Avec Mars 2020, l'exploration martienne est arrivée à un tournant critique et historique. En équipant son rover le plus sophistiqué d'un dispositif ultra-complexe de prélèvement d'échantillons, et en ne retenant comme charge scientifique que des instruments servant à la sélection de ces derniers, la NASA a décidé que le temps des mesures in-situ, engagées dès 1976 avec les légendaires atterrisseurs Viking, est désormais révolu.

Il y a 40 ans de cela, l'agence spatiale américaine avait envoyé vers la planète rouge les atterrisseurs Viking pour détecter des traces de vie actuelles. Si, sur bien des aspects, leur mission a été un triomphe marquant, les données renvoyées par les expérimentations du laboratoire biologique, ainsi que par l'instrument retenu pour détecter des composés organiques (GC-MS) se sont révélées très décevantes. Devant la nature ambigüe (certains diraient choquante) des résultats, le programme d'exploration de Mars fut pour ainsi dire stoppé net, et il faudra attendre 20 ans pour que la NASA se décide à débarquer à nouveau timidement sur Mars, avec le petit rover Sojourner de la mission Pathfinder. La même année, elle lance également un orbiteur, Mars Global Surveyor, doté notamment d'une caméra à haute résolution. A l'époque, au sein de la communauté scientifique, plusieurs géologues de renom s'étaient opposés à l'envoi de cet instrument, jugeant que les images obtenues par les vénérables orbiteurs Viking (qui accompagnaient les atterrisseurs) avaient fourni des données amplement suffisantes à la compréhension de Mars. Ils avaient tort, et dans les grandes largeurs. Malgré la quantité invraisemblable de données transmises, Viking n'avait fourni qu'une vision grossière, incomplète et partielle de la planète rouge.

La sonde Mars Global Surveyor appartenait au programme Mars Surveyor, qui consistait à lancer vers Mars, à chaque fenêtre de tir (c'est à dire tous les 26 mois), des sondes martiennes à bas coût, pour culminer avec un retour d'échantillons. En 1999, la perte dramatique, à quelques mois d'intervalles, du satellite Mars Climate Orbiter, et de son compagnon l'atterrisseur Mars Polar Lander allait plonger le Jet Propulsion Laboratory (JPL, le centre de la NASA en charge des missions robotiques d'exploration planétaire) dans la tourmente.

Après plusieurs commissions d'enquête, l'agence spatiale américaine, bien décidé à laver l'affront et à reprendre le taureau par les cornes, engagea une vaste réflexion sur son programme martien, qui fut revu en profondeur. En 2001, elle commença par lancer un orbiter (Mars Odyssey), puis deux rovers en 2003, pour diminuer les risques. Leur rôle était de suivre à la trace les signes subtils de la présence d'eau (stratégie "Follow the water"). Ayant accompli cet objectif avec brio, l'agence spatiale américaine passa alors à l'étape suivante, qui était de caractériser l'habitabilité (c'est à dire la capacité d'un environnement à permettre l'émergence du vivant) de la planète rouge.

Parachuté avec enthousiasme dans le cratère d'impact Gale en 2011, le rover Curiosity, l'une des machines d'exploration les plus sophistiquées jamais sorties de l'esprit humain, réalisa cet exploit. Grâce à lui, nous savons qu'il y a plusieurs milliards d'années, le cratère Gale a hébergé un lac, et que ce dernier a offert, tout au début de la très longue histoire géologique de Mars, un milieu compatible avec l'apparition de la vie : un environnement avec de l'eau liquide en abondance, de l'énergie (solaire et chimique) et un ensemble d'éléments entrant dans la composition des êtres vivants. Suite à cette découverte, Curiosity reçu une nouvelle directive, celle d'étudier les roches du cratère Gale sous l'angle de la taphonomie, c'est à dire d'investiguer leur potentiel du point de vue de la fossilisation d'organismes vivants. Quarante ans après Viking, la NASA osait enfin réaffecter à une mission martienne la recherche de traces de vie, certes passées, et non actuelles.

Si, après un coup d'œil rapide, Mars 2020 (baptisé à juste titre Perseverance) semble être une réplique presque exacte de Curiosity, elle va en fait faire rentrer l'étude de la planète rouge dans une ère nouvelle. Presque dix ans après Curiosity, Perseverance va enfin pouvoir explorer le cratère Jezero, au sein duquel ont été identifiées des formations fluviales, deltaïques et lacustres, et qui est sans doute l'endroit le plus intéressant de la planète pour mener des recherches exobiologiques. A cause de sa richesse géologique, Jezero avait été retenu comme site d'atterrissage pour Curiosity, mais à l'époque, la nature accidentée de sa surface avait contraint la NASA à le mettre de côté. Depuis le début de l'exploration spatiale, les contraintes liées à l'atterrissage réduisaient de manière drastique les sites qu'il était possible d'explorer. Cette limitation est en train de disparaître. Capable d'atterrir sur un secteur deux fois plus petit que celui de son prédécesseur, Mars 2020 a effectivement la capacité de se poser dans un mouchoir de poche, et d'aller enfin là où il n'était pas possible d'aller.

Mars 2020 ne possède cependant aucun des instruments d'analyse complexes qui étaient embarqués sur son prédécesseur. Exit en effet les laboratoires miniaturisés CheMin et SAM. Tous ses instruments sont en fait dévolus à une chose : la caractérisation la plus fine possible du contexte géologique local, en vue du prélèvement d'échantillons qui devront être les plus pertinents possibles d'un point de vue scientifique. Ses objectifs sont très clairs : confirmer l'habitabilité du cratère Jezero, identifier des traces de vie passées, et récolter des échantillons en vue de les rapatrier sur Terre au cours d'une future campagne de retour d'échantillons, attendue par les planétologues du monde entier depuis des décennies.

Rien que d'un point de vue instrumental, Mars 2020 est un engin hors du commun. S'il reprend certains systèmes d'investigation de la matière - dans des versions améliorées - qui ont fait le succès de son prédécesseur Curiosity, comme la caméra Mastcam ou le spectromètre laser ChemCam, il embarque également des dispositifs qui n'ont encore jamais été envoyés sur Mars, et qui offrent des capacités d'analyse jamais vues jusque-là. L'une des caractéristiques de ces appareils de nouvelle génération est de pouvoir observer des roches à un niveau microscopique, et d'acquérir en même temps, à la même échelle, des informations inédites sur leur composition élémentaire et moléculaire. Mars 2020 possède également un ensemble de fonctionnalités techniques qui ne peuvent que faire rêver tous les passionnés d'exploration spatiale : outre le système de prélèvement d'échantillons (qui comporte 7 moteurs et plus de 3000 pièces), il emporte une petite usine chimique pouvant fabriquer de l'oxygène à partir du dioxyde de carbone de l'atmosphère martienne, un radar à pénétration de terrain, et même ... un hélicoptère ! Avec 23 caméras, le rover va fournir des images époustouflantes non seulement de la surface martienne, mais également de sa descente effrénée vers le cratère Jezero lors de son atterrissage à haut risque le 18 février 2021. Pour rejoindre son site d'atterrissage avec la plus grande exactitude possible, il va compter sur des techniques encore jamais mises en œuvre sur Mars, conçues pour améliorer considérablement la précision d'une arrivée. Un impératif pour la future mission qui devra récupérer les tubes d'échantillons abandonnés à la surface par Perseverance.

Première pièce maîtresse d'une ambitieuse campagne de retour d'échantillons, dotée de capacités techniques et scientifiques impressionnantes et envoyée sur la planète rouge pour y rechercher des indices (bio-signatures) d'une vie passée, Mars 2020 pourrait donc bien devenir l'une des missions spatiales les plus importantes du 21e siècle. Mais assez de superlatifs. Voyons maintenant plus en détail de quoi il retourne exactement.

La sonde

Comme nous venons juste de le voir en introduction, Mars 2020 est une réplique assez fidèle de la mission Mars Science Laboratory/Curiosity. Pour éviter des redites inutiles, cet article ne décrira que les éléments qui lui sont uniques. Le lecteur intéressé par plus d'informations est invité à se reporter au dossier consacré à Curiosity, qui présente en détails de nombreux aspects communs aux deux missions.

Comme MSL/Curiosity, la sonde Mars 2020 est une sorte de poupée russe composée de plusieurs éléments emboités les uns dans les autres : l'étage de croisière, qui porte la responsabilité d'amener à bon port le rover (avec son compagnon volant, l'hélicoptère Ingenuity) sur Mars, la capsule de descente, qui permet l'atterrissage, et enfin le rover lui-même. Celui-ci est pratiquement identique à Curiosity, à quelques exceptions près. D'un poids d'une tonne (1025 kg contre 899 kg pour Curiosity), il possède des roues plus robustes, une charge utile différente (avec des instruments inédits) ainsi qu'un système très complexe de prélèvement d'échantillons.

L'étage de croisière de Mars 2020 mesure 4 mètres de diamètre, et pèse 539 kg. Son rôle est d'assurer le transit entre la Terre et Mars de la capsule de descente. La capsule de descente est quant à elle composée de deux parties, un bouclier arrière (sur lequel est fixé le parachute), et un bouclier thermique avant, qui protégera le rover du feu ardent de l'entrée atmosphérique. Entre ces deux boucliers se trouve le rover, agrippé fermement par la skycrane, une sorte de jetpack qui devra déposer Perseverance en douceur à la surface de Mars.

En termes d'envergure, le rover Perseverance est une machine assez imposante, de la taille d'une petite voiture. Ce véhicule robotique est composé d'un châssis qui abrite deux ordinateurs de bord, de nombreux systèmes électroniques, plusieurs instruments (l'usine chimique MOXIE, le radar RIMFAX) et une partie du système de prélèvement d'échantillons. Le châssis est monté sur une suspension de type "rocker-bogie", qui a largement fait ses preuves sur Mars depuis Sojourner en 1997, et sur laquelle sont fixées 6 roues en aluminium de 52,5 cm de diamètre. Ce type de suspension permet au rover de passer au-dessus d'obstacles allant jusqu'à 40 centimètres de hauteur. Comme Curiosity, Perseverance se déplacera lentement sur Mars, sa vitesse de pointe étant seulement de 152 mètres par heure.

Pour la conduite (qu'elle soit dirigée depuis le sol par les contrôleurs terrestres ou effectuée de manière autonome par des algorithmes d'intelligence artificielle), Perseverance dispose de plusieurs caméras d'évitement de danger montées à l'avant et à l'arrière, qui sont aidées dans leurs taches par une caméra de navigation fixée sur un mât (RSM, Remote Sensing Mast). Avec une hauteur de 2 mètres, ce dernier donne au rover un point de vue similaire sur les terrains environnants à celui d'un humain qui se tiendrait debout. En plus de la caméra de navigation, le mât accueille également les instruments Mastcam-Z et SuperCam. Les instruments restants, ainsi que la foreuse rotative à percussion permettant le prélèvement d'échantillons, sont situés sur une lourde tourelle (45 kg) fixée à l'extrémité d'un bras robotique articulé long de 2 mètres, et doté de 5 degrés de liberté.

