Observatoire de Paris Institut national de recherche scientifique français Univerité Pierre et Marie Curie Université Paris Diderot - Paris 7

Spectro-imageur MIRS pour la mission MMX de la JAXA

vendredi 28 août 2020

La mission Martian Moon eXploration (MMX) de la JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) est la première mission de retour d’échantillons du satellite Phobos. Elle prévoit également une exploration du système de la planète Mars.

L’objectif principal de la mission est de déchiffrer l’origine des lunes martiennes, ce qui fournira des informations importantes sur la formation des planètes et sur les conditions d’apparition de l’eau sur les planètes de type terrestre.

L’instrument MIRS (MMX InfraRed Spectrometer), développé sous la responsabilité du LESIA, est un spectromètre imageur qui permettra de caractériser la composition du système martien et contribuera à sélectionner les sites candidats pour prélever des échantillons.

La mission MMX

Martian Moon eXploration (MMX) sera lancée en septembre 2024 vers le système martien pour ramener des échantillons de la surface de Phobos, effectuer des observations détaillées de Phobos et de Deimos et surveiller le climat de Mars. La mission effectuera un voyage aller-retour en cinq ans, avec retour sur Terre des échantillons de Phobos en juillet 2029. La sonde arrivera dans le système de Mars en août 2025. Elle restera trois ans sur des orbites quasi-satellitaires (QSO) autour de Phobos à différentes altitudes pour sélectionner les sites d’échantillonnage et d’atterrissage.


La plus grande lune de Mars, Phobos, vue par Mars Reconnaissance Orbiter en (...)
La plus grande lune de Mars, Phobos, vue par Mars Reconnaissance Orbiter en 2008

L’image a été prise à une distance d’environ 6 800 kilomètres. Elle est présentée en couleurs en combinant les données des canaux bleu-vert, rouge et infrarouge proche de la caméra.
(Source : NASA/JPL-Caltech/University of Arizona)


La sonde descendra pendant plusieurs heures sur la surface de Phobos pour collecter au moins 10 g du régolithe de Phobos à l’aide d’un carottier descendant jusqu’à 2 cm. MMX collectera des échantillons de Phobos sur deux sites différents.

Après le prélèvement des échantillons, la sonde quittera le système martien et ramènera les échantillons sur Terre, achevant le premier aller-retour vers le système de la planète rouge.


Séquence de la mission MMX
Séquence de la mission MMX


Les principaux objectifs de la mission sont :

  • Comprendre l’origine des lunes martiennes par des observations rapprochées et par retour d’échantillons ;
  • Contraindre les processus de formation planétaire et de transport de matériaux dans la région reliant le système solaire intérieur et extérieur ;
  • Révéler les processus évolutifs du système martien dans les environnements circum-martiens.

Un ensemble d’instruments permettra d’atteindre ces objectifs :

  • la caméra grand angle OROCHI (radiomètre optique composé d’imageurs chromatiques),
  • la caméra (angle étroit) TENGOO (imageur télescopique pointé au Nadir, pour la géomorphologie),
  • l’altimètre laser LIDAR (Light Detector and Ranging),
  • le détecteur de poussière CMDM (Circum-Martian Dust Monitor),
  • le spectromètre de masse MSA (Mass Spectrum Analyzer),
  • le spectromètre à rayons gamma et à neutrons MEGANE (« lunettes » en japonais) fourni par la NASA,
  • le spectromètre proche infrarouge MIRS (MMX InfraRed Spectrometer) fourni par le CNES,
  • le dispositif d’échantillonnage SMP et la capsule de retour d’échantillons.

Un petit rover (poids total inférieur à 30 kg) développé par le CNES et le DLR, sera largué sur la surface de Phobos. La charge utile du rover comprend quatre instruments scientifiques :

  • un radiomètre infrarouge thermique (miniRAD),
  • un spectromètre Raman (RAX),
  • une paire de caméras stéréo tournées vers l’avant (NavCAM),
  • deux caméras qui observent l’interface roues-surface (WheelCAM) pour étudier les propriétés mécaniques du régolithe de Phobos.
La sonde MMX
La sonde MMX


L’ESA participera à la mission contribuant aux communications avec les antennes de son réseau d’espace profond.

MIRS

Module d'exploration de MMX avec l'emplacement de l'instrument (...)
Module d’exploration de MMX avec l’emplacement de l’instrument MIRS


L’instrument MIRS est construit au LESIA en collaboration avec quatre autres laboratoires français : le Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux (LAB), le Laboratoire atmosphères, milieux, observations spatiales (LATMOS), le Laboratoire d’astrophysique de Marseille (LAM), l’Observatoire Midi-Pyrénées (OMP) - voir organigramme, sous maîtrise d’ouvrage du CNES.


