MAVEN
Caractéristiques
MAVEN (acronyme de Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN) est une sonde spatiale d'exploration développée dans le cadre du programme Mars Scout de la NASA, et lancée avec succès. Elle avait pour mission de déterminer les mécanismes à l'origine de la quasi-disparition de l'atmosphère martienne. À cet effet, ses instruments ont étudié les caractéristiques de la partie supérieure de l’atmosphère de la planète exposée au bombardement solaire notamment en déterminant sa composition, mesurant le flux d'énergie solaire ainsi que le taux d'échappement actuel des différents gaz.
MAVEN est un orbiteur de grande taille, constitué d'un corps parallélépipédique de 3,47 mètres sur 3 avec deux ailes portant des panneaux solaires, lui donnant une envergure de 11 mètres après déploiement. Sa masse avec ergols est de 2454 kg et de 809 kg à sec, dont 65 kg pour l'instrumentation scientifique et 6,5 kg pour le système de relais Electra. Il reprend certaines caractéristiques de la sonde spatiale Mars Reconnaissance Orbiter. Les ailes solaires constituées chacune de deux panneaux solaires ont des extrémités cambrées de 20° pour mieux résister aux plongées dans la partie basse, donc dense, de l'atmosphère martienne prévues au cours de la mission. Les panneaux solaires peuvent fournir jusqu'à 1231 watts d'énergie qui sont stockés dans deux batteries lithium-ion de 55 ampères-heures.
Les moteurs-fusées de MAVEN sont monoergols et consomment de l'hydrazine (capacité d'emport 1640 kg) et fournissent un delta-v total de 2029 m/s. L'hydrazine est mis sous pression par de l'hélium stocké dans un réservoir en titane. La sonde spatiale dispose de 6 moteurs-fusées ayant chacun une poussée de 204 newtons utilisés pour l'insertion en orbite autour de Mars et de six autres propulseurs, utilisés pour effectuer les corrections de trajectoire durant le transit entre la Terre et Mars. La sonde spatiale est stabilisée sur 3 axes. Le contrôle d'orientation est réalisé par des roues de réaction. Les données sont transmises aux stations au sol à l'aide d'une antenne parabolique grand gain fixe de deux mètres de diamètre permettant un débit de 550 kilobits par seconde.
La sonde emporte huit instruments scientifiques dont trois (IUVS, STATIC et NGIMS) sont placés sur une plateforme orientable avec deux degrés de liberté, déployée après l'insertion en orbite autour de Mars.
-Le spectromètre de masse NGIMS (Neutral Gas and Ion Mass Spectrometer) est un instrument qui doit permettre d'étudier les gaz neutres et les ions.
-Le spectromètre imageur ultraviolet IUVS (Imaging Ultraviolet Spectrometer) fournit des profils verticaux des ions et atomes neutres par mesure du limbe et les propriétés de la basse atmosphère par occultations stellaires. Il est également utilisé pour réaliser des cartes du disque atmosphérique depuis son apoapside, pour cartographier le rapport deutérium/hydrogène et l'oxygène chaud, ainsi que les caractéristiques de l'atmosphère sous homopause.
Les six instruments suivants forment l'Instrumental Particle and Field Package (PFP), destinés à étudier le plasma :
-Le magnétomètre MAG mesure le champ magnétique complexe créé par les anomalies magnétiques de la croûte martienne afin d'évaluer leur rôle dans l'échappement de l'atmosphère martienne actuelle et passée. MAG comporte deux capteurs complètement indépendants et redondants situés en bout d'aile solaire capables de mesurer l'intensité et la direction d'un champ magnétique.
-L'analyseur d'électrons du vent solaire SWEA (Solar Wind Electron Analyzer) mesure l'énergie et la distribution angulaire des électrons dans l'environnement martien, détermine le taux d'ionisation d'impact, la topologie magnétique, le spectre des photo-électrons primaires de l'ionosphère, la population des électrons auroraux.
-Le SWIA (Solar Wind Ion Analyzer) est un analyseur d'ions du vent solaire.
-Le SEP (Solar Energetic Particles) est un instrument de mesure des particules énergétiques (protons, ions) issus du vent solaire ou de l'espace interplanétaire. Les tempêtes solaires sont la principale origine de ces particules. Celles-ci contribuent par différents mécanismes à l'échappement atmosphérique. SEP mesure les flux de particules qui pénètrent jusqu'aux altitudes où les processus d'échappement atmosphériques sont les plus importants (entre 50 et 150 km).
-L'instrument STATIC (SupraThermal And Thermal Ion Composition) analyse la composition des ions thermiques et suprathermiques.