Comme Curiosity, Perseverance tire son énergie d'un générateur thermique radio-isotopique (RTG), ce qui le met à abri des redoutables tempêtes de poussière, des nuits glaciales et de la rigueur de la saison hivernale, contrairement aux sondes alimentées par des panneaux solaires. Ce système, qui utilise la décomposition radioactive d'oxyde de plutonium conditionné sous la forme de pastilles de céramique pour générer de la chaleur et de l'électricité, permet de recharger deux batteries au lithium. Il confère à Perseverance un temps de vie opérationnel théorique de 14 ans.

Pour les communications, une antenne cylindrique UHF permet au rover de transmettre à haut débit des informations aux nombreux satellites évoluant en orbite martienne (comme Mars Reconnaissance Orbiter, MAVEN, Mars Odyssey, Trace Gaz Orbiter ou Mars Express). Il dispose également d'une antenne hexagonale à grand gain (nécessitant un pointage précis) pour communiquer si besoin directement avec la Terre dans la bande X, ainsi que d'une antenne à faible gain de secours omnidirectionnelle, là aussi en bande X.

La mission

Mars 2020 s'envolera depuis le centre spatial de Cap Canaveral en Floride lors d'une fenêtre de tir (déjà décalée à plusieurs reprises) qui s'ouvrira le 30 juillet et qui se refermera le 15 août 2020. Le lanceur retenu pour le lancement est une fusée Atlas V 541 à deux étages fournie par United Launch Alliance (ULA), déjà utilisée notamment pour les sondes Mars Reconnaissance Orbiter, Curiosity et InSight. Après une phase de croisière dans l'espace interplanétaire de 7 mois et une distance parcourue d'environ 500 millions de kilomètres, la sonde atterrira sur Mars, à l'intérieur du cratère Jezero, le 18 février 2021.

Jezero, le site d'atterrissage de Mars 2020

Comme c'est le cas pour de nombreuses missions précédentes, le site d'atterrissage de Mars 2020 a été choisi au terme d'un long et scrupuleux processus de sélection, au cours duquel une multitude de régions potentiellement intéressantes ont été évaluées sur une multitude de critères à la fois techniques (risques posés à l'atterrissage) et scientifiques. Pour Mars 2020, les trois finalistes étaient le secteur des collines Columbia (déjà exploré par le rover Spirit), la région Nord-Est de Syrtis Major et enfin le cratère Jezero.

La présence, dans cette liste, d'un site déjà exploré est très intéressante, notamment au regard de l'objectif majeur de Mars 2020, qui est le retour d'échantillons, et mérite donc qu'on s'y attarde un peu. Comme on pouvait s'y attendre, le retour des collines Columbia comme site de dépose de Mars 2020 n'a pas soulevé l'enthousiasme d'une bonne partie de la communauté scientifique, qui préfère de beaucoup pouvoir explorer une région complètement différente, et encore inconnue, de Mars. Cependant, avant de pouvoir sélectionner des échantillons à prélever, l'équipe scientifique de Mars 2020 va devoir consacrer un temps très important à l'étude du contexte géologique. La nature des roches observées devra en effet être parfaitement comprise avant que ne soit prise la décision de réaliser des carottes.

Or, comme l'ont douloureusement prouvé les rovers Spirit et Opportunity, ainsi que Curiosity, nous ne parlons pas ici de semaines ou de mois, mais bien d'années. Explorer Mars par l'intermédiaire de robots est une tâche extrêmement lente, et à moins de bénéficier d'une chance phénoménale, il n'y a pas moyen d'accélérer vraiment les choses. De ce point de vue, la région de Home Plate, au niveau de laquelle le rover Spirit avait détecté des traces d'une activité hydrothermale, notamment sous la forme de dépôts de silice (un minéral avec un excellent potentiel fossilifère), présentait un avantage évident : tout le travail de documentation du contexte géologique avait effectivement déjà été effectué par une mission précédente. Il est compréhensible que la communauté scientifique et la NASA aient cependant préféré envoyer un rover de 2,5 milliards de dollars à un autre endroit de la planète Mars, mais ce choix plus enthousiasmant ne doit pas faire oublier que les membres de l'équipe scientifique vont avoir devant eux un travail très long et épuisant de documentation à effectuer, avant de pouvoir véritablement commencer une collecte digne de ce nom. Cette parenthèse pouvant être fermée, revenons maintenant à Jezero.

Jezero est un cratère d'impact de 45 kilomètres de diamètre, situé dans le quadrangle de Syrtis Major au niveau de la région de Nili Fossae, sur la bordure nord-ouest de l'immense bassin d'impact d'Isidis, qui possède une position presque équatoriale. L'étude depuis l'orbite montre que Jezero, âgé de 3,6 milliard d'années, a accueilli un lac à l'époque ou la planète Mars connaissait un climat chaud et humide, et bénéficiait de la protection offerte par un champ magnétique global. Ce lac s'est peut-être mis en place suite aux précipitations (pluies), mais d'autres sources sont également envisageables, comme des chutes de neige, ou des dépôts de glace qui se seraient mis à fondre. Deux chenaux alimentent le cratère Jezero du côté nord-ouest.

L'histoire géologique de Jezero est probablement très complexe. Si les géologues estiment que le lac interne a été permanent sur des périodes de temps très longues (un point très important pour que la vie puisse s'y développer, et que la matière organique puisse s'accumuler dans les roches, au moins à certains endroits), le cratère s'est peut-être rempli et vidé à au moins deux reprises. Un canyon, situé au nord-est du cratère, et qui perce son rempart, s'est peut-être ainsi formé suite à l'une des vidages catastrophiques du lac, qui était donc, au moins durant une partie de son histoire, un lac ouvert (contrairement à celui du cratère Gale, qui est resté fermé). Le lac qui a ennoyé Jezero aurait pu atteindre une profondeur de 250 mètres, et permettre tout au long de son histoire (dont la durée est donc difficile à estimer) le dépôt d'une couche de sédiments épaisse d'un kilomètre.

Vu depuis l'orbite, le cratère Jezero dévoile des reliefs aussi somptueux qu'intrigants. Les images montrent notamment la présence d'un magnifique delta, qui s'est formé à l'endroit où l'un des deux cours d'eau se jetait dans le lac, et qui renferme des argiles (notamment des smectites), un matériel connu pour préserver de manière parfois exquise les microfossiles et les composés organiques. Le delta est donc une cible prioritaire pour le rover, mais la nature très accidentée de sa surface ne permettra pas une dépose du rover directement à son niveau. L'ellipse d'atterrissage a été positionnée à l'est du delta par les ingénieurs, sur le plancher majoritairement volcanique du cratère. Des buttes témoins, fragments résiduels du delta épargnés par l'érosion, sont cependant situées à proximité, tout comme la base du delta lui-même. Au-delà des argiles, au moins 4 autres types de roches différentes ont été identifiés par spectrométrie infrarouge depuis l'orbite (dont plusieurs types de carbonates ainsi que des laves appartenant à des coulées venant des volcans de Syrtis Major), et devraient pouvoir être investigués par Mars 2020.L'idée générale du profil de mission est d'étudier la base puis la surface du delta, et ensuite le rivage du paléo-lac (situé juste à la périphérie de l'ellipse d'atterrissage), avant de monter sur le rempart du cratère, formé de terrains plus anciens. Si le rover survit jusque-là, il est même possible qu'il puisse quitter le cratère, pour aller étudier le bassin versant, et remonter ainsi à la source des chenaux qui ont alimenté le lac.

Comme nous venons de le voir, le cratère Jezero est donc un lieu de choix pour confirmer l'habitabilité de Mars, rechercher des biosignatures, et recueillir des échantillons en vue d'un retour sur Terre. Cependant, pour réaliser ces objectifs ambitieux, encore faut-il pouvoir s'y poser en un seul morceau ...

L'atterrissage dans Jezero

Le 18 février 2021, la mission Mars 2020 va offrir à tous les curieux et passionnés d'exploration spatiale ce qui sera probablement l'atterrissage le plus spectaculaire jamais tenté sur la planète rouge. Ce sera également le plus précis jamais réalisé, grâce à l'incorporation de deux technologies mises en œuvre pour la première fois, le Range Trigger et la navigation relative par rapport au terrain (TRN).

D'une façon générale, l'atterrissage du rover Perseverance sera très similaire à celui de Curiosity en 2012 (les lecteurs intéressés par les détails peuvent s'y référer). Tout commencera lorsque Perseverance débarquera avec une vitesse très élevée, hypersonique (18 400 km/h) dans la banlieue martienne. Le rover, recroquevillé dans sa capsule de descente, se séparera de l'étage de croisière à environ 1600 km de la planète, dix minutes avant de frapper la frange supérieure de l'atmosphère martienne (située à 125 kilomètres d'altitude).

La phase d'entrée dans l'atmosphère étant guidée, la sonde éjectera des masselottes de métal pour modifier son centre de gravité, ce qui lui permettra alors de surfer sur l'atmosphère martienne via son bouclier thermique, et son ordinateur de bord d'ajuster finement sa trajectoire. La forme du bouclier thermique, ainsi que le décalage du centre de gravité, vont effectivement autoriser la pression atmosphérique à être plus faible d'un côté de la capsule par rapport à l'autre, ce qui créera alors de la portance (le phénomène est identique à ce qui se passe au niveau de l'aile d'un avion lorsque celui-ci est en vol).

Durant la traversée de l'atmosphère, à cause des effets de friction très importants avec l'atmosphère, le bouclier thermique va faire perdre à Perseverance 99 % de sa vitesse. Sous l'effet des frottements, ce dernier va aussi subir un échauffement considérable, et la température de sa surface atteindra 2100 °C lors du pic thermique (tandis que Perseverance, situé derrière, restera bien au frais avec une température moyenne de 10°C). Durant l'entrée, un ensemble de capteurs (qui constituent le package MEDLI-2), vont mesurer différents paramètres (température, pression), et surveiller l'état de santé du vaisseau. Contrairement à l'ensemble MEDLI de Curiosity, ces capteurs sont situés cette fois ci non seulement sur le bouclier thermique, mais également sur le bouclier arrière.

A la fin de l'entrée, la vitesse du rover sera tombée à environ 1600 km/h. C'est toujours très important, et pour décélérer encore plus, l'engin va alors déployer un large parachute de 21,5 mètres de diamètre à environ 11 kilomètres d'altitude. Le bouclier thermique, devenu à ce stade inutile et encombrant, peut désormais être éjecté. Son départ dégage le champ de vision d'un radar altimétrique, qui va s'enclencher pour verrouiller la surface martienne, et déterminer le plus précisément possible la vitesse et l'altitude du rover, des paramètres critiques pour la suite des opérations.

