Mars Exploration Rover - Définition

Les suites de la mission : MSL et Mars Sample Return

La NASA a donné une suite à la mission Mars Exploration Rover avec le lancement en 2011 (initialement 2009) de la mission Mars Science Laboratory rebaptisé Curiosity. Celle-ci, développée avec la coopération de plusieurs pays européens pour l'instrumentation scientifique, repose sur un rover de 775 kg (contre 185 kg pour les MER) dont 70 kg d'instruments scientifiques (contre 6 kg pour Spirit et Opportunity) : ces derniers sont en partie consacrées à la recherche de la vie. Ce rover n’utilise plus l’énergie solaire, mais un Générateur thermoélectrique à radioisotope utilisant une source radioactive : cette source d'énergie devrait lui permettre une autonomie bien plus grande (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 à 9 mètres de distance et d’analyser le plasma généré par un spectromètre UV. De plus le rover peut travailler en permanence sans se soucier du cycle des saisons. Grâce à une nouvelle technique de rentrée atmosphérique et d'atterrissage le rover peut se poser avec une précision améliorée (ellipse de 20x20 km contre 20x150 km pour MER) et la région du site d'atterrissage est beaucoup plus vaste : altitude maximum 2 km au lieu d'1,3 km et latitude comprise entre -60° et + 60° (MER -15° et + 10°). La circulation sera facilitée par une garde au sol de 66 cm (30 cm pour MER).

Mars Sample Return est une mission très ambitieuse qui doit être développée en coopération par la NASA et l'agence spatiale européenne à une échéance beaucoup plus lointaine (au delà de 2020). L'objectif de cette mission est de ramener sur Terre des échantillons du sol martien. Dans le dernier scénario élaboré fin 2009, elle implique le lancement de 3 sondes distinctes : un rover chargé de prospecter le sol martien et de collecter des échantillons ; une deuxième mission lancée 4 ans plus tard emporte un rover simplifié chargé d'aller chercher les échantillons collectés par le premier rover et de les ramener jusqu'au module d'atterrissage de la deuxième sonde qui comprendra également un étage de remontée. Ce dernier placera le compartiment contenant les échantillons en orbite martienne avant d'effectuer une manœuvre de rendez-vous avec une troisième sonde chargée de ramener les échantillons sur Terre. La mission est aujourd'hui à l'état de projet.

Résultats scientifiques

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

L'existence de l'eau sur Mars, est confirmée dès 1964 par des études spectrales et par les observations conduites par les sondes martiennes à partir de Mariner 9. L’objectif de la mission est trouver des indices de la présence d'eau liquide à la surface de Mars dans des conditions qui auraient permis l’apparition de la vie.

Dans les conditions régnant actuellement sur Mars la présence d’eau liquide à la surface de la planète est impossible en raison de la faible température (en moyenne de -50°C contre +14°C sur Terre) et de la pression atmosphérique (6 hPa contre 1 013 hPa sur Terre). L'eau est présente uniquement sous forme de glace hydrique lorsque la température est suffisamment basse et sous forme gazeuse. La glace d'eau est présente dans le sous-sol, près des pôles (la couche de glace d'eau fait 1 km d'épaisseur au deux pôles martiens) mais également dans certains cratères. La vapeur d'eau est peu présente dans l’atmosphère martienne (0,03% pour 95,3% de CO₂, et des traces d’azote et d’argon) : si elle se condensait, elle donnerait une couche de glace sur toute la surface de Mars de 12 microns d’épaisseur.

En s'aidant des indices visibles sur le sol et en datant les terrains à l'aide de la densité observée des cratères, les scientifiques ont identifié 3 grandes périodes géologiques. Durant le Noachien, qui débute avec la formation de la planète il y a 4,6 milliards d'années et s'achève il y a 3,5-3,7 milliards d'années, Mars est très active sur le plan géologique avec des périodes caractérisées par des températures élevées et un environnement humide, un volcanisme actif et une activité tectonique. Mars bénéficie sans doute d'une atmosphère épaisse qui a pu permettre la présence d'eau liquide à la surface. Durant l'Hespérien qui s'achève selon les auteurs il y a 3,5 ou 1,8 milliards d'années l'activité géologique se ralentit, l'atmosphère de Mars s'échappe progressivement dans l'espace ou dans le sous-sol martien entrainant la disparition de l'eau à l'état liquide à la surface de Mars. C'est une période d'intense activité volcanique. Durant l'Amazonien, qui dure depuis 2 à 3 milliards d'années, l'aridité s'installe. Il subsiste des épisodes volcaniques sporadiques allant en faiblissant, tandis que l'atmosphère continue de s'échapper avant d'atteindre le point d'équilibre actuel.