-L'instrument LPW (Langmuir Probe and Waves antenna) regroupe une sonde de Langmuir et des antennes de mesure des ondes de plasma.
La sonde emporte le package de télécommunications Electra permettant de communiquer en bande UHF avec les rovers et atterrisseurs martiens et d'assurer ainsi le relais avec la Terre.
Déroulement de la mission
La sonde MAVEN fut mise en orbite le 18 novembre 2013 depuis la base de lancement de Cap Canaveral. Après un transit entre la Terre et Mars de 10 mois, la sonde spatiale, à l'approche de cette dernière, a réduit sa vitesse d'environ 1233 m/s et s'est insérée en orbite le 21 septembre 2014.
La sonde spatiale a effectué sept manœuvres consécutives au cours des jours suivants, dont quatre pour réduire le périapside et trois pour réduire l'apoapside. Une première correction d'orbite a consisté à réduire le périapside de 380 à 204 km. Le 26 septembre 2014 a eu lieu la principale correction d'orbite, qui a ramené l'apoapside de 44000 km à 8000 km.
A partir du 10 octobre 2014, différentes antennes et capteurs utilisés par 6 des instruments de la sonde spatiale furent déployés, en mettant à feu des dispositifs pyrotechniques. Parmi les équipements déployés figurent deux longues antennes de 7 mètres de long utilisées par l'instrument de mesures des champs électriques et des électrons, ainsi que la plateforme orientable accueillant les instruments IUVS, STATIC et NGIMS.
L'orbite cible fut modifiée pour tenir compte de la densité de l'atmosphère observée, qui était le principal paramètre pris en compte pour la mission. Le périapside choisi était de 175 kilomètres (au lieu de 150 km) tandis que l'apoapside fut fixé à 6000 km, avec une inclinaison orbitale de 74,2°. L'orbite finale fut atteinte courant novembre.
L'étalonnage des instruments était encore en cours la veille du passage de la comète Siding Spring, qui est passé à faible distance de Mars (139500 kilomètres). Les instruments de MAVEN ont effectué des observations de l'atmosphère de la planète immédiatement après son passage, avant de pointer le spectrographe imageur IUVS vers la comète pour analyser ses émissions dans le spectre ultraviolet, et en déduire des données sur sa composition. Elle a ensuite analysé la réaction de l'atmosphère de Mars lorsque plusieurs tonnes de poussière issue de la queue de la comète ont pénétré dans celle-ci. Les données collectées par les instruments de MAVEN et des autres vaisseaux en orbite autour de Mars ont montré que de nombreux atomes de métaux, sous forme ionisée ou atomique, ont été injectés dans l'atmosphère, mais que ceux-ci ont rapidement disparu à la suite de processus physiques et chimiques indéterminés.
Le 6 novembre 2014, MAVEN a joué pour la première fois le rôle de relais en survolant le rover Curiosity à une altitude comprise en 1100 et 3700 kilomètres, et en récupérant, grâce à son récepteur UHF Electra, 500 megabits de données au cours de la passe, qui furent transférés par la suite vers la Terre.
La sonde spatiale a entamé sa mission primaire mi-novembre, après l'achèvement de la phase d'étalonnage des instruments.
Durant la majeure partie de sa mission, la sonde spatiale fut orientée de manière que ses panneaux solaires soient pointés vers le Soleil sous un angle optimal. Une aurore boréale fut observée durant cinq jours, juste avant le 25 décembre 2014. Elle a pénétré à une profondeur inattendue dans l'atmosphère. Sa survenue a coïncidé avec une poussée de l'activité solaire.
MAVEN a commencé sa première campagne de plongée dans l'atmosphère martienne le 10 février 2015. Celle-ci a débuté par un abaissement du périapside de 175 à 131 km, qui fut obtenu par une manoeuvre effectuée au périapside, en modifiant la vitesse de quelques mètres par seconde. La campagne a duré 5 jours, au cours desquelles la sonde spatiale a exécuté 20 orbites, soit 20 passages dans une partie plus dense de la haute atmosphère. La densité, qui est en temps normal de 0,05 kg/m³, est monté jusqu'à 3,5 kg/m³ durant les 10 minutes de chaque passage.
La deuxième campagne de plongée dans l'atmosphère martienne a débuté le 18 avril 2015, et cette fois le périapside fut abaissé jusqu'à 131,5 km. Pour disposer d'un bon éventail de mesures, cette campagne d'observation, comme les suivantes, se sont déroulés au-dessus d'une région différente et à des heures de la journée différentes.