Arrêtons-nous ici un instant, car c'est à ce stade que Perseverance va mettre en œuvre la technique de Range Trigger, dont l'objectif est de diminuer par deux la taille de l'ellipse d'atterrissage (appelée aussi ellipse d'incertitude), qui définit la zone sur laquelle un engin donné à 99% de chance de se poser, zone qui doit du même coup être impérativement dévolue d'obstacles de toute nature. Par rapport aux missions précédentes, Curiosity bénéficiait déjà d'une ellipse de taille fortement réduite (20 km par 7 km). Perseverance atterrira quant à lui dans ce qu'il convient d'appeler un mouchoir de poche, sur une zone d'environ seulement 10 km de diamètre. Un atterrissage de précision présente sur Mars de multiples avantages : il autorise l'exploration de régions accidentés, autrement inaccessibles (une ellipse trop étendue devenant alors dangereuse), et offre la possibilité de se rapprocher au maximum de cibles présentant des intérêts scientifiques (le rover étant alors presque immédiatement à pied d'œuvre), ce qui fait économiser de précieux mois, voire plus (jusqu'à une année) de déplacement. C'est également un impératif majeur dans le cadre d'une mission de retour d'échantillons : l'engin qui ira récupérer les précieux tubes prélevés par Perseverance devra effectivement obligatoirement atterrir à côté de ces derniers, sous peine d'être complètement inutile.

Au cours des précédentes missions martiennes, le parachute était déployé dès que la sonde passait sous le seuil d'une vitesse donnée, paramétrée dans les mémoires de l'ordinateur de bord. Avec la technique de Range Trigger mise en œuvre sur Perseverance, la décision d'ouverture du parachute par les calculateurs est prise de manière plus intelligente, en fonction de la position relative de l'engin par rapport à la cible visée au sol. Si les systèmes de bord détectent que la zone d'atterrissage risque d'être dépassée, l'ouverture du parachute est avancée. A l'inverse, si à un instant T la situation risque de conduire à un atterrissage trop court, le déploiement de ce dernier est retardé. Avec cette technique, le grand axe de l'ellipse d'incertitude passe ainsi de 25 km à 13 - 18 km.

Pour réaliser son indispensable atterrissage de précision, Perseverance doit également s'appuyer sur un second atout, la technique dite de navigation relative de terrain (TRN). Jusqu'à présent, les sondes devant gagner la surface martienne estimaient leur position relative par rapport au sol lors de la phase d'approche et durant l'entrée, en réalisant des analyses des ondes radio émises par le réseau d'écoute de l'espace lointain de la NASA (DSN) sur Terre. Avec cette technique, l'erreur était de quelques kilomètres. Grâce à la navigation relative de terrain, l'incertitude devrait tomber à 60 mètres.

La technique de navigation relative de terrain repose sur l'acquisition et la comparaison de photos durant l'atterrissage, et nécessite donc une caméra de descente. Tandis qu'il descend sous son parachute, le rover va acquérir une série d'images de la surface martienne défilant sous son châssis, de manière à pouvoir les comparer avec une carte orbitale stockée dans sa mémoire électronique. S'il détecte la présence de reliefs et d'obstacles (à partir de 300 mètres de diamètre) pouvant mettre en péril l'atterrissage, l'ordinateur de bord peut alors prendre la décision d'effectuer une manœuvre d'évitement en changeant de direction. Au maximum, le système TRN peut décaler la zone d'atterrissage de 600 mètres par rapport à la position initialement fixée.

Reprenons maintenant le cours du plongeon terrifiant que le rover va effectuer le 18 février 2021. Lorsque Perseverance parvient à environ 2 kilomètres d'altitude de son objectif, la surface du cratère Jezero, le parachute devenu inutile est largué, tout comme le bouclier arrière sur lequel il est accroché. Le rover, fermement agrippé par l'étage de descente (appelé skycrane), entame alors une chute libre vertigineuse. Celle-ci aurait des conséquences catastrophiques si elle n'était pas stoppée rapidement par l'allumage des huit rétrofusées de l'étage de descente. La première action propulsive de ce dernier est de réaliser une manœuvre d'évitement latérale pour éviter de rentrer de nouveau en contact avec le parachute qui tombe désormais comme un poids mort. Les rétrofusées permettent ensuite de freiner le rover, et d'annuler le plus possible tous les mouvements horizontaux. La surface martienne est maintenant très proche.

La dernière phase de l'atterrissage est spectaculaire : alors que le rover est désormais à proximité immédiate du sol, il se sépare de l'étage de descente pour être descendu par une série de câbles, un peu à la façon d'une grue volante qui déposerait sa charge sur un chantier terrestre dans un univers de science-fiction. Simultanément, une partie des rétrofusées de la skycrane continuent de freiner l'étrange attelage qui descend verticalement du ciel. Juste avant le contact avec le sol, les roues de Perseverance se déploient et se verrouillent en place, de la même manière qu'un avion sortant son train d'atterrissage. Dès que le contact avec le sol est détecté par l'ordinateur de bord, les câbles de la skycrane sont immédiatement sectionnés par des guillotines pyrotechniques, et l'étage de descente effectue ensuite un dégagement en bondissant sur le côté, pour s'écraser le plus loin possible, à distance de sécurité du rover. Perseverance vient d'arriver à bon port, ses six roues posées sur la surface poussiéreuse du cratère Jezero (si la séquence qui vient d'être décrite vous donne le vertige, c'est normal : les atterrissages sur Mars sont aussi spectaculairement complexes qu'absolument terrifiants, et constituent la partie la plus exaltante, mais aussi la plus périlleuse et angoissante, des missions de surface).

Le 18 février 2021 devrait donc être un grand jour dans l'histoire de la conquête spatiale, sans compter que nous serons comme jamais aux premières loges. Pour permettre à tout un chacun de vivre l'atterrissage de Perseverance comme si nous étions nous même à bord de l'engin, la NASA a effectivement sorti le grand jeu. L'arrivée du rover sur Mars sera un véritable spectacle son & lumière, et pour les passionnés d'exploration spatiale, c'est en quelque sorte un rêve devenu réalité !

Par rapport à Curiosity, qui ne possédait qu'une caméra de descente, une multitude de caméras techniques ont effectivement été ajoutées un peu partout sur la sonde (y compris sur le bouclier arrière et la skycrane), et permettront d'obtenir des images depuis des points de vue inédits. Nous pourrons ainsi véritablement vivre des moments aussi dramatiques que l'éjection du parachute et le gonflement de sa toile dans l'air martien, la descente du rover le long des câbles de la skycrane, et l'arrivée vertigineuse du sol sous le châssis et les roues du rover, dans un nuage de poussière et de particules rocheuses soulevées par les jets de gaz des rétrofusées. Le sectionnement des câbles et de l'ombilic, ainsi que la manœuvre de dégagement de la skycrane vers le haut, après la dépose du rover au sol, risque également de fournir de magnifiques images. Durant toutes ces étapes, un microphone additionnel permettra de plus de capturer les sons, comme le claquement de la toile du parachute dans le vent ou l'allumage des rétrofusées.

Les instruments scientifiques

Mastcam-Z : l'œil principal d'un royaume de caméras

Le rover Perseverance est littéralement bardé de caméras : on en dénombre en tout 23 (la plupart en couleurs), dont 9 caméras d'ingénierie, 7 caméras scientifiques, et, comme nous venons de le voir, jusqu'à 7 caméras rien que pour suivre la phase d'atterrissage proprement dite. Parmi tous ces yeux électroniques, la star est celle montée au niveau du mât à une hauteur de 2 mètres, ce qui lui confère un point de vue particulièrement avantageux. Baptisée Mastcam-Z, il s'agit sans surprise d'une évolution de la caméra couleur et panoramique du rover Curiosity, Mastcam.

Le Z de Mastcam-Z indique que la caméra scientifique de Mars 2020 est dotée d'un zoom x3 (28-100 mm), ce qui va permettre de saisir des détails très fins à grande distance. Les images fournies auront une résolution modeste de 1600 x 1200 pixels (2 mégapixels), mais des vidéos pourront être tournées à raison de 4 images par seconde (rien de comparable donc avec les capacités d'un smartphone même d'entrée de gamme, ce qui est tout à fait normal dans le spatial, un domaine qui exige l'utilisation de composants dotés d'abord et avant tout d'une résistance et d'une fiabilité exceptionnelle). Mastcam-Z fournira des vues stéréoscopiques (3-D) de la surface martienne (ses deux "objectifs étant séparés de 24,2 cm), ainsi que des panoramas complets sur 360°. Grâce à 13 filtres, elle sera sensible à un large spectre allant de 400 nm à 1000 nm, domaine qui couvre donc le visible en débordant dans l'infrarouge. Cette capacité multispectrale permettra aux géologues d'extraire des images des informations minéralogiques importantes, notamment celles concernant le niveau d'altération des roches et du sol.

La caméra Mastcam-Z jouera un rôle essentiel durant les opérations de surface. Elle permettra très régulièrement de caractériser l'environnement immédiat du rover durant l'exploration du cratère Jezero. C'est sur la base de ces images (couplées avec les données de SuperCam) que seront repérées des cibles géologiques d'intérêt, qui pourront ensuite faire l'objet d'analyses de proximité, et éventuellement de prélèvement par carottage. Mastcam-Z assistera également les opérateurs du rover à piloter ce dernier à la surface de Mars, et à placer les instruments et outils montés sur la tourelle du bras robotique dans la position la plus optimale possible.

SuperCam : la super caméra chimique de Perseverance

Comme son acronyme le laisse présager, SuperCam est une version améliorée, sur stéroïdes, de l'instrument ChemCam monté sur le robot Curiosity, et qui s'est révélé très rapidement indispensable pour réaliser un premier relevé général de la géologie de l'environnement situé autour du rover, à chacun de ses innombrables arrêts (ChemCam est en fait devenu l'instrument le plus utilisé de la mission). Mars 2020 a donc été équipé du même type d'appareil, dans une version plus puissante (la Chine a également retenu cette technique pour sa première mission martienne).

SuperCam est architecturée autour de trois unités bien distinctes. La première est l'unité du mât, fournie par la France, et qui comporte le système optique (télescope), les lasers, la caméra couleur de contexte (RMI), le spectromètre infrarouge, et pour terminer un boitier renfermant l'électronique de contrôle. Grâce à la motorisation du mât, SuperCam pourra pointer des cibles sur 360° en azimut (sur le plan horizontal) et sur ±90° en élévation (sur le plan vertical). Les photons collectés par le télescope du mât sont acheminés par une fibre optique (dont le parcours est complexe) à l'intérieur du robot, ou se trouvent trois autres spectromètres placés quant à eux sous responsabilité américaine. Enfin, les indispensables cibles de calibration sont fixées à l'extérieur, sur la partie arrière du châssis du rover.

D'un point de vue analyses chimiques, SuperCam est en fait un véritable couteau suisse. Contrairement à ChemCam, qui reposait uniquement sur la technique dite de spectrométrie d'ablation laser, SuperCam combine trois techniques principales : la spectrométrie d'ablation laser bien entendu, mais également la spectrométrie Raman et la spectrométrie infrarouge.

