisseur pendant 3 secondes.
• Contact avec le sol martien provoquant une décélération de 3 g, avec un amortissement par les airbags, et rebond à 10 m de haut.

• Rebonds pendant une minute, jusqu’à l’immobilisation finale.

Mission sur Mars

Objectifs de durée et de distance, et difficultés rencontrées

Les objectifs fixés aux constructeurs des rovers étaient les suivants :

• durée de fonctionnement de 90 jours à la surface de Mars.
• distance à parcourir de 600 m.

Ces objectifs ont été atteints par le robot Spirit le 5 avril 2004, correspondant au jour Sol 91, depuis son atterrissage sur Mars. Malgré une immobilisation initiale de 2 semaines causée par un problème informatique, et un problème sur l’une de ses roues ralentissant sa progression, le faible taux de problèmes techniques observés laisse espérer que le rover sera actif bien au-delà de sa durée prévue de 90 jours.

Le 3 janvier 2005, l’équipe de la mission a pu fêter le 1er anniversaire de Spirit à la surface de Mars. À cette date, Spirit a cheminé sur plus de 3 000 m à l’intérieur du cratère Gusev. Le robot, toujours en activité comme son frère jumeau Opportunity, a réussi à passer le cap de l’hiver martien. Au total, les deux robots ont pris à cette date plus de 50 000 clichés de Mars.

La principale difficulté pour passer la phase hivernale fut le maintien des ressources en électricité, malgré la baisse de l’intensité des rayons du soleil, et la présence de poussières à la surface des capteurs solaires. L’énergie disponible pour Spirit est ainsi passée de 900 Watt-heure par jour à 400 Wh/j. Opportunity est descendu à 500 Wh/j, mais il est revenu à 900 Wh/j à une vitesse surprenante. Ce retour de la puissance électrique est lié à une situation géographique plus favorable pour l’ensoleillement, mais aussi à un dépoussiérage des panneaux solaires selon un mécanisme mal compris. Le nettoyage des panneaux solaires semble s’être déroulé pendant la nuit martienne, en raison d’une augmentation de 5 % de la puissance disponible à quatre reprises durant les 6 derniers mois. Les hypothèses pour expliquer ce dépoussiérage font appel au vent, au gel, et au fait que Opportunity est resté en position inclinée durant une longue période au cours de son exploration des parois du cratère Endurance.

Spirit a également été confronté à un dysfonctionnement de sa roue avant droite. À partir de juin 2004, celle-ci a présenté une résistance interne accrue, qui a provoqué une consommation d’énergie de plus en plus importante de son moteur. Après voir tenté de redistribuer du lubrifiant vers cette roue, la stratégie adoptée a consisté à faire progresser Spirit en marche arrière, et à n’utiliser le moteur de cette roue qu’en cas de besoin.

Fin octobre 2004, Spirit a rencontré par intermittence des problèmes d’orientation des roues dans la direction voulue. Il semble que cette anomalie soit liée au vérin d’orientation des roues.

En avril 2005, la NASA a constaté que les capteurs du spectromètre APXS ont été intervertis durant l'assemblage des deux robots, sans qu'il y eu interversion des données de calibrage de ces deux appareils. Les données obtenues par les spectromètres ont dû être corrigées pour être recalibrées. Selon la NASA, l'erreur causée par l'inversion serait inférieure aux incertitudes de mesure, et aucune conclusion scientifique n'est remise en cause.

Le 26 avril 2005, alors qu'il progressait en direction du cratère Érébus, Opportunity s'est retrouvé enlisé à 200 m de ce dernier, dans un monticule de sable, avec ses six roues enfouies à 80 % dans un matériau sombre très fin, ayant la consistance du talc et déposé par les vents. Le monticule ne faisait que 30 cm de haut, et il ne présentait pas de particularité par rapport aux autres ondulations parcourant la plaine. Les techniciens du Jet Propulsion Laboratory ont dû manœuvrer durant cinq semaines pour faire reculer Opportunity centimètre après centimètre. Le 4 juin 2005, la roue avant droite (dans le sens du déplacement), a fini par mordre l'assise se trouvant sous la couche de poussière. La progression a pu s'accélérer pour que les autres roues reprennent contact avec un terrain solide et stable, permettant à Opportunity de se dégager.