Plusieurs indices semblent montrer que l'eau a occupé de manière permanente le sol martien tels que les vallées de débâcle à fond plat et rectiligne, des effondrements de relief en forme d’écoulement, les sols polygonaux, les terrains chaotiques, les réseaux fluviatiles, des indices de présence de lacs ou d’océans. Toutes ces formations ont plus de 3,8 milliards d'années. Si les spécialistes sont d'accord sur les grandes lignes de l'histoire géologique martienne, il n'y a pas de consensus sur le reste : quelle quantité d'eau était présente à la surface et durant combien de temps, où cette eau s'est elle échappée,...

L'hématite grise

De grandes concentrations d’hématite grise ont été repérées 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) par le spectromètre thermique TES de la sonde Mars Global Surveyor. L’hématite est un oxyde de fer dont la formule chimique est Fe₂O₃. 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. Ce type de formation peut être formé par l’activité volcanique, ou par l’action de l’eau. C'est la raison qui explique le site d’atterrissage du rover Opportunity dans cette région, sur le plateau de Meridiani Planum.

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 forcément associée à la formation de cet oxyde de fer. En effet, l’origine de l’hématite grise sur Terre fait l’objet de plusieurs scénarios :

• 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 transportés par les liquides en circulation avant d’être redéposés notamment sous forme d’hématite lorsque l’acidité du fluide (ou d’autres paramètres) change.

- 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.

Les données géologiques recueillies par les rovers MER

Les débuts de l'exploration du cratère Gusev par le rover Spirit ont été décevants car aucune preuve évidente de l'action de l'eau n'a été découverte mais une fois les collines Columbia atteintes plusieurs sites ont prouvé que l'eau avait contribué à façonner certaines formations géologiques. Mais ce rôle semble lié à une activité volcanique plutôt qu'à des dépôts marins ou lacustres. Le rover Opportunity a par contre découvert des minéraux probablement créés par l'eau et des indices de sédiments laissés par des plans d'eau.

Le cratère Eagle

Les flancs intérieurs du petit cratère Eagle dans lequel Opportunity s'est posé sont couverts d'affleurements disposés en strates sur une hauteur d'environ 75 cm. Celles-ci se présentent selon une coupe presque verticale ce qui facilite leur analyse. Les instruments du robot Opportunity fournissent d’excellents indices prouvant que les strates rocheuses étaient autrefois soit submergées soit se sont formées dans l’eau. Les roches analysées sont riches en sulfures. La jarosite qui est un sulfate de fer hydraté est notamment détecté, or celui-ci se forme en présence d'eau. La morphologie des roches semble également indiquer l’action de l’eau.

Par ailleurs des sphérules de 2 à 3 mm de diamètre sont enkystées dans ces strates. Nombre d'entre elles s'en sont détachées du fait de la désagrégation des lamelles de roches et jonchent le sol. Ces petites sphères de couleur grise nommées « myrtilles », sont très riches en hématite. Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer leur origine :

- de la roche fondue pulvérisée en l’air par un volcan. Ce scénario est abandonné car leur répartition est 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.

Les observations par la caméra microscope ont révélé que certaines roches du cratère Eagle présentent des cavités de forme géométrique qui pourraient correspondre à l'emplacement de cristaux de gypse qui se forment par évaporation en bordure d'une mer ou d'un lac salé. 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 peut s'expliquer de la façon suivante :

• Le matériau initial serait une argile imbibée d’eau, sachant que le plateau de Meridiani Planum où Opportunity s’est posé s'est formé il y a plus de 3,8 milliards d’années.
• Une phase d’évaporation entraîne l’apparition de cristaux, qui peuvent être 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.

Roches comportant des structures polygonales

Des rochers présentant en surface des structures polygonales sont observés par Opportunity notamment sur le rocher Escher 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 s'est évaporée.

Les six premiers mois d'analyses effectuées par le rover Opportunity ont démontré que la zone explorée était humide par le passé. Celle-ci a ensuite séché et s'est érodée pour former une large plaine.

Plusieurs hypothèses sont émises pour expliquer l'origine des fissures qui divisent la surface des roches en polygones :

• elles peuvent résulter de l'impact ayant créé le cratère Endurance.
• une autre raison serait liée à la disparition de l'eau présente dans la roche lors de sa formation.
• les fissures ont aussi pu se créer beaucoup plus tard après la formation de la roche. La création du cratère a pu dégager la roche en la ramenant à la surface. Elle serait alors devenue de nouveau humide puis le séchage aurait fait apparaitre ces fissures polygonales.

Certains résultats vont dans le sens de la dernière hypothèse.