Organigramme du projet MIRS
Organigramme du projet MIRS


MIRS est un spectromètre imageur dans la bande spectrale 0,9 - 3,6 microns avec une résolution spectrale meilleure que 20 nm. L’IFOV (champ de vue d’un pixel) est de 0,35 milli-radian et le champ de vue total de +/- 1,65 degrés. Le rapport signal sur bruit est supérieur à 100 jusqu’à 3,2 µm dans un temps d’intégration inférieur à 2 s. Le détecteur a une dimension de 256 x 256 pixels avec une taille de pixel de 30 microns. La masse totale est inférieure à 11,9 kg (dont 20% de marge), et le volume de l’instrument complet est d’environ 320 x 150 x 400 mm3.

Objectifs scientifiques de MIRS

MIRS devra caractériser les surfaces de Phobos et de Deimos et la composition atmosphérique de Mars, en identifiant les signatures spectrales caractéristiques dans le proche infrarouge. MIRS doit répondre aux exigences de la mission, en particulier :

1) Étudier la distribution de surface des matériaux constitutifs de Phobos. Les minéraux hydratés et autres minéraux doivent être identifiés en relation avec la topographie et caractérisés dans un point de vue spectroscopique à une résolution au sol de 20 m sur la quasi-totalité de la surface du satellite, et à une résolution spatiale de 1 m, dans un rayon de 50 m autour du point de prélèvement.
MIRS devra mesurer sur toute la surface la teneur en eau (glace) (bande d’absorption à 3,0-3,2 μm), les minéraux silicatés hydratés (bandes d’absorption caractéristiques à 2,7-2,8 μm), et la matière organique (3,3.-3,5 μm).

2) Étudier la distribution des matériaux constitutifs de Deimos, à partir des informations spectroscopiques ; déterminer en relation avec la topographie dans des zones caractéristiques de la surface de la lune, la distribution des minéraux hydratés, et d’autres minéraux, avec une résolution spatiale horizontale de 100 m ou mieux.

3) Contraindre les processus de transport de poussière et d’eau près de la surface martienne : des observations continues des tempêtes de poussière, de nuages de glace et de vapeur d’eau seront menées pour les latitudes moyennes et basses à partir de l’orbite équatoriale de haute altitude au cours de différentes saisons avec une résolution temporelle de 1 heure.

Les observations de MIRS permettront de déterminer la distribution de la quantité de vapeur d’eau dans des colonnes atmosphériques avec une résolution spatiale de 10 km, une précision radiométrique spectrale absolue de 10%, une précision relative radiométrique spectrale de 1%, et avec une résolution temporelle inférieure à 1 heure dans des zones sélectionnées à basse latitude. Ces observations seront effectuées sur plusieurs jours successifs dans différentes saisons.

MIRS permettra d’étudier la composition de Phobos, Deimos et de caractériser les variations temporelles dans l’atmosphère de Mars. Il sera également un instrument fondamental pour contribuer à la sélection des deux sites de collecte des échantillons sur la surface de Phobos.

L’équipe scientifique de MIRS est constituée de plusieurs co-Is Japonais et de co-Is de 9 laboratoires français : LESIA, IPAG, IPGP, LATMOS, OCA, LAM, IRAP, LPG-N, et LAB.

MMX est en cours de développement et de construction par la JAXA, avec des contributions du CNES, du DLR et de la NASA. L’équipe MIRS remercie le CNES pour son soutien financier et sa collaboration à la réalisation de l’instrument MIRS.

Personnels LESIA impliqués

  • Vartan ARSLANYAN (fabrication mécanique)
  • Antonella BARUCCI (PI)
  • Pernelle BERNARDI (responsable système)
  • Gaële BARBARY (AIT électronique)
  • Cyrille BLANCHARD (AIT)
  • Marion BONAFOUS (AIT)
  • Bruno BORGO (conception mécanique)
  • Aurélien BOUR (CDD optique)
  • Tristan BUEY (support système)
  • Frederic CHAPRON (architecte mécanique)
  • Claude COLLIN (fabrication mécanique)
  • Alain DORESSOUNDIRAM (deputy PI)
  • Sonia FORNASIER (Instrument Scientist)
  • Marcello FULCHIGNONI (associated scientist)
  • Bertrand LE RUYET (détecteur)
  • Cedric LEYRAT (co-I )
  • Frederic MERLIN (co-I)
  • Napoléon NGUYEN-TUONG (architecte thermique)
  • Patricia NIBERT (administration)
  • Jérôme PARISOT (responsable AIT)
  • Jean-Michel REESS (chef de projet)
  • Fériel TACHE (doctorante)
  • Didier ZÉGANADIN (AP/AQ)