Programme du robot Spirit

Le module d’atterrissage du robot Spirit s’est posé le 3 janvier 2004 dans le cratère Gusev, une cavité de 145 km de diamètre, située à 15° au sud de l’équateur. Le nom de ce cratère vient de Matvel Gusev, un astronome russe du 19^e siècle. La température à la surface du cratère Gusev varie entre 0° et -100°.

Ce site a été choisi en raison du caractère plat du terrain, mais surtout parce qu’il a pu abriter un ancien lac, relié par la vallée Ma’adim à un lac de vastes dimensions situé plus au sud. Après l’impact d’une météorite de grande taille, il y a plusieurs milliards d’années, le cratère ainsi formé a pu être inondé par de l’eau apportée par la vallée Ma’adim. Les sédiments et les minéraux qui ont pu se former, se seraient accumulés au fond du cratère, avant que l’eau ne s’échappe du cratère ou ne s’évapore.

L’espoir d’étudier d’abondantes traces d’une sédimentation lacustre a été déçu, car Spirit a détecté essentiellement du basalte. Les sédiments lacustres qui existeraient éventuellement dans ce cratère ont apparemment été enterrés sous des laves.

Contrairement au site d’atterrissage d’Opportunity, celui de Spirit ne montrait pas d’affleurement rocheux permettant de conduire des études sur la nature du sous-sol. L’observation a surtout montré des rochers d’origine volcanique et du sable apporté par le vent.

Le rover Spirit a donc été dirigé vers le cratère d'impact Bonneville, de 192 m de diamètre, dans l’espoir que celui-ci serait suffisamment profond pour mettre à jour des affleurements de roches.

En cours de route, Spirit a été stoppé au milieu de la dépression Laguna Hollow afin de creuser le sable avec l’une de ses roues en rotation alors que les autres roues étaient bloquées. L’objectif de la manœuvre était de déterrer une hypothétique croûte dont la présence aurait été l’indice d’une eau stagnante dans le passé. Malheureusement, cet espoir a été déçu.

L’examen du cratère d'impact Bonneville a montré que celui-ci n’était pas assez profond pour laisser apparaître des affleurements rocheux. L’impact n’a pas été suffisant pour que les éjectas proviennent d’une sous couche volcanique. Le rover Spirit a donc été dirigé vers les collines Columbia, à 2,3 km de distance, toujours dans l’espoir de trouver des affleurements rocheux.

Programme du robot Opportunity

L’engin spatial transportant le rover Opportunity s’est posé le 24 janvier 2004 sur Meridiani Planum. Le nom de Meridiani vient de la proximité de cette zone avec le méridien " zéro " de Mars, alors que Planum signifie " plaine ". Ce plateau a été retenu comme site d’atterrissage, en raison de la platitude du terrain, mais aussi parce qu’il avait été repéré comme un des trois secteurs de Mars riches en un minerai appelé l’hématite grise. Or, sur Terre, ce minerai peut se former en présence d’eau liquide, bien qu’il existe d’autres mécanismes de formation. L’objectif de la mission est de chercher des indices d’une formation de l’hématite par voie sédimentaire, ou par des dépôts formés à la suite d’une activité hydrothermale.

La zone d’atterrissage ciblée pour Opportunity était une ellipse de 81,5 km de long et de 11,5 km de large.

Par un coup de chance extraordinaire, l’atterrissage a eu lieu au centre d’un cratère d'impact de 22 m de diamètre, nommé par la suite Eagle, dont les bords présentent des affleurements de roches. Cette disposition des lieux a permis de conduire rapidement des études sur la nature et l’histoire du sous-sol rocheux, et de démontrer l’existence dans le passé d’une mer salée sur ce site.

Les images suivantes montrent des vues significatives du paysage du rover Opportunity au fil des jours.

Le rover Opportunity a ensuite quitté le cratère Eagle, pour se atteindre le cratère Endurance situé à 750 m.

Opportunity, atteint ensuite le cratère Victoria, après une randonnée de plus de 9 kilomètres à travers la pleine Méridienne. Avec ses 800 mètres de diamètre, ce cratère est le plus grand jamais approché par le rover. C'est aussi le plus prometteur, avec ses hautes parois de roches affleurantes qui devraient livrer de nouveaux indices géologiques sur le passé de la planète Rouge.