LIBS (spectrométrie d'ablation laser)

L'instrument ChemCam de Curiosity était un type particulier de spectromètre appelé spectrométrie d'ablation laser (Laser Induced Breakdown Spectroscopy ou LIBS) dont le principe est le suivant : un faisceau laser de très forte intensité est focalisé vers une cible (une roche, le sol, la paroi d'une cavité de forage) dont la surface est alors portée très rapidement à très haute température (environ 8 000° C). Sous cet échauffement extrêmement brutal, les matériaux situés sur une très petite portion de la cible (typiquement une zone aussi petite que la pointe d'un crayon) sont vaporisés, et transformés en un nuage de vapeur, qui se met à émettre de la lumière dans différentes longueurs d'ondes. Ce nuage de plasma lumineux (c'est ainsi que l'on désigne ce gaz extrêmement chaud où les électrons sont séparés des noyaux atomiques, et où toutes les particules flottent librement de manière anarchique) est observé à distance par un dispositif optique, composé d'un miroir qui recueille les photons, et un ensemble de spectromètres chargés de leur analyse. Les spectromètres fournissent des spectres, qui représentent graphiquement l'intensité des émissions lumineuses du nuage de plasma en fonction de la longueur d'onde, ce qui permet ensuite de déterminer, de façon plus ou moins simple, la composition chimique élémentaire (atomique) de la cible étudiée.

Grâce à son laser, SuperCam possède un avantage non négligeable par rapport à d'autres instruments d'analyses : ce dernier peut effectivement nettoyer gratuitement la surface d'une roche, en ôtant notamment la couche de poussière qui adhère à cette dernière, et qui peut facilement tromper certaines techniques d'investigation incapables de réaliser des mesures en profondeur (c'est le cas notamment de la spectrométrie infrarouge). Les rovers Spirit et Opportunity, puis Curiosity, possédaient une brosse métallique (RAT et DRT) pour abraser la surface des roches, et enlever la couche de poussière ainsi que la croûte superficielle altérée, mais le laser de SuperCam peut réaliser naturellement, de façon bien plus rapide, un décapage, sur une surface certes bien plus petite.

Par rapport à ChemCam, le module LIBS de SuperCam a été amélioré. Le laser utilisé pour l'ablation, qui était de couleur verte sur Curiosity, est devenu un laser infrarouge (d'une longueur d'onde de 1064 nm). Sa portée reste la même (7 mètres), mais l'instrument peut effectuer des tirs dix fois plus rapidement que ChemCam.

Spectrométrie Raman et infrarouge

En plus du LIBS décrit ci-dessus, SuperCam comporte donc autres techniques d'analyse tout en apportant d'autres améliorations et perfectionnements. Grâce à un second laser vert (532 nm) d'une portée de 12 mètres, l'instrument peut ainsi réaliser des mesures Raman (dont le principe est décrit dans la section consacrée à l'instrument SHERLOC), une grande première sur Mars. Le Raman est une technique d'investigation de la matière très puissante, capable d'identifier de nombreux minéraux et molécules organiques. Si la technique LIBS renseigne sur la composition atomique, le Raman permet de déterminer la composition moléculaire du matériau ciblé.

S'il s'agit d'une technique d'analyse très efficace, la spectrométrie Raman s'avère dans la pratique délicate à mettre en œuvre. L'un des nombreux obstacles posés par le Raman est le fait que lorsqu'il frappe sa cible, le faisceau laser ne provoque pas uniquement l'émission de très rares photons Raman, mais il donne également naissance à une fluorescence parfois très importante du matériau étudié, qui peut alors très facilement aveugler les capteurs (les photons Raman étant alors noyés dans une luminescence très vive). Pour contrer au maximum cet effet parasite, SuperCam utilise une astuce qui consiste à ouvrir puis fermer très rapidement l'obturateur des spectromètres : celui-ci peut rester ouvert pendant une période aussi courte que 100 nanosecondes ! Un intervalle de temps tellement étroit que seuls quelques photons peuvent alors passer, le phénomène de fluorescence étant alors particulièrement atténué. Ce type de spectrométrie, appelée spectrométrie de luminescence résolue en temps (TRF, Time-Resolved Fluorescence), offre également des possibilités d'analyse supplémentaires de la matière.

SuperCam est aussi dotée d'un spectromètre infrarouge, qui tire notamment parti de l'expérience gagnée avec l'instrument SPICAM de la sonde européenne Mars Express. Contrairement au Raman, la spectrométrie infrarouge est maintenant devenue une technique de routine sur les missions d'exploration martienne, en particulier sur les orbiteurs (avec notamment Omega sur la sonde Mars Express et CRISM pour Mars Reconnaissance Orbiter ; pour les engins de surface, on peut aussi mentionner le mini-TES des rovers Spirit et Opportunity). Le spectromètre infrarouge de SuperCam (VISIR) possède une portée de plusieurs kilomètres, et fonctionne dans une bande de longueurs d'ondes du visible et de l'infrarouge (400 à 900 nm, et 1,3 à 2,6 microns). Il permettra notamment d'identifier des minéraux présentant un fort intérêt pour la recherche de traces de vie fossiles, comme les argiles, les carbonates et les sulfates.

Caméra de contexte couleur (RMI, Remote Micro-Imager)

Comme ChemCam, SuperCam embarque une caméra fonctionnant dans le visible, et capable de fournir des images détaillées contextuelles des cibles visées par l'instrument. Contrairement à Curiosity, les images renvoyées seront cependant cette fois ci en couleurs.

Cibles de calibration

Comparé à ChemCam, SuperCam embarque trois fois plus de cibles de calibration (25 en tout). Ces dernières permettent de s'assurer que l'instrument fonctionne correctement, et que les mesures réalisées sont justes. Parmi les différentes cibles se trouvent une météorite martienne, NWA 10170. On ne pourra pas reprocher au fragment choisi de n'avoir pas voyagé : éjecté de la surface martienne il y a probablement des millions d'années, NWA 10170 a été ramassée en Afrique du Nord (Mauritanie ou Maroc) en 2015. Un morceau de 5,65 grammes fut amené à bord de la station spatiale internationale par le spationaute Thomas Pesquet au cours de la mission Proxima (de novembre 2016 à juin 2017), avant d'être redescendue sur Terre. Une tranche est maintenant fixée sur Perseverance, et va donc repartir vers son lieu d'origine, la planète Mars. A défaut de pouvoir encore ramener sur Terre des roches de Mars, nous en envoyons là-bas !

Microphone : l'image et le son

Enfin, cerise sur le gâteau, SuperCam embarque également un microphone monté au sommet du mât, qui servira d'abord et avant tout à enregistrer les bruits générés par les impacts du laser d'ablation. Effectivement, aussi étonnant que cela puisse paraître, certaines caractéristiques physiques des matériaux frappés, et non des moindres, peuvent être déterminées acoustiquement. Selon la nature du staccato que le microphone de SuperCam enregistra lorsque les cibles seront mitraillées par les pulses du laser, les scientifiques pourront déduire de nombreuses choses. L'intensité des sons variera par exemple selon la dureté des matériaux rocheux, et ne sera pas la même entre un basalte frais et une roche sédimentaire argileuse.

Comme tout micro que se respecte, le microphone de SuperCam pourra également enregistrer les sons de l'environnement martien, depuis le grondement sourd des bourrasques de vent, en passant par le passage des tourbillons de poussière et le déplacement des grains de sable en surface. SuperCam réalisera en fait les premiers enregistrements directs jamais obtenu avec un microphone depuis la surface de Mars. Des sons provenant de la planète rouge avaient déjà auparavant été fournis par la mission InSight, mais ces derniers avaient été enregistrés indirectement par le sismomètre SEIS et le capteur de pression ultra-sensible de la station météo APSS, et non par un véritable microphone.

Depuis le début de la conquête spatiale, ce sera la troisième tentative connue pour envoyer un microphone à la surface de la planète rouge. En 1998, la sonde Mars Polar Lander embarquait un tel capteur, mais celui-ci n'a jamais pu renvoyer aucune donnée, étant donné que la mission s'est finie de manière dramatique avant d'avoir pu commencer (l'engin ayant disparu sans laisser de traces au niveau du pôle sud le 3 décembre 1999, au cours de son atterrissage). Un second essai eu lieu avec la mission Phoenix en 2008 (qui reprenait le même type d'atterrisseur que Mars Polar Lander), mais confrontés à des problèmes électroniques pouvant mettre en péril la mission, les ingénieurs préférèrent ne pas tenter le diable, et le microphone (situé au niveau de la caméra de descente) ne fut hélas jamais activé.

Outre les sons martiens, le microphone de SuperCam servira aussi de stéthoscope aux ingénieurs en charge de la bonne santé du rover. Les bruits générés par son activité quotidienne, comme les mouvements du bras robotique, le perçage des roches lors des opérations de forage, le labourage de la fine carapace durcie du régolite par les roues, le choc lors de l'abandon des tubes d'échantillons au sol, ou encore les rythmes normalement réguliers des pompes et moteurs, seront ainsi écoutés avec attention.

PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry)

Si SuperCam va fournir de nombreuses informations sur la composition chimique élémentaire (atomique) et moléculaire des cibles géologiques qu'il ciblera sans même les toucher, d'autres analyses, cette fois-ci de proximité, seront nécessaires avant que la décision de prélever un échantillon ne puisse être prise par l'équipe scientifique. Ce type d'analyse sera du ressort de deux instruments montés sur la tourelle du bras robotique, PIXL et SHERLOC.

Le premier instrument, PIXL, marche sur les traces des spectromètres APXS, embarqués avec succès sur plusieurs missions, de Pathfinder en 1997 jusqu'à Curiosity en 2012 en passant par les rovers Spirit et Opportunity en 2003. Ces spectromètres étaient destinés à mesurer la composition élémentaire des roches et du sol, en analysant une petite surface de quelques cm2 grâce à un bombardement de rayons X. Comme eux, le rôle de PIXL est de déterminer la composition chimique élémentaire des roches et du sol. Mais contrairement à eux, PIXL pourra aussi réaliser pour la première fois des cartes chimiques qui seront superposées à des images très précises montrant la texture et la microstructure des matériaux étudiés, pour des mesures intégrées sub-millimétriques.

Monté sur la tourelle rotative du bras de Mars 2020, PIXL est un spectromètre à fluorescence X couplé à une caméra microscopique de contexte (MCC, Micro Context Camera) co-alignée avec le capteur principal, et équipée d'un dispositif LED pouvant projeter sur la roche une grille visible. Son principe est le suivant : une source à rayons X d'une puissance de 28 kV produit un faisceau focalisé d'un diamètre de 100 microns, émis en direction d'une cible située à 25 mm de distance. Sous l'effet de l'excitation reçue, les éléments chimiques entrent en fluorescence, qui est alors mesurée par des détecteurs spécialisés, ce qui permet au final de déterminer la nature des atomes présents dans la zone ciblée (26 éléments majeurs, mineurs et de traces), avec une grande sensibilité, et ce en un temps record (moins de 10 secondes). Grâce aux progrès effectués dans la mise au point de ce type d'instruments, plusieurs éléments pourront être mesurés à des concentrations plus faibles que sur les missions précédentes, et d'autres seront détectables pour la première fois.

