Mars Exploration Rover
Mars Exploration Rover (MER) est une mission spatiale étasunienne de la NASA sur la
planète Mars.
Illustration artistique du robot
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 la fusée Delta II :
Cet article utilise deux 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.
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 à la surface de chacun des rovers, avec
3 briques Lego. Le DVD porte 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 porte également un message codé dont le déchiffrage est proposé au
public. 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 Palomar de Caltech.
L'astéroïde Spirit a un diamètre de 4 à 9 kilomètres, et l'astéroïde 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 soient 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.
Lancement
Lancement du rover Spirit vers Mars le 10 juin 2003 par une fusée Delta II.
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
in 1999,
- Mars Odyssey in 2001.
La mission Spirit a utilisé un fusée Delta II 7925 standard, qui a décollé le 10 juin 2003 à 17 h 58 mn 47 s UTC. Par
contre, la mission Opportunity, qui a été lancée plus tardivement le 7 juillet 2003 à 03 h 18 mn 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 dans 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.
Fusée Delta II employée pour le lancement vers Mars des rovers Spirit et Opportunity. Le schéma montre les moteurs fusées à
carburant solide, les étages I, II et III, la coiffe et la sonde spatiale MER (cercle, grossi 4 X).
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.
Lancement du rover Spirit vers Mars par un lanceur Delta II. Une fusée d'appoint à carburant solide vient de se décrocher du 1er
étage, à la suite de deux autres.
- 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 terreste. 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.
Antenne du réseau Deep Space Network à Goldstone en Californie, employée pour les communications avec les sondes spatiales de la
NASA.
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.
Structure de l'engin spatial
Structure de l'engin spatial MER : étage de navigation, bouclier de protection supérieur, rover et module d'atterrissage,
bouclier de protection thermique.
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 - 185 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
Vue globale d'un rover MER sur Mars.
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,
Vue du bras robotisé porteur d'instruments d'observation scientifique d'un rover sur Mars.
- 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 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).
Equipements de communication d'un rover
Vue sur les antennes haut gain (high gain), faible gain (low gain) et UHF d'un rover MER sur Mars
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 un ou deux sessions de quelques minutes par jour.
Caméras de navigation et d'observation scientifique
Angles de vue des caméras : caméra panoramique (Pancam), caméra de navigation à grand angle (Navcam), caméra de détection
d'obstacle avant (Front Hazcam) et arrière (Rear Hazcam).
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).
Caméras panoramique et de navigation, et spectromètre Mini-TES des rovers de la mission MER sur Mars.
- 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.
Spectromètre APXS des rovers de la mission MER sur Mars.
- un spectromètre Alpha Particle Rayons X (APXS),
développé par l'Institut pour la chimie Max Planck de Mainz, 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.
- un spectromètre Mössbauer MIMOS
II, élaboré par le Dr. Göstar Klingelhöfer de l'université Johannes Gutenberg de Mainz, 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.
Vue en gros plan d'une zone abrasée du rocher Mazatzal par l'outil RAT du robot Spirit.
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.
Equipement 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 Computer 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).
Mémorial
Mémorial au dos de l'antenne à grand gain du rover Spirit.
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 1er 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.
Objectifs de durée et de distance
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, le faible taux de problèmes techniques observés laisse espérer que le rover sera
actif jusqu'au mois de septembre.
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 °.
- 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.
Airbags des rovers Spirit et Opportunity.
- 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 perdulaire 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.
Marques au sol des airbags d'Opportunity faites lors de l'atterrissage sur Mars.
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 19e siècle. La température à la surface du cratère Gusev varie entre 0° et -100°.
Vue à 360 degrés du site d'atterrissage sur Mars du robot Spirit prise le 12 janvier 2004.
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.
Trajet du rover Spirit sur Mars à la date de Sol 46, depuis son site d'atterrissage jusqu'à la dépression Laguna Hollow, en
direction du cratère d'impact Bonneville.
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 éjectats 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.
Airbag dégonflé et couvert de poussière martienne, sous la base du robot Spirit, et derrière son antenne à haut gain.
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Le robot Spirit s'éloigne de sa base martienne.
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Le robot Spirit se déplace à la surface de Mars en faisant des zigzags pour éviter les rochers.
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Paysage de Mars avec l'ombre du mat porteur des caméras panoramiques et de navigation. La petite ombre verticale est celle de
l'antenne à faible gain.
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Vue de Mars depuis le robot Spirit le jour Sol 30 de sa mission.
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Le rover Spirit sur Mars, à la date de Sol 50, tente de creuser le sable de la dépression Laguna Hollow pour mettre à jour sans
succès une hypothétique croûte dont la présence aurait été l'indice d'une eau stagnante dans le passé.