Polémique sur les images du robot Spirit

Pour certaines personnes, les photos présentées comme prises par le robot Spirit sur Mars, seraient en fait des montages de photos de la terre. En effet, sur certaines présentations le ciel est bleu, sur d’autres, des morceaux du robot qui étaient bleu vif pris en photo sur terre, sont rouges sur les photos de mars.(lien)

Ce genre de rumeurs n'est pas nouveau, ainsi certaines personnes nient que l'Homme ait jamais posé le pied sur la Lune. Mais des observatoires français utilisent régulièrement des réflecteurs à coin au quartz laissés par ces missions pour mesurer au laser la distance Terre-Lune. (lien)

La différence de couleurs des clichés des sondes MER est explicable : il faut savoir que les équipements de photographie numérique embarqués sur les sondes de la NASA et de l’ESA prennent des clichés en niveaux de luminosité au travers de filtres. Les sondes MER sont en partie équipées de plusieurs filtres décalés dans l’infrarouge. Les images finales sont reconstituées par synthèse additive de 3 différents clichés filtrés, pris comme composantes RVB de l’image finale. L’imagerie en fausses couleurs est une technique pour représenter ce qui n’est pas visible ordinairement (généralement un déplacement spectral). La plupart des clichés de télescopes (comme ceux d’Hubble), ou des caméras infrarouges utilisent ce procédé. Si nous voyons ces zones du spectre non visibles, c’est qu’il s’agit par définition de fausses couleurs. [3&4]

La NASA a par ailleurs publié, fin janvier 2004, un article sur la coloration des images des sondes MER. (lien)

Par ailleurs, les cadrans solaires placés sur les rovers portent des carrés de peinture servant à l'étalonnage des couleurs des photographies (voir ci-contre).

Présence prolongée d'eau à la surface de Mars dans le passé

État des connaissances sur l'eau de Mars avant la mission MER

Contrairement aux affirmations de certains médias, les rovers Spirit et Opportunity n'ont pas pour objectif de démontrer l'existence de l'eau sur Mars. En fait, celle-ci a été confirmée dès 1964 par des études spectrales. L’existence actuelle et passée d’eau sur Mars a été confirmée par les observations conduites par les sondes martiennes à partir de Mariner 9.

L’objectif de la mission est de détecter les indices d’une présence passée de l’eau prolongée (et non temporaire), dans des conditions qui auraient permis de favoriser l’apparition de la vie.

Les connaissances actuelles sur l’eau de Mars peuvent être résumées comme suit :

• La présence d’eau liquide à la surface de Mars, dans les conditions actuelles, est impossible en raison de la température (voir le graphique ci-contre), qui est en moyenne de -50° (contre +14° pour la Terre), et de la pression atmosphérique qui est également trop faible (6 hPa contre 1013 hPa sur Terre).

• La présence d’eau sous forme de glace hydrique est possible si la température est suffisamment basse. En effet, pour une température de 0°, dans les conditions de faibles pressions mesurées, la glace se transforme en gaz par sublimation. En revanche, la glace hydrique peut être présente dans le sous-sol et près des pôles.

• L’eau est présente dans l’atmosphère martienne à la teneur très faible de 0,03 % (contre 95,3% de CO2, et des traces d’azote et d’argon). S’il était possible qu’elle se condense, elle donnerait une couche de glace sur toute la surface de Mars de 12 micromètres d’épaisseur.

• L’eau serait présente dans le sous-sol, sous forme de sol gelé en permanence : le pergélisol ou permafrost. Aux latitudes supérieures à 40°, le pergélisol serait stable, alors qu’à proximité de l’équateur, l’eau aurait tendance à se sublimer. L’épaisseur du pergélisol serait de 1 à 3 km en zone équatoriale, contre 3 à 7 km vers les latitudes moyennes et hautes. Si le pergélisol venait à fondre, il couvrirait la totalité de la planète Mars d’une épaisseur d’eau de 400 m, selon certains calculs. L’orbiteur de la mission européenne Mars Express est équipé d’un radar qui devrait apporter des informations sur la présence d’eau dans le sous-sol de Mars.

• Des cratères présentent des nappes d’éjectas à structure lobée en forme de pétales de fleurs (voir photo ci-contre), qui se terminent brutalement, au lieu de voir leur épaisseur diminuer progressivement. Par comparaison, les impacts de météorites à la surface de la Lune, dépourvue d’eau, donnent des éjectas à structure radiale. Ces structures lobées des éjectas montrent que ces nappes se sont mises en place sous forme de coulées boueuses. Elles auraient été provoquées par une augmentation de la température lors de l’impact météoritique, qui a fait fondre la glace. Il en aurait résulté un éjecta boueux, riche en eau, qui a coulé à la surface. Ces cratères à éjectas lobés ont été révélés par la sonde Mariner 9 en 1971.