Début novembre 2015, la mission primaire s'est achevé et quatre des cinq campagnes de plongée dans l'atmosphère ont été effectuées. Les résultats obtenus ont permis de mesurer le volume de gaz arraché par le vent solaire et de confirmer le rôle sans doute majeur joué par ce processus dans la disparition de l'atmosphère primitive de la Mars.
MAVEN a ensuite entamé sa première extension de mission. La sonde spatiale disposait de suffisamment de carburant pour permettre de mener des investigations scientifiques durant neuf autres années. L'objectif était de se maintenir sur une orbite basse (qui nécessite du carburant car elle impose de relever régulièrement le périapside) durant au moins 29 mois, puis de circuler sur une orbite plus haute pour limiter la consommation d'ergol. Des plongées dans l'atmosphère ont pu être réalisées durant cette période, au détriment de la longévité de la sonde. Durant l'extension de mission, MAVEN a servi temporairement de relais de télécommunications entre les rovers et les atterrisseurs martiens et la Terre. L'arbitrage entre les activités de télécommunications et les tâches scientifiques dépendait de l'état de santé des autres satellites jouant le même rôle (MRO et Mars Odyssey).
En décembre 2015 MAVEN est passé à plusieurs reprises à faible distance (moins de 300 km) de la lune de Mars, Phobos, ce qui lui a permit d'effectuer des mesures de la composition de sa surface fournissant des indices supplémentaires sur son origine.
Résultats scientifiques
L'analyse des mesures effectuées par les instruments de la sonde spatiale MAVEN a été rendue publique dans le cadre d'une première étude publiée en novembre 2015. Celle-ci a confirmé le rôle du vent solaire dans la quasi-disparition de l'atmosphère martienne. Les mesures ont montré que 100 grammes d'atmosphère sont arrachés chaque seconde par le vent solaire, et que ce volume s'accroit considérablement à chaque éruption solaire. Au bout de plusieurs milliards d'années, ce processus, compte tenu de la fréquence beaucoup plus élevée des éruptions solaires lorsque le Soleil était plus jeune, fut sans doute la raison principale de la transformation de l'atmosphère martienne. L'échappement de l'atmosphère peut s'effectuer au niveau de trois régions : dans les couches supérieures de l'atmosphère martienne, au niveau des pôles et dans la queue formée par le vent solaire à l'opposé de la direction du Soleil. Les mesures effectuées par les instruments de MAVEN ont indiqué que l'échappement avait lieu à hauteur de 75 % au niveau de la queue et de près de 25 % au niveau des pôles.
Le taux d'échappement de l'hydrogène varie fortement en fonction de la saison avec un taux multiplié par 10 durant le solstice d'été de l'hémisphère sud. Par contre la distance entre Mars et le Soleil ne semble pas avoir d'influence notable sur ce taux.
L'ionosphère de Mars joue un rôle critique dans la perte des gaz et de l'eau de Mars. MAVEN a effectué la première mesure de la composition de l'ionosphère de Mars depuis les orbiteurs Viking en 1976. Mais contrairement à ces sondes spatiales, MAVEN a effectué une cartographie s'étendant à la face nocturne.
Des nuages de poussière ont été observés à très haute altitude entre 150 et 300 kilomètres. Cette observation est inattendue, et on ne sait pas si ces nuages sont permanents ou sont un phénomène transitoire. L'origine de ces nuages pourrait être la couche basse de l'atmosphère ou de la poussière produite par les deux lunes de Mars, Phobos et Deimos, qui aurait été repoussée par le vent solaire, ou encore de la poussière produite par les comètes durant leur passage près du Soleil.
Le champ magnétique martien a été complètement cartographié à différentes altitudes. A la surprise des scientifiques, en dessous de 300 km d'altitude, les boucles magnétiques dominent la planète entière, y compris au-dessus de l'hémisphère nord pourtant faiblement magnétisée. A des altitudes plus élevées (vers 800 kilomètres), les lignes magnétiques sont ouvertes sauf au-dessus de quelques régions plus fortement magnétisées.
Pour la première fois des instruments ont observé sur une planète autre que la Terre les sous-produits de la poussière interplanétaire présente dans l'atmosphère martienne. Ces particules, en pénétrant à grande vitesse dans les couches denses, chauffent et fondent en produisant des atomes neutres et des ions de magnésium, fer et sodium. Ces ions, qui ont été bien étudiés sur Terre, ont une durée de vie longue. Produits dans la mésosphère ils se dispersent à haute altitude. L'instrument NIGSM a pu mesurer les concentrations de ces ions métalliques, qui affectent les processus à l'origine de la formation des nuages.
Les observations combinées des instruments SWIA, STATIC et MAG ont permis d'observer des ondes de Kelvin-Helmholtz à la limite de l'ionosphère et de la magnétogaine.