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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.
Vue à 360 degrés du site d'atterrissage sur Mars du robot Opportunity prise le 2 février 2004.
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.
Vue panoramique du cratère Eagle depuis le rover Opportunity sur Mars. Le module d'atterrissage est au centre de la photo, avec
les traces de roues du rover sont visibles en dessous. Les affleurements rocheux, de couleur claire, sont sur les bords droit et
gauche du cratère, d'un diamètre de 22 m. L'image a été composée à partir des photos prises les jours Sol 33, 35 et 36 de la
mission Opportunity.
Les images suivantes montrent des vues significatives du paysage du rover Opportunity au fil des jours.
1ers tours de roue du robot Opportunity sur Mars, qui s'éloigne de son atterrisseur. La consistante du sol est très poudreuse
près du module d'atterrissage, comparée au site de Spirit.
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Module d'atterrissage d'Opportunity vu depuis la Rear Hazard Camera, le jour Sol 12 de la mission.
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Module d'atterrissage du robot Opportunity sur Mars.
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Le rover Opportunity sort du cratère Eagle sur Mars, vu de la caméra arrière Rear Hazcam, le jour Sol 57 de la mission. On voit
la crête du bord du cratère (trace blanche en diagonale de l'image) qui est franchie par le robot, ainsi que l'atterrisseur à
gauche.
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Vue de Mars depuis le robot Opportunity le jour Sol 68 de sa mission.
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Image6
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Le rover Opportunity a ensuite quitté le cratère Eagle, pour se atteindre le cratère Endurance situé à
750 m.
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.[1]
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. [2]
Cadran solaire sur le robot Spirit servant à l'étalonnage des couleurs des photographies.
La différence de couleurs des clichés des sondes MERs 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 MERs 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 MERs. [5]
Par ailleurs, les cadrans solaires placés sur les rovers portant 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.
Températures prédites à la surface du cratère Gusev sur Mars pour le jour Sol 1 et le jour Sol 100 de la mission du rover Spirit.
Ces températures restent très inférieures à 0°.
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.
Cratère sur Mars, de 13 km de diamètre, situé dans Chryse Planitia, présentant un éjecta lobé, vu par Viking Orbiter.
- 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'éjectats 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 éjectats à structure radiale. Ces structures lobées des éjectats 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 éjectat boueux, riche en eau, qui a coulé à la
surface. Ces cratères à éjectats lobés ont été révélés par la sonde Mariner 9 en 1971.
Ravines sur la paroi d'un cratère d'impact sur Mars, photographié en 2003 par Mars Global Surveyor.
- 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
Echantillon d'hématite grise terrestre.
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
Carte de la répartition de l'hématite grise sur Mars d'après les mesures du spectroscope thermique TES de la sonde Mars Global
Surveyor. La zone rouge au centre de la carte, où se trouve le site d'atterrissage du rover Opportunity, montre une forte
concentration d'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.
Répartition de l'hématite vue par Mars Global Surveyor dans la région de Sinus Meridiani sur Mars, où le site d'atterrissage du
rover Opportunity de Meridiani Planum est localisé.
- 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.
Abondance de l'hématite autour du site d'atterrissage du robot Opportunity sur Mars, estimée grâce aux données du spectromètre
infrarouge Mini-TES, le 11 mars 2004. Les taches bleues représentent une absence d'hématite, alors que les zones rouges
symbolisent une teneur de 20 %. Le module d'atterrissage d'Opportunity est au centre de l'image, alors que les côtés montrent un
affleurement rocheux.
Roches avec une structure stratifiée
Image composite du rocher El Capitan vu par la caméra panoramique (PanCam) du rover Opportunity sur Mars.
Vue du rocher El Capitan en gros plan avec des sphérules par le rover Opportunity sur Mars.
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 microspcope, 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
Microcavités vues par la caméra microscope du rover Opportunity à la surface du rocher Guadalupe sur Mars.
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
Sphérule ou « myrtille » vue à la surface du rocher El Capitan par la caméra microscope du rover Opportunity sur
Mars.
Le 9 février 2004, la NASA a annoncé 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
Rocher Escher sur Mars vu en fausses couleurs par le rover Opportunity, à l'intérieur du cratère Endurance, le 24 août 2004 (sol
208), avec une présence de structures polygonales pouvant êtres liées à l'action de l'eau.
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 un longtemps. Puis cette zone a séché, et enfin, elle a été érodé 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.
Graphique représentant une étude en spectroscopie conduite par le rover Opportunity, comparant les rochers Escher et Virginia,
situés respectivement au fond et près du bord du cratère Endurance sur Mars.
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 pour 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 la plasma généré par un spectromètre
UV.
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