• De nombreux indices morphogéologiques laissent supposer la présence d’un sous-sol gelé, qui peut se liquéfier et couler dans certaines circonstances, bien que l’origine de ces formations (H₂O ou CO₂, écoulement humide ou sec) fasse débat :
  
  • Structures récentes comme des rigoles et des ravines sur des parois de cratères ou de vallées (voir photo ci-contre), ou bien des glaciers rocheux. Comme ces structures ne sont pas interrompues par des cratères d’impact, leur âge est estimé comme inférieur à 1 millions d’années, ce qui en fait des formations récentes.
    
  • Structures anciennes comme des vallées de débâcle à fond plat et rectilignes, des effondrements de relief en forme d’écoulement, des sols polygonaux, des terrains chaotiques, des réseaux fluviatiles, des indices de présence de lacs ou d’océan...

• La trentaine de météorites martiennes identifiées montrent une faible présence d’eau, de l’ordre de 200 ppm, au sein de roches magmatiques. Deux de ces météorites martiennes suggèrent que de l’eau liquide a pu circuler dans ces roches magmatiques profondes.

• De grandes concentrations d’hématite grise ont été repérées près de l’équateur de Mars depuis 1998, par la sonde Mars Global Surveyor. Ce minerai peut être formé par l’activité volcanique, ou par l’action de l’eau. La sonde Spirit a été envoyée dans une zone riche en hématite pour trancher ces alternatives.

Présence d’hématite à la surface de Mars

Détection d’hématite par la sonde Mars Global Surveyor

L’hématite est un oxyde de fer dont la formule chimique est Fe₂O₃. La présence de ce minerai a été détectée par le spectromètre thermique TES de la sonde Mars Global Surveyor.

Une présence abondance de l’hématite a été enregistrée dans une zone proche à la fois de l’équateur et du méridien zéro martien, nommée pour cette raison Terra Meridiani (latitude 2° sud, longitude 0° à 5° ouest).

L’hématite peut être comparée à de la rouille, mais sur Terra Meridiani, elle se présente sous forme d’hématite cristalline grise, susceptible d’avoir été créée en présence d’eau. Pour cette raison, le site d’atterrissage du rover Opportunity a donc été choisi dans cette région, sur le plateau de Meridiani Planum.

Origines possibles de l’hématite

L’intérêt des planétologues pour l’hématite grise provient du lien entre la présence de ce minerai, et celle de l’eau liquide, bien que celle-ci ne soit pas forcement associée à la formation de cet oxyde de fer.

En effet, l’origine de l’hématite grise, sur Terre, fait l’objet des scénarios suivants :

• Formation de l’hématite en même temps que les roches environnantes :
  
  • Minerai de fer rubané : une roche sédimentaire comportant 15 % de fer se forme dans de vastes étendues d’eau, sous l’action de l’oxygène dégagé par des microorganismes photosynthétiques. Sur Terre, ces sédiments peuvent héberger des fossiles de microorganismes.
    
  • Hématite hydrothermale : l’eau chaude qui circule dans les fissures de la croûte permet la précipitation de nombreux minéraux riches en fer, dont l’hématite.
    
  • Oxydation thermique : une activité volcanique entraîne l’oxydation thermique d’un oxyde de fer de formule Fe₃O₄, la magnétite. Ce scénario n’implique pas la présence d’eau liquide.

• Dépôt d’hématite sur des roches préexistantes :
  
  • Lessivage : des hydroxydes de fer sont formés à la suite du lessivage de roches riches en fer par des eaux froides et acides, puis ils sont transportées par les liquides en circulation avant d’être redéposés sous forme notamment d’hématite lorsque l’acidité du fluide, ou d’autres paramètres, changent.
    
  • Patine désertique : sur Terre, les roches des déserts peuvent être couvertes d’une patine sombre, de très faible épaisseur et d’une composition chimique indépendante de la pierre support, formée par des microorganismes capables d’oxyder le fer apporté par l’eau ou le vent.
    
  • Hydrothermalisme : les fluides en circulation dans les fissures de la roche entraînent la précipitation de l’hématite sur des roches préexistantes.

Détection d’hématite par le rover Opportunity

La NASA a annoncé le 2 mars 2004 que les instruments du robot Opportunity ont fourni d’excellents indices prouvant que le banc de roches près duquel l’atterrisseur s’est posé ait pu être submergé ou qu’il soit composé de minéraux s’étant formés dans l’eau. Les roches analysées sont riches en sulfures. Un sulfate de fer hydraté, la jarosite a été détecté. La morphologie des roches semble elle aussi signer l’action de l’eau. Cependant il ne s’agit pas encore de preuves absolues.