Le capteur de PIXL est monté sur un dispositif mobile à 6 degrés de liberté (hexapod) qui permet d'effectuer un balayage précis dans les trois dimensions de l'espace. En quelques d'heures d'acquisition, PIXL peut ainsi réaliser des cartes chimiques sur quelques cm2 de surface, avec une résolution sub-millimétrique pour chaque élément. Si la cartographie chimique peut être réalisée sur des surfaces rugueuses, les résultats sont néanmoins meilleurs avec une surface plate. Avant analyse, les surfaces rocheuses seront donc préparées grâce au dispositif d'abrasion du rover (dust removal tool). Cet outil permet d'ôter la poussière et la couche superficielle d'altération qui recouvre les roches, et de "polir" une zone de 45 mm de diamètre. Les particules créées par l'abrasion pourront de plus être soufflées par un jet puissant d'azote fournis par le GDRT fixé sur la tourelle (Gaseous Dust Removal Tool), de manière à dévoiler au mieux d'éventuelles informations texturales. Si des caractéristiques microstructurales restent masquées par les inévitables stries dues au nettoyage de la roche, elles pourront néanmoins réapparaitre sur les cartes chimiques.

Avec une résolution chimique spatiale d'environ 100 microns, PIXL est en capacité d'obtenir la composition chimique de structures très fines, comme des grains minéraux et des cristaux individuels, des anneaux d'altération autour des cristaux, des laminations, des veinules et concrétions, des ciments et dépôts interstitiels, etc. L'instrument va donc permettre une véritable analyse pétrographique des roches, en plus de fournir leur composition chimique moyenne.

SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals)

Monté lui aussi sur le bras robotique de Perseverance, l'instrument SHERLOC, avec son inséparable compagnon WATSON, est dédié à l'identification des minéraux et de la matière organique dans les roches martiennes. Autant dire qu'il joue un rôle central dans les investigations que Mars 2020 aura à mener à l'intérieur du cratère Jezero, et qu'il complémente à merveille PIXL.

Principe de l'effet Raman

Pour mener à bien sa tâche, SHERLOC met en œuvre l'effet Raman, découvert par le physicien indien Chandrashekhara Venkata Râman dans les années 1920. La spectrométrie Raman est une puissante technique d'investigation de la matière qui consiste à focaliser un faisceau de lumière monochromatique (typiquement un laser) sur l'échantillon que l'on veut étudier, puis à recueillir pour analyse la lumière diffusée en retour grâce à un détecteur. Lorsqu’une surface est bombardée par un faisceau laser, la majeure partie des photons est soit transmise (les photons passent à travers le matériel), soit réfléchie (les photons sont réfléchis comme par un miroir), soit absorbée pour être transformée en chaleur. Seule une très petite quantité de lumière est diffusée, et c'est ce qui nous intéresse ici, car l'effet Raman est un phénomène de diffusion.

Le phénomène physique de diffusion de la lumière résulte principalement de quatre effets portant le nom de leurs découvreurs : Tyndall, Rayleigh, Brillouin et enfin Raman. Ces effets peuvent être rangés en deux catégories : diffusion élastique, si la lumière diffusée possède la même longueur d’onde que le faisceau incident, et diffusion inélastique si la composante diffusée possède une longueur d’onde différente de celle du faisceau excitateur, ce qui est le cas de la diffusion Raman.

L'une des grandes difficultés posées par l'effet Raman tient dans le fait que le phénomène physique de diffusion inélastique est excessivement ténu : en moyenne, son intensité est dix millions de fois plus faible que celle du faisceau de lumière frappant la cible. Capturer les très rares photons Raman diffusés pour pouvoir les analyser représente donc un véritable exploit technique.

Pourtant, le jeu en vaut la chandelle, car une fois collectés, les photos Raman fournissent une foule d'informations essentielles sur l'objet étudié. Un spectre Raman, exprimant l'intensité de la diffusion Raman en fonction de la différence d'énergie entre d'une part la lumière excitatrice (le laser) et les raies de diffusion, permet de remonter non seulement à la composition chimique moléculaire du matériel frappé, mais également à sa structure cristalline (quand il en possède une), ainsi que certaines de ses propriétés électroniques (comme par exemple la nature chimique des liaisons entre les atomes, ou les types de mouvement qu'elles peuvent effectuer les unes par rapport aux autres). Inutile de dire que sur Terre, la spectrométrie Raman est une technique centrale dans de très nombreux domaines. Grâce au Raman, qui est utilisé dans le cadre de la mission Perseverance pour la première fois sur Mars, les géologues pourront identifier presque sans ambigüité la nature des minéraux formant les roches martiennes, mais également repérer la présence de traces infimes de matériaux organiques.

Comme toutes les autres méthodes d'étude de la matière, la technique Raman n'est cependant pas parfaite. L'un des effets indésirables majeurs de cette méthode d'investigation est le fait que le laser utilisé pour l'analyse provoque souvent une fluorescence des matériaux (déjà mentionné pour SuperCam), dont l’intensité peut gêner considérablement la mesure des photons diffusés par effet Raman. Cependant, avec SHERLOC, l'effet "parasite" de luminescence sera également mis à contribution pour faire parler les roches martiennes.

Réalisation des analyses

Lorsque le rover Perseverance aura identifié à distance une roche suffisamment intéressante pour mériter des analyses de proximité plus poussées, le bras robotique approchera le capteur de SHERLOC de sa nouvelle cible. Grâce à un laser ultraviolet (248 nm), l'instrument effectuera alors un balayage précis d'une petite surface pour déterminer sa composition chimique. La capacité de balayage est ici essentielle : contrairement à d'autres instruments employés sur des missions martiennes précédentes qui réalisaient des analyses ponctuelles et comme PIXL, SHERLOC va permettre de dresser de véritables cartes de composition chimique, beaucoup plus riches en termes d'information que des mesures individuelles.

Simultanément, la caméra WATSON (qui joue un rôle similaire à la caméra MAHLI de Curiosity, c'est à dire qui remplace la traditionnelle loupe que les géologues de terrain utilisent sur Terre) obtiendra des clichés très rapprochés de la cible, ce qui permettra d'étudier la texture minéralogique (taille et arrangement des grains). Les photos obtenues par WATSON pourront ensuite être superposées avec les cartes chimiques de SHERLOC, ainsi que les données fournies par l'instrument PIXL, ce qui offrira aux géologues un jeu inédit et corrélé d'informations sur les roches martiennes et les secrets qu'elles renferment.

Pour sa calibration, SHERLOC dispose d'une dizaine de cibles montées sur une plaque de la taille d'un grand smartphone et dont la composition chimique a été déterminée de façon très précise dans des laboratoires terrestres. L'une des cibles de calibration est particulière, puisqu'il s'agit d'un fragment appartenant à la météorite martienne Sayh al Uhaymir 008, découverte en 1999 dans le désert d'Oman (l'instrument SuperCam embarque également une météorite martienne comme cible de calibration). Ce matériau particulier permettra notamment de mieux connaître les processus d'altération liés à l'interaction des roches avec l'environnement martien actuel. Cinq échantillons de matériaux utilisés dans la fabrication des combinaisons spatiales (casques compris) sont également présents sur la plaque de calibration. Ils permettront aux scientifiques d'étudier comment ces derniers vont résister aux outrages que la planète Mars ne manquera pas de leur faire subir, dans le cadre de la préparation de futures missions habitées.

RIMFAX (Radar Imager for Mars' subsurFAce eXperiment)

Le rover Mars 2020 embarque un radar à pénétration de terrain, le premier jamais monté sur un véhicule martien américain, pour sonder la structure du sous-sol (les seuls radars utilisés jusqu'à présent sur Mars étaient montés sur des orbiteurs, Mars Express et MRO). Baptisé RIMFAX, il se compose d'une antenne, fixée à l'arrière du rover sous le RTG et pointant vers le sol, ainsi que d'un boitier électronique placé bien à l'abri à l'intérieur du châssis. Il est similaire au radar WISDOM du rover européen (Rosalind Franklin) de la mission ExoMars proposée par l'Agence Spatiale Européenne.

RIMAX enverra vers le sol des pulses d'ondes radar, à des fréquences variant entre 150 à 1200 mégahertz. En analysant les échos (c'est à dire la façon dont les ondes radio reviennent à l'instrument après avoir été absorbées, réfléchies ou diffusées par les matériaux rencontrés), il pourra déterminer la stratigraphie du sous-sol, et identifier la présence de différentes structures comme des roches et des strates sédimentaires, des lentilles de glace ou de sable, des poches d'eau ou de saumure, etc. Sa profondeur maximale de pénétration est de dix mètres, pour une résolution verticale d'environ 15 à 30 centimètres.

Les capacités de forage du rover Perseverance étant somme toute très limitées, RIMFAX offrira une alternative crédible pour la détermination de la nature du sous-sol. Les données qu'il fournira serviront notamment à mieux définir le contexte géologique des échantillons qui seront prélevés par le rover, et à identifier des strates rocheuses souterraines potentiellement intéressantes, et qui pourraient être portées à l'affleurement un peu plus loin (permettant alors cette fois ci une étude complète par les autres instruments du rover).

La recherche de strates rocheuses sédimentaires, pouvant contenir des biosignatures, et enfouies depuis une grande période de temps, est un impératif pour la recherche de traces de vie passées sur Mars. Effectivement, l'exposition, sur de longues périodes de temps (des millions d'années) de roches aux effets délétères du rayonnement ultraviolet solaire et surtout des rayons cosmiques, peut réduire à néant les chances d'identifier des indices biologiques. Il est donc essentiel de rechercher des roches très anciennes qui n'ont été exposées que très récemment à l'air libre, et dont les potentielles biosignatures n'ont pas encore pu être effacées par les particules très énergétiques du rayonnement cosmique.

MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyzer)

Aucune sonde robotique n'est jamais envoyée à la surface de Mars sans au moins une station météorologique minimaliste. Celle embarqué sur Mars 2020, MEDA, est particulièrement complète, puisqu'elle pourra renvoyer des mesures de la température de l'air et du sol, de vitesse et de direction des vents, de pression, d'humidité, d'opacité atmosphérique (quantité de particules de poussière en suspension dans l'air), et ce quel que soit le statut du rover (actif ou en sommeil), de jour comme de nuit. Le niveau d'irradiation dans différentes bandes spectrales frappant la surface, un paramètre critique pour la mise au point de missions habitées mais également la préservation de biosignatures, sera également déterminé. MEDA est composé d'un ensemble de capteurs (dont une énième caméra, SkyCam !) disséminés un peu partout sur le rover, au niveau du mât, sur le pont, sur l'avant du châssis et enfin à l'intérieur de ce dernier.

MOXIE (Mars OXygen In-Situ Resource Utilization Experiment)

MOXIE n'est pas à proprement parler un instrument, mais la première usine chimique qui fonctionnera à la surface de Mars. Ce dispositif devra permettre de prouver que la production d'oxygène (O2) à partir du dioxyde de carbone atmosphérique est possible sur Mars, un impératif pour l'envoi de missions habitées vers la planète rouge dans un futur proche, que ce soit pour l'air des modules d'habitation, ou comme comburant pour les moteurs des fusées. La capacité à fabriquer sur place des composés chimiques (comme l'oxygène ou le méthane), plutôt que de devoir les amener depuis la Terre (à des coûts prohibitifs), joue un grand rôle dans les scénarios actuels d'exploration de Mars par l'homme.