Le spectromètre Alpha Particle Rayons X (APXS) d'Opportunity a permis de faire une étude comparative de la surface des roches selon leur emplacement dans le cratère Endurance. Les roches les plus profondes du cratère sont chimiquement plus modifiées que des roches situées à des niveaux plus élevés. Cette différence chimique peut résulter d'un contact avec de l'eau. 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 et la roche Virginia proche du bord. La ligne rouge représente les mesures à la surface des roches, la ligne bleue correspond aux mesures après brossage des roches, les lignes vertes sont liées aux teneurs mesurées après forage par l'outil RAT. Le rapport des teneurs entre les deux types de roches varie de façon très significative en fonction de la profondeur, pour le chlore (Cl) et le soufre (SO₃O). Ceci implique que la surface d'Escher a davantage varié chimiquement que la surface de Virginia pour ces deux éléments. Des analyses sont menées pour comprendre le rôle joué par l'eau sur cette différence chimique.

Les études réalisées par les deux rovers Spirit et Opportunity respectivement dans le cratère Gusev, au sud d'Apollinaris Patera, et sur Meridiani Planum, suggèrent l'existence passée d'une hydrosphère (la partie de la planète couverte par les eaux) suffisamment importante pour avoir pu homogénéiser le taux de phosphore des minéraux analysés sur les deux sites explorés par les rovers pourtant situés de part et d'autre de la planète.

Les observations météorologiques

La vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère martienne se condense parfois en glace pour former des nuages de cristaux d'H₂O. Le dioxyde de carbone peut également se condenser en formant des cristaux de CO₂ dépassant 1 µm de diamètre, à des altitudes plus élevées que ceux constitués de glace d'eau. Les nuages qui en résultent, aux formes similaires aux cirrus terriens, ont été observés par les rovers.

L'atmosphère martienne est constamment chargée en poussières, dont les grains ont un diamètre moyen de l'ordre de 1,5 µm responsable de la teinte rouge orangé du ciel martien. Cette poussière est continuellement injectée dans l'atmosphère par des tourbillons de poussière (dust devils en anglais), comme celui observé ci-dessous par le rover Spirit le 12 mars 2005; les prises de vue durent 575 s (ce qu'indique le compteur de l'angle inférieur gauche), et trois autres tourbillons sont brièvement visibles au loin dans la moitié droite de la vue, au début de la séquence, puis près du tourbillon principal, puis à la toute fin.

Les couleurs de Mars

Les couleurs des photos prises par le robot Spirit ont fait l'objet de polémiques. En effet, sur certaines présentations le ciel est bleu, sur d’autres, certaines zones du robot qui étaient bleu vif sur des photographies prises sur terre, sont rouges sur celles prises sur mars. La différence de couleurs des clichés des sondes MER est explicable : il faut savoir que les équipements photographiques 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 trois clichés filtrés différents, 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 effectués par les 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. La NASA a par ailleurs publié, fin janvier 2004, un article sur la coloration des images des sondes MER. 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).

Le comportement des rovers

Les rovers ont été conçus pour fonctionner au minimum durant 90 jours martiens et parcourir 600 m à la surface de Mars. Ces objectifs atteints par le robot Spirit le 5 avril 2004 ont été dépassés au delà des espérances de leurs concepteurs. Il n'était pas prévu que les rovers survivent au premier hiver martien caractérisé par une forte diminution de l'intensité lumineuse d'autant que l'accumulation progressive de la poussière devait diminuer le rendement des panneaux solaires. Or Opportunity a survécu jusqu'à présent à 3 hivers. Au cours du premier hiver l’énergie disponible est passée pour Spirit 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 la surprise de l'équipe de contrôle sur Terre. 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, car une augmentation de 5 % de la puissance disponible a été constatée à quatre reprises sur une période de 6 mois. Les hypothèses évoquées pour expliquer ce dépoussiérage font appel au vent, au gel, et au fait qu'Opportunity est resté en position inclinée durant une longue période au cours de son exploration des parois du cratère Endurance.

Les deux rovers ont été confrontés très tôt au grippage de certaines de leur roues. À partir de juin 2004 la roue avant droite de Spirit a présenté une résistance interne accrue, qui a provoqué une consommation d’énergie électrique 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.

Les instruments scientifiques ont fait preuve d'une longévité remarquable malgré quelques incidents. En avril 2005, la NASA a constaté que les capteurs des spectromètres APXS ont été intervertis durant l'assemblage des deux rovers et utilisaient les données de calibrage de de . Les données obtenues par les spectromètres ont dû être corrigées. 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 Erebus, 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 parvient à mordre dans un sol plus ferme se trouvant sous la couche de poussière. Le rover peut se dégager suffisamment pour que les autres roues reprennent contact avec un terrain solide et stable.

Au fil des années d'expériences passées sur Mars et des mises à jour logicielles effectuées, Opportunity devient de plus en plus autonome. En 2010, il est ainsi capable de contourner des obstacles sans aucune intervention des opérateurs sur terre ou encore de sélectionner de lui même des roches pour analyses en fonction de critères précis comme la taille, la forme et la luminosité.

Fin juin 2010, après 2 294 jours passés sur le sol martien, Opportunity a dépassé les 21,7 kilomètres parcourus sur Mars soit 36 fois la distance prévue et plus de 25 fois la durée nominale de la mission.