La présence d’hématite ((Fe₂O₃), considérée comme un indice de la présence passée de l’eau, est estimée grâce aux données du spectromètre infrarouge Mini-TES.

Roches avec une structure stratifiée

Les roches observées au bord du cratère Eagle où s’est posé le rover Opportunity, se présentent presque dans la position d’une coupe verticale, ce qui favorise l’analyse de leur origine.

Ces roches présentent de fines lamelles de roches stratifiées. À l’observation à la caméra microscope, certaines d’entre elles présentent des crêtes sinueuses, en forme de " sourires ".

Dans l’image ci-contre, la structure en strates du rocher est clairement visible, de même que les sphérules ou " myrtilles " à la surface et dans la roche.

Les sphérules (voir ci-après) ne présentent pas de concentration particulière dans l’une ou l’autre de ces strates. Elles semblent se détacher de ces strates pour rouler sur le sol après la désagrégation de ces lamelles.

L’apparition de ces strates peut venir de l’action combinée de l’eau et du vent, dans le cadre de l’hypothèse d’une origine sédimentaire de ces couches qui se seraient formées en milieu lacustre.

Microcavités dans les rochers

La caméra microscope du rover Opportunity a permis d’observer des microcavités de quelques millimètres de long à la surface des rochers El Capitan et Guadalupe. La présence de ces petites cavités en forme d’aiguilles serait due au scénario suivant :

• Le matériau initial serait une argile imbibée d’eau, sachant que le plateau de Meridiani Planum où Opportunity s’est posée date d’il y a plus de 3,8 milliards d’années.

• Une phase d’évaporation entraîne l’apparition de cristaux, qui peuvent avoir été composés de sulfates de fer, de calcium, ou de magnésium, dont la présence a été relevée par les spectroscopes des rovers.

• Ces cristaux croissent en repoussant l’argile qui les entoure, et en prenant la forme d’aiguilles.

• Une phase de dissolution entraîne la disparition des cristaux, qui laissent en place les cavités qu’ils ont creusées, qui sont nommées sur les roches terrestres des pseudomorphoses.

• Après la formation de ces pseudomorphoses, des sphérules se sont formées dans les cavités laissées libres par les cristaux. La présence de myrtilles dans les microcavités est un argument en faveur de l’origine par concrétion des sphérules.

Les " myrtilles " : des sphérules riches en hématite

Le 9 février 2004, la NASA a annoncé^[3] l’observation par la caméra microscope du rover Opportunity de petites sphères de 2 à 3 mm de diamètre de couleur grise, sur le sable du sol martien et à la surface du rocher Stone Mountain. Ces sphérules ont été baptisées de façon imagée par la NASA du surnom de myrtilles.

L’origine de ces myrtilles a engendré plusieurs hypothèses :

• de la roche fondue pulvérisée en l’air par un volcan. Ce scénario a été éliminé parce que la répartition des myrtilles a été jugée trop uniforme.

• des tectites, formées lors d’un impact de météorite qui aurait projeté des billes de roche fondue. Cette hypothèse n’a pas été retenue en raison du nombre trop important de sphérules dans les strates rocheuses.

• des concrétions formées par le dépôt de minéraux lors du passage de l’eau dans la roche.

• des concrétions sédimentaires formées en milieu lacustre.

• des concrétions d’origine bactérienne ou même des fossiles. Cette hypothèse ne peut pas être testée directement, car les rovers ne sont pas équipés d’instruments permettant de mesurer la présence de minéraux carbonatés ou de matières organiques.

Roches avec des structures polygonales

L’image en fausses couleurs ci-contre a été prise par Opportunity et elle représente une roche avec des structures polygonales à sa surface. Ce rocher a été surnommé Escher, et il se trouve sur les pentes du sud-ouest du cratère Endurance. D’autres rochers voisins, au fond de ce cratère, présentent également ces structures polygonales.

Ces roches présentent une surface plate montrant des réseaux des fissures divisant la partie supérieure en polygones. Leur apparence est quelque peu semblable à l’aspect de la boue craquelée après que l’eau ait séché par le haut.