Composée en grande majorité de dioxyde de carbone (CO2), et avec une quantité d'oxygène très faible (0,13 %), l'atmosphère martienne est donc par définition irrespirable (à titre de comparaison, l'atmosphère terrestre renferme principalement de l'azote, et contient 21 % d'oxygène, le tout à une pression bien supérieure à l'air martien). Pourtant, une fois compressé, le CO2 martien peut permettre de fabriquer l'oxygène si précieux aux terriens.

Placé à l'intérieur du châssis du rover, MOXIE a la taille d'une batterie de voiture. Ce générateur d'oxygène est composé de plusieurs modules. Le premier (appelé CAC) est dédié au prélèvement de l'atmosphère (la source de dioxyde de carbone) et après un filtrage obligatoire (pour éliminer l'omniprésente poussière), à sa compression à une pression terrestre d'une atmosphère. Une fois obtenu, la molécule de dioxyde de carbone (CO2) est ensuite cassée en deux par un processus électrochimique à haute température (800°C) par un second module (SOXE), qui fournit alors de l'oxygène (O2) et du monoxyde de carbone (CO). La quantité et la pureté de l'oxygène fabriqué est alors analysée par un troisième module, avant que ce dernier ne soit rejeté à l'extérieur, avec les autres gaz généré par l'usine chimique, après une nouvelle filtration (cette fois ci pour des questions de protection planétaire, c'est à dire de protection de l'environnement martien).

En réalisant plusieurs tests tout au long de la mission de Perseverance, les ingénieurs de MOXIE chercheront à optimiser la production d'oxygène en agissant sur différents paramètres, comme la température à l'intérieur de la chambre électrochimique, le débit de CO2 ou encore le courant circulant entre les électrodes. En fonctionnement, MOXIE consommera environ 300 watts, et fournira environ une heure d'oxygène respirable à chaque test (nous sommes donc très loin des besoins d'une mission habitée, pour ne rien dire de la terraformation !). L'appareil servira également à étudier la taille et la morphologie des grains de poussière, ce qui explique qu'il soit comptabilité parmi les instruments scientifiques de Mars 2020.

Ingenuity, le premier hélicoptère martien

Avec sa vingtaine de caméras, la mission Mars 2020 va fournir des images inédites dans l'histoire de la conquête spatiale. Les clichés qui seront renvoyés par les caméras dédiées à l'imagerie de la séquence d'atterrissage promettent d'être spectaculaires, mais ce sont surtout les vues du rover et des paysages martiens obtenues par le petit hélicoptère Ingenuity qui marqueront sans doute de façon indélébile les esprits. Les sondes les plus récentes, comme Curiosity ou InSight, parvenaient via la caméra de leur bras robotique à se prendre presque totalement en selfie, mais grâce à son compagnon volant, Mars 2020 va pouvoir être photographié en entier à la surface de Mars, depuis un point de vue particulièrement avantageux, le ciel.

L'embarquement, sur la mission Mars 2020, d'un hélicoptère n'a pas été de soi, et de nombreux ingénieurs au JPL s'étaient opposés au projet, craignant que l'ajout de l'engin ne vienne compliquer la mise au point du rover, et rallonger les opérations de surface (dont le planning est très serré), sans compter bien entendu les risques de crash en cas d'incident sur Mars. La curiosité, l'attrait pour les challenges technologiques et les retombées médiatiques que l'engin ne manquera pas de susciter ont cependant eu raison du scepticisme d'une partie de l'équipe technique et managériale.

Faire voler un hélicoptère sur Mars sera une grande première, et un véritable exploit technologique. L'environnement martien se prête en effet assez mal à ce genre de machines. Sur Mars, la pression atmosphérique est très faible (en moyenne 7 mbars, soit 1/160e de celle de la Terre). Pour trouver, sur notre planète, une pression atmosphérique similaire à celle de la planète rouge, il faut monter à environ 35 kilomètres d'altitude. Or, la plus haute altitude jamais atteinte par un hélicoptère depuis son invention n'est que de 12 kilomètres.

On s'en doute, le premier hélicoptère martien (baptisé Ingenuity) est un engin très modeste : un petit cube de 14 centimètres de côté, flanqué à son sommet de deux pales contra-rotatives d'une envergure légèrement supérieure au mètre très légères, et monté sur quatre jambes très fines et flexibles terminées par des petits patins en forme de club de golf, qui lui donne un peu l'allure d'un insecte.

Le secret de la capacité d'Ingenuity à évoluer dans l'air extrêmement ténu qui entoure la planète Mars tient dans la vitesse de rotation des pales de son rotor. Ces dernières effectuent 2400 à 2900 tours par minute, soit une vitesse cinq à six fois supérieure à celle des pales d'un hélicoptère terrestre (environ 500 rotations par minute). Durant le vol, la pale du rotor située en haut appuie sur l'air vers le bas, la pale inférieure recevant alors un air plus dense, ce qui améliore la portance. La présence de pales contrarotatives rend la présence d'un rotor de queue non nécessaire, et supprime l'effet de couple.

L'engin est bien entendu très léger, et un effort énorme a été consenti par les ingénieurs pour réduire au maximum son poids : il ne pèse que 1,8 kg. Il tire son énergie d'un panneau solaire (monté au-dessus des pales), qui vient recharger une batterie au lithium d'environ 40 watts. La majorité de l'énergie (les 2/3) sera utilisé par l'hélicoptère pour lutter contre le froid martien et survivre tant bien que mal sur Mars. L'isolation thermique est assurée par un ensemble de résistances chauffantes, qui sont épaulées par une isolation fait d'un matériau alvéolaire rempli de dioxyde de carbone. Au niveau de l'avionique, Ingenuity est équipé de plusieurs dispositifs de vol (altimètre, gyroscope, inclinomètre), d'une caméra de navigation et d'une caméra couleur, et enfin d'un radio UHF pour les communications avec le rover (pour communiquer, Ingenuity doit rester dans une zone d'un kilomètre autour de Perseverance).

Ingenuity est avant tout d'un démonstrateur technologique, et il n'embarque aucun instrument scientifique. Cependant il offrirait un avantage certain pour la conduite des opérations du rover, en permettant en particulier une meilleure planification de ses déplacements. Malgré toutes ses caméras, Perseverance n'est effectivement pas en mesure de générer des modèles numériques de terrain à plus de 40 mètres de distance. Grâce à sa situation privilégiée, une trentaine de mètres au-dessus de la surface martienne, Ingenuity bénéficiera d'une vue panoramique bien meilleure sur les terrains martiens entourant le rover, et permettra de modéliser les paysages sur un rayon bien supérieur de 500 mètres. L'altitude maximale qu'il pourrait théoriquement atteindre est de 400 mètres.

Pour le lancement et le voyage vers Mars, Ingenuity est fixé sous le châssis de Perseverance, plaqué à l'horizontal contre le bas de caisse. Un dispositif de déploiement très travaillé va permettre sa dépose à la surface de Mars, deux mois après l'atterrissage du rover à l'intérieur du cratère Jezero. On l'imagine aisément, la marge de manœuvre en termes d'espace est plus que limitée : si la garde au sol de Perseverance est plus qu'honnête (67 centimètres), comme l'hélicoptère une fois redressé mesure 49 centimètres de hauteur (auquel il faut ajouter 6 centimètres pour le mécanisme de déploiement, on voit que seulement 13 centimètres vont séparer l'engin de l'implacable surface martienne).

Pour pouvoir libérer l'hélicoptère, Perseverance sera donc dirigé sur un terrain très plat, sans aucun obstacle, d'environ 10 mètres sur 10 mètres, qui servira d'héliport improvisé, et qui devra aussi offrir de surcroit une vue dégagée pour le rover situé à l'écart. La première étape consistera à éjecter un bouclier en matériaux composites, qui protège Ingenuity durant la phase d'atterrissage de la pluie de débris générée par les rétrofusées. Le départ du bouclier expose pour la première fois l'hélicoptère à l'air martien. Tout l'exercice va alors consister à le remettre sur pied. Un dispositif qui maintient l'hélicoptère en place sera déverrouillé, puis l'activation d'un premier boulon pyrotechnique (frangiblot) libérera un bras qui va faire basculer l'hélicoptère à 45°, sans qu'aucune de ses pattes ne puissent encore toucher le sol. En continuant à pivoter, le support de l'hélicoptère va alors redresser complètement ce dernier, avec deux pattes correctement positionnées vers le sol. Il ne reste plus à Ingenuity qu'à déverrouiller ses deux autres pattes, pour se retrouver dans une position autorisant son détachement. Grâce à l'activation d'un dernier frangibolt, l'hélicoptère est alors lâché, et après une chute d'une dizaine de centimètres, atterrit enfin à la surface de Mars. Curiosity n'a alors plus qu'à s'éloigner prudemment à nouveau d'une centaine de mètres, en passant au-dessus de l'hélicoptère.

Une fois que la distance entre les deux robots sera jugée suffisante, le premier essai d'une série de 5 vols pourra débuter, les tests devant s'étaler sur 30 jours martiens. La meilleure période pour les vols se situera en fin de matinée (11:00 heure locale sur Mars) : la charge des batteries sera bonne, le soleil aura réchauffé suffisamment l'engin, mais l'atmosphère sera encore assez froide, et donc dense, avec des vents assez réduits. Au contraire, au cours de l'après-midi, les vents seront levés, et l'atmosphère, plus chaude, sera moins dense, donc moins porteuse.

Ingenuity est conçu pour effectuer des vols très courts de 90 secondes au maximum (ce qui consommera 350 watts en moyenne), et ce de façon entièrement autonome, une prise de contrôle par des opérateurs terrestres étant totalement impossible. Cette contrainte est due non seulement à la distance Terre - Mars (des centaines de millions de kilomètres), mais aussi parce que dans l'atmosphère martienne, l'engin évoluera en instabilité permanente, une situation qui ne peut être compensée que par un ordinateur capable de prendre des centaines de décision par seconde. Les déplacements de l'hélicoptère dans les trois dimensions de l'espace seront assurés par le changement de l'angle d'attaque (angle d'incidence) des pales (contrôle de la hauteur, collectif) et leur inclinaison (déplacements latéraux et mouvement vers l'avant ou l'arrière, cyclique). A tout instant, un signal radio permettra à l'hélicoptère de rester à distance de sécurité du rover, pour éviter un crash dramatique.

Sur Terre, Ingenuity a été testé dans une chambre martienne de grand diamètre, où la pression et la composition de l'air martien ont été reproduites avec fidélité. Pour simuler la gravité martienne, dont la valeur est d'1/3 inférieure à celle de la Terre, un câble porteur a été utilisé. Si, sur les images, l'engin semble très stable, comme nous l'avons vu le vol est en réalité très turbulent et chaotique, et l'impression de stabilité n'est due, comme nous venons de le dire, qu'à la réalisation d'un très grand nombre de calculs et de prises de décision par l'ordinateur de bord. A cause des turbulences, l'atterrissage d'Ingenuity est problématique, et pour regagner le plancher des vaches, l'engin se laissera simplement tomber au sol depuis une hauteur d'un mètre environ.

Une fois les essais terminés, Ingenuity ne sera hélas pas autorisé à suivre le rover, et son destin de démonstrateur technologique le conduira donc à être abandonné sur place. Cependant, s'il tient ses promesses, le premier hélicoptère martien ouvrira la voie à une manière totalement nouvelle d'explorer Mars. On peut ainsi imaginer que dans des futurs proches, les ingénieurs mettent au point des hélicoptères et des drones plus sophistiqués, capables par exemple de ramener des tubes d'échantillons, d'effectuer des reconnaissances en essaim pour des missions robotiques ou habitées, ou encore d'aller explorer des endroits difficilement accessibles, comme des falaises et des grottes.

Dispositif de prélèvement d'échantillons

Occupant la moitié de la charge utile du rover en termes de masse, le dispositif de prélèvement d'échantillons de Mars 2020 représente probablement le développement technologique le plus important de la mission. Baptisé Sample Caching System (SCS), il a exposé les ingénieurs à une avalanche continuelle de défis techniques que ces derniers ont dû résoudre coute que coute, et est absolument critique pour le succès de la mission, et la progression du programme d'exploration martien vers une campagne de retour d'échantillons.

Le système de prélèvement de Curiosity (SA/SPaH, Sample Acquisition/Sample Processing and Handling), développé par le Jet Propulsion Laboratory (JPL) et qui a donné beaucoup de fils à retordre aux ingénieurs, que ce soit pour son développement ou son utilisation sur Mars, a montré à quel point un tel dispositif technique est complexe et fragile. Les déboires regrettables de l'instrument HP3 de la mission InSight rappellent également comment toute velléité de pénétration et de forage dans des matériaux martiens est par définition risquée, et combien toutes les tentatives d'intervention et de réparation sont limitées sur une planète distante de plusieurs centaines de millions de kilomètres.

Par rapport au système de prélèvements d'échantillons de Curiosity qui avait pour objectif principal de prélever des sections de roche et de les réduire ensuite en poudre fine, le SCS de Mars 2020 est basé sur un design totalement différent, pour lui permettre de remplir un nombre autrement plus varié de fonctions : préparation des surfaces rocheuses avant prélèvement, carottage, scellement étanche des échantillons dans des tubes individuels, stockage et enfin dépose de ces derniers à la surface de Mars dans un ou plusieurs secteurs convenant aux dépôts. Point supplémentaire important, toutes ces opérations devront être réalisées en respectant des contraintes de propreté organique, minérale et biologique, liées aux règles de protection planétaire, et qui sont plus strictes que pour n'importe quelle autre mission jamais envoyée vers Mars (à l'exception peut-être de Viking). Le dispositif de prélèvement d'échantillons de Mars 2020 est ainsi le système le plus propre jamais conçu et envoyé dans l'espace.

Pour réaliser ses prélèvements, Mars 2020 dispose d'un total de 43 tubes à échantillons ressemblant à des stylos, et sera capable de collecter un maximum de 37 échantillons de roches ou de régolite (le prélèvement de poussière ou d'atmosphère n'est pas prévu, et devrait être réalisé par une future mission de récupération). Mars 2020 devra remplir au moins 20 tubes durant sa mission nominale d'une durée d'une année martienne.

Si, comme nous venons juste de le mentionner, Mars 2020 emporte avec lui 43 tubes, mais que seuls 37 sont dévolus à des prélèvements d'échantillons, à quoi peuvent donc bien servir les 5 étuis restants ? Il s'agit en fait de tubes témoins, pré-chargés avec un dispositif de prélèvement (appelé witness plate assembly, WPA) ultra propre et contenant différentes substances (mousse d'aluminium, céramique) capables de capturer efficacement des contaminants moléculaires et particulaires, tels que des gaz, des résidus rejetés par les rétrofusées du système d'atterrissage, et d'une manière plus générale n'importe quel composé organique ou minéral terrestre emmené par accident sur Mars (et ce malgré toutes les précautions prises en amont). Les tubes témoins seront ouverts et exposés à l'environnement martien à proximité de certains sites de récoltes jugés critiques, puis scellés et conservés en vue d'une récupération future. L'un des tubes sera aussi ouvert durant la phase de croisière, puis scellé une fois à l'arrivée.

Chaque échantillon rocheux consistera en une section cylindrique (appelée carotte) d'environ 1 centimètre de diamètre et de 5 à 6 centimètres de longueur (soit à peu près la taille d'une craie), pour un poids de 10 à 15 grammes. Cette quantité a été jugée nécessaire pour pouvoir tripler sur Terre toutes les analyses considérées comme essentielles (et qui seront effectuées dans différents laboratoires terrestres, et si possible par différentes méthodes), tout en conservant 40 % de la masse pour les générations futures.

Fabriqués par l'imposant système de carottage fixé sur la tourelle du bras robotique (corer), les cylindres rocheux sont automatiquement placés durant leur réalisation dans des tubes individuels ultra-propres en titane, d'une contenance d'environ 10 cm3. L'un des nombreux challenges liés à la réalisation des carottes sera de conserver l'intégrité de la roche de la façon la plus complète possible, y compris pour des matériaux peu consolidés, et d'éviter les fractures, ou pire, la fragmentation en morceaux puis leur mélange (ce qui pourrait ensuite empêcher la reconnaissance de certaines biosignatures, comme par exemple les délicates laminations des stromatolithes). Le régolite, un matériel très meuble, sera quant à lui prélevé par un foret dédié.

Durant le carottage et le stockage sur Mars, la température des échantillons ne devra jamais dépasser 60°C (les tubes sont ainsi recouverts d'un matériau réfléchissant les rayons du soleil). De plus, de manière à minimiser les pertes en composés volatils, les échantillons devront être scellés hermétiquement le plus rapidement possible après leur acquisition par la station d'obturation de l'ACA, la partie du système de prélèvements d'échantillons situé à l'intérieur du rover. Enfin, comme nous l'avons déjà évoqué, les contraintes de protection planétaire qui devront être respectées seront très fortes : stérilité absolue (moins d'un micro-organisme terrestre par tube), limites très faibles pour plusieurs dizaines d'éléments pouvant affecter les mesures géochimiques, et enfin contamination organique presque nulle.

Structure du SCS

Pour atteindre ses ambitieux objectifs et contenter des scientifiques aussi exigeants qu'impatients, le SCS s'appuie sur de nombreux sous-systèmes :

  • Un jeu de 37 tubes stériles en titane rangés dans un distributeur (Sample Tube Storage) situé à l'intérieur du châssis du rover et disposant d'une barrière anti-contamination, et 5 tubes témoins supplémentaires.
  • Une tête de forage (corer) monté sur la tourelle du bras robotique et fonctionnant par rotation et percussion similaire à celle de Curiosity, mais modifiée pour pouvoir générer cette fois des carottes, et non de la poudre.
  • Un jeu de forets monté sur un carrousel en forme de soucoupe volante et situé à l'avant du rover (5 forets pour le carottage, 2 forets abrasifs pour la préparation de la surface des roches avant prélèvement, et un foret adapté au prélèvement du régolite martien). Les forets dédiés à la préparation des surfaces permettront d'abraser une zone circulaire d'environ 4 centimètres de diamètre, de manière à faciliter les analyses de proximité par les instruments montés sur la tourelle du bras principal du rover (PIXL et SHERLOC).
  • Un outil permettant d'ôter la poussière (gDRT, gas-based Dust Removal Tool), qui utilise une buse projetant un jet d'azote pour enlever la couche de poussière ainsi que les particules générées durant l'abrasion des surfaces, et qui pourraient venir masquer des détails structuraux et texturaux importants des roches ciblées.
  • Un dispositif ultra-sophistiqué de traitement des échantillons baptisé ACA (Adaptive Caching Assembly), situé à l'intérieur du rover et qui possède son propre bras robotique à trois degrés de liberté (le SHA, Sample Handling Arm, appelé avec humour "T-rex" par les ingénieurs) pour déplacer les tubes au niveau des différentes stations.
  • Un ensemble de stations techniques (qui font donc partie de l'ACA) où les tubes feront des arrêts plus ou moins prolongés. C'est le bras T-rex qui permet le déplacement d'un tube donné d'une station à l'autre, ainsi que la dépose finale de ces derniers à la surface de Mars. Parmi les stations, on trouve :
  • Une station de stockage (Sample Tube Storage), un tube occupant la même position avant et après prélèvement. Au niveau du distributeur, les tubes vierges sont protégés d'une contamination par des particules terrestres résiduelles grâce à une barrière sophistiquée dont le principe de fonctionnement repose sur la mécanique des fluides (Fluid Mechanical Particle Barrier, FMPB).
  • Une station d'inspection (vision assessment station) permettant la prise d'images (extérieur et intérieur du tube) via une caméra dédiée, CacheCam.
  • Une station de mesures volumétrique (volume assessment station), mettant en œuvre un piston (ce qui permet à la fois de compacter les matériaux meubles, mais également de mesurer la quantité de matière présente dans le tube).
  • Une station de réchauffage (tube warming station).
  • Une station d'obturation (sealing station) pour sceller hermétiquement les tubes, et qui dispose d'un ensemble de distributeurs de bouchons (7 distributeurs séparés contenant chacun 7 bouchons individuels).
  • Une station permettant la libération des tubes (Sample Tube Drop-off station).

Prélèvement des échantillons

Pour prélever un échantillon, le bras robotique SHA situé à l'intérieur du châssis de Mars 2020 commence par saisir un tube de prélèvement vide et stérile au niveau de la zone de stockage (qui sert donc de distributeur), pour l'insérer sur un foret en acier situé sur le carrousel. Le bras robotique principal vient ensuite accoupler le dispositif de carottage de la tourelle sur le carrousel, ce qui permet la fixation du foret et de son tube sur la tête de forage. Le foret est ensuite positionné avec précaution contre une roche donnée (dont la surface a été aplanie au préalable et nettoyée), et une carotte est réalisée, soit en mode rotation seulement, soit en mode rotation et percussion. Une fois le cylindre rocheux sectionné au niveau de sa base, le bras robotique s'accouple à nouveau avec le carrousel. Le foret est retiré du bras, et, grâce à la rotation du carrousel, présenté au dispositif ACA situé à l'intérieur du rover.

Le tube à échantillon, maintenant rempli, est retiré de l'embout de la fraiseuse, et passe par différentes stations, dont l'une (vision station) est notamment équipée d'une caméra d'ingénierie (CacheCam), pour permettre aux ingénieurs de regarder à l'intérieur du tube et d'évaluer l'état et l'intégrité de ce dernier. Une seconde station (volume assessment station) permet de mesurer le volume de l'échantillon acquis. Enfin, le tube est ensuite dirigé vers une station d'obturation (sealing station), où il est scellé par un bouchon (fourni par un distributeur), puis replacé dans la zone de stockage, à sa position initiale.

Dans les scénarios initiaux de retour d'échantillons, les tubes pleins étaient conservés et transportés par le rover tout au long de son parcours, avant d'être soit déchargés directement au niveau de la fusée assurant leur remontée en orbite martienne (le MAV), soit déposés en un seul bloc au sol, pour récupération par un second rover (appelé fetch rover). Depuis, la NASA a changé de stratégie, et s'est décidée pour une solution quelque peu particulière (étudiée dès les années 2000) permettant de maximiser la flexibilité et de diminuer les risques, tout en n'étant pas forcément totalement convaincante, l'adaptive caching.

Adaptive caching

L'idée derrière le concept d'adaptive caching consiste à abandonner à la surface de Mars, dans des endroits dont la position sera très bien documentée, à la fois localement (reliefs servant de points de repère) et depuis l'orbite, un ensemble de tubes d'échantillons scellés. Après l'arrivée sur une zone de dépôt, le bras "T-rex" de l'ACA ira chercher au niveau de la zone de stockage les tubes à déposer, et les fera tomber un par un à la surface de Mars. Grâce à l'éjection d'une plaque métallique située sur l'avant du bas de caisse du rover peu après l'atterrissage, le système ACA est effectivement directement exposé à l'environnement martien. Il suffit pour le bras de lâcher un tube dans le vide pour que celui-ci se retrouve au sol.

Charge ensuite à un rover d'une mission future d'arpenter la surface martienne pour atteindre la ou les zones de dépôts, et de ramasser avec délicatesse les précieux tubes métalliques. Pour la NASA, l'objectif est d'éviter un scénario catastrophe dans lequel un incident empêcherait la récupération du container unique (appelé alors monolithic cache) renfermant la totalité des échantillons collectés. Par exemple, suite à une panne, le container à échantillons pourrait se retrouver coincé à l'intérieur du rover. Devenu inamovible, sa récupération serait impossible. Un autre scénario est celui où le rover parvient bien à déposer le container en surface, mais à un endroit qui deviendrait ensuite, pour une raison quelconque, inaccessible pour le rover de récupération. Pour le NASA, un autre avantage de l'adaptive caching est de pouvoir décider après coup d'abandonner définitivement sur Mars quelques tubes, jugés finalement moins intéressant que prévu (le choix final des tubes à faire revenir sur Terre ayant alors lieu parmi tous ceux déposés en surface). Il est à noter qu'avec le système de cache unique, il était également théoriquement possible de ressortir un tube non souhaité du container pour l'abandonner, et faire ainsi de la place pour un prélèvement supplémentaire plus pertinent.

Par rapport aux impératifs de protection planétaire, il est important de garder à l'esprit qu'avec la technique d'adaptive caching, l'extérieur des tubes sera immédiatement contaminé par l'environnement martien (poussière, particules minérales, etc.). La façon dont les tubes seront manipulés et traités pour empêcher le retour accidentel d'organismes martiens potentiels devient donc automatiquement la responsabilité des missions futures de récupération. Dans la mesure du possible, les secteurs désignés comme zone de dépôt seront notamment caractérisés par un niveau faible de déposition de poussière, mais les contaminants martiens seront néanmoins toujours omniprésents à la surface extérieure des tubes.

Durant sa longue et lente exploration du cratère Jezero, le rover de Mars 2020 procédera donc ainsi : sur la base des observations orbitales, l'engin sera dirigé vers une zone d'intérêt jugée prioritaire (ROI), qu'il explorera en détails, et au sein de laquelle il prélèvera environ une dizaine d'échantillons. Le rover se déplacera alors vers une seconde zone d'intérêt, mais avant de l'explorer, il déposera les échantillons sur un site de dépôt adapté. La seconde zone d'intérêt sera alors étudiée en détails, et dix nouveaux échantillons seront acquis. Le rover retournera ensuite vers la première zone de dépôt pour livrer sa nouvelle cargaison. L'exploration du cratère se poursuivra ensuite de la même façon, l'une des questions étant de savoir si, à un moment donné, une nouvelle zone de dépôt devra être ou non activée. La mise en place d'un nouveau dépôt permettrait effectivement de diminuer les allers et retours du rover, mais cette solution présente également un inconvénient pour l'étape de récupération : il est effectivement possible que l'engin de la mission de ramassage des échantillons n'ait pas la capacité à naviguer sur de longues distances entre plusieurs sites de dépôts.

Avant de continuer, rappelons que même si une mission de récupération est actuellement en cours d'étude par la NASA et l'Agence Spatiale Européenne (ESA) pour un lancement en 2026, les reports et annulations sont très courants dans le domaine spatial. Le temps de résidence des échantillons de Perseverance sur Mars avant leur ramassage reste pour l'instant inconnu. D'un point de vue technique, les tubes et le système de scellement ont été conçus pour résister au moins 10 ans à la surface de Mars, et 10 années supplémentaires en orbite.

A ce stade, il est temps pour nous de conclure ce dossier, en nous demandant ce sur quoi les scientifiques rêvent de mettre la main le jour où ils pourront enfin ouvrir sur Terre les précieux tubes de Mars 2020. Bien entendu, l'étude de l'atmosphère martienne contenu dans les tubes, ainsi que les gaz seront libérés par le sol permettront de réaliser des avancées majeures dans la connaissance de la planète, que ce soit sur les conditions de sa formation, ainsi que l'histoire mouvementée de son évolution. Il en sera de même pour l'étude de la poussière, du sol pulvérulent que l'on appelle régolite, ou encore des laves volcaniques, ou d'autres roches magmatiques plus rares. Mais le pinacle, ce serait de faire revenir de Mars des roches sédimentaires, et en particulier ... des stromatolithes.

A la recherche du saint graal : les stromatolithes martiennes

Depuis que nous en avons acquis les moyens, la recherche des plus anciennes traces de vie sur notre planète n'a cessé de dévoiler au fil des décennies une vérité inconfortable : le fait qu'il s'agit d'une quête très difficile et délicate, où les chausse-trappes et les faux semblants sont innombrables, et où de nombreux scientifiques de renom y ont laissé leur réputation. A des centaines de millions de kilomètres de la Terre, Mars 2020/Perseverance va donc avoir fort à faire sur la planète rouge.

Il y a des milliards d'années, la vie terrestre était uniquement microbienne, et sur les terrains que Perseverance va étudier, qui datent de la même époque, et à moins que la Nature ne nous ait joué un tour pendable, il en sera de même. Ce qui signifie que si la vie est apparue et s'est développée sur Mars tout au début de son histoire, les fossiles qu'elle aura peut-être laissé derrière elle dans les roches du cratère Jezero seront des microfossiles. Or Mars 2020 n'est absolument pas équipé pour pouvoir rechercher et identifier des cellules microscopiques fossiles. Ce genre d'étude nécessite des techniques de préparation des échantillons qui ne sont pas vraiment automatisables, et exige la mise en œuvre de plusieurs types de microscopes et autres instruments sophistiqués d'analyse qui ne dégagent tout leur potentiel que quand ils sont placés entre les mains expertes d'humains entrainés.

En réalité, sur Terre, même avec les instruments les plus performants disponibles dans les laboratoires les mieux équipés, il est extrêmement difficile de prouver la nature biologique d'un microfossile supposé. Dans le domaine de la micro-paléontologie précambrienne, la discipline qui étudie les traces de vie que l'on rencontre dans des roches de l'ère précambrienne (une période de temps qui couvre 80 % de l'histoire géologique de la Terre, de 4,5 milliards d'années à 550 millions d'années), les spécialistes les plus sceptiques estiment qu'en dessous de 1,9 milliards (âge des microfossiles de la formation Gunflint au Canada), tout ce qui a été découvert depuis les 70 dernières années dans des roches plus anciennes est plus ou moins suspect. D'autres acceptent de descendre à 2,6 milliards d'années, mais pas plus bas. Les découvertes qui font la une des journaux sont réalisées dans les roches les plus anciennes de 3,8 à 3,5 milliards d'années, mais les arguments avancés par les scientifiques ne résistent bien souvent pas longtemps à des contre-investigations furieuses, et tout au long de l'histoire des sciences, certaines affaires se sont terminées de manière scandaleuse. Selon le mot fameux de Carl Sagan, des affirmations extraordinaires nécessitent des preuves extraordinaires. Les paléontologues du précambrien sur Terre sont donc écartelés entre deux extrêmes : faire preuve d'une grande prudence, sous peine de ne rien pouvoir vraiment annoncer, ou prendre des risques, généralement dans une recherche vaine de gloire et de financement, et avoir le cran d'en assumer la responsabilité, si les choses finissent par mal tourner. Et souvent, elles tournent mal. Avec Mars, ce sera la même chose, l'affaire de la météorite martienne ALH84001, qui a défrayé la chronique en août 1996, en est sans doute la meilleure illustration.

Pourquoi l'identification de microfossiles dans des roches de plusieurs milliards d'années est-elle aussi difficile ? Cela tient à de nombreux facteurs. Le premier est que contrairement aux os de dinosaures et aux coquilles spiralées des ammonites, ou aux squelettes exquisément ouvragés de silice et de calcaire des microscopiques radiolaires, diatomées et foraminifères (apparus plus tard au cours de l'évolution, à partir de 500 millions d'années), la morphologie très simples des microbes (généralement des sphères et des bâtonnets) est un véritable piège. De nombreuses structures similaires peuvent effectivement être générées par des mécanismes purement géologiques ou chimiques, sans intervention aucune du vivant. L'identification, au sein d'un microfossile, de molécules organiques, est certes un plus, mais là encore, certains phénomènes ou processus abiogéniques peuvent aboutir à la synthèse de molécules organiques étonnamment semblables aux squelettes carbonées des molécules biologiques, mais qui n'en sont pas.

L'âge et les outrages subis par les roches posent également bien évidemment des problèmes redoutables. D'authentiques micro-organismes, fossilisés rapidement dans de très bonnes conditions, peuvent devenir totalement méconnaissables plusieurs milliards d'années plus tard. A cause de l'activité géologique incessante de la Terre, les roches fossilifères peuvent en effet être chauffées à haute température, et subir des déformations significatives. La présence courante, dans les milieux ou les micro-organismes vivaient, d'une activité hydrothermale plus ou moins intense (circulation de fluides chauds contenant de nombreuses espèces minérales dissoutes, en liaison avec une activité volcanique), peut aussi souvent modifier considérablement la chimie de la roche, et effacer de précieux indices, moléculaires, atomiques ou isotopiques. Sur Mars, en l'absence d'une couche d'ozone et d'une magnétosphère protectrice, les rayons ultraviolets ainsi que le rayonnement cosmique constituent également des forces de dégradation redoutables.

Enfin, plus une roche est ancienne, plus elle a de chances d'avoir été oblitérée par l'érosion. Sur Terre, les roches sédimentaires précambriennes sont très rares (c'est certes moins le cas sur Mars, l'absence de tectonique de plaques favorisant notamment la préservation des roches les plus anciennes). Cette rareté fait qu'il est non seulement difficile de les localiser, mais aussi qu'une fois un affleurement identifié, ce qui a survécu ne donne bien souvent qu'une idée très partielle de l'environnement de dépôt, et de l'écosystème qui existait alors. Le peu que la Nature nous donne encore à voir est tellement restreint et étriqué que cela ne suffit parfois pas à trancher.

Est-ce à dire que la mission de Mars 2020 est compromise dès le départ ? Par vraiment, car l'un des objectifs prioritaires du rover est de sélectionner les meilleurs échantillons possibles