Dans le secteur d’exploration d'Opportunity, il a établi au cours des 6 premiers mois d’étude que son secteur d’exploration était humide il y a longtemps. Puis cette zone a séché, et enfin, elle a été érodée pour former une large plaine.

Les scientifiques pensent que les fissures de la roche, qui divisent la surface en polygones, ont pu avoir été constituées par un de plusieurs processus :

• Elles ont pu avoir été provoquées par l’impact qui a créé le cratère Endurance.
• Elles pourraient s’être formées lorsque le reste de l’eau présente lors de la formation de roche, a séché vers le haut.
• Les fissures ont pu se développer beaucoup plus tard après que la roche ait été formée. Lors de la création du cratère, l’impact a pu dégager la roche en la ramenant à la surface. Elle serait alors devenue de nouveau humide, puis elle aurait séché par le haut, ce qui aurait entraîné l’apparition de ces fissures polygonales.

Les résultats récents obtenues sont favorables à cette dernière hypothèse de roches qui seraient devenues humides une deuxième fois, après qu’un impact ait excavé ce cratère de la taille d’un stade.

Le spectromètre Alpha Particle Rayons X (APXS) d'Opportunity a permet de faire une étude comparative de la surface des roches selon leur emplacement dans le cratère Endurance. Les roches localisées le plus profond dans le cratère Endurance sont chimiquement changées à un plus grand degré que des roches localisées plus haut. Ce changement chimique est censé résulter de l’exposition à l’eau.

De façon plus précise, le graphique ci-contre compare pour différents composants chimiques et pour différentes profondeurs de roche, le rapport des teneurs entre d’une part la roche Escher située en profondeur dans le cratère Endurance, et la roche Virginia, situé près du bord du cratère. La signification des couleurs est la suivante :

• La ligne rouge représente les mesures à la surface des roches.
• La ligne bleu symbolise les mesures après brossage des roches.
• Les ligne verte illustre les teneurs observées après forage par l’outil RAT.

Le rapport des teneurs entre les roches Endurance et Virginia varie de façon très significative en fonction de la profondeur, pour le chlore (Cl) et le soufre (SO₃).

Ceci implique que la surface d'Escher a été chimiquement changée de façon plus importante que la surface de Virginia pour ces deux composants. Les scientifiques étudient toujours le rôle que l’eau a pu jouer dans ces évolutions chimiques différentes.

L'avenir après la mission Mars Exploration Rover

La NASA prévoit de donner suite à la mission Mars Exploration Rover, en 2009, avec une mission Mars Science Laboratory. Celle-ci devrait comporter un rover de 500 kg (contre 170 kg pour les rovers actuels) emportant des expériences liées à la recherche de la vie. Ce rover n’utiliserait plus l’énergie solaire, mais une source radioactive, ce qui devrait lui permettre une autonomie bien plus grande (peut-être jusqu’à 100 km sur 1 000 jours), et l’emploi d’un laser de puissance permettant de sublimer sur 5 mm de diamètre un caillou et d’analyser le plasma généré par un spectromètre UV.

Mémorial

Le site d’atterrissage du rover Spirit a été nommé la Columbia Memorial Station, en mémoire des 7 astronautes qui ont péri lors de l’explosion de la navette spatiale Columbia, lors de la phase de traversée de l’atmosphère de la mission STS-107, le 1^er février 2003.

Une plaque commémorative en aluminium d’un peu plus de 15 centimètres de diamètre, a été fixée au dos de l’antenne à grand gain qui permet à Spirit de communiquer directement avec la Terre.

Cette plaque porte le texte In memoriam to the crew of the space shuttle Columbia STS-107, february 1, 2003, suivi par les noms des 7 astronautes décédés.

Par ailleurs, la NASA a honoré la mémoire de l’équipage d’Apollo 1 en nommant les collines entourant le site d’atterrissage du rover Spirit des noms des astronautes décédés dans l’incendie survenu lors d’un essai du vaisseau Apollo sur le pas de tir du centre spatial Kennedy en 1967 :

• Grissom Hill pour le Lieutenant Colonel Virgil I. "Gus" Grissom, une colline à 7,5 km au sud-ouest de Spirit.

• White Hill pour le Capitaine Edward White, une colline à 11,2 km au nord-ouest de Spirit.

• Chaffee Hill pour le Commandant Roger Chaffee, une colline à 14,3 km au sud sud-ouest de Spirit.

Notes et références

Sauf mention contraire, les informations et images de cet article peuvent être vérifiées sur le site de la NASA: Mars Exploration Rover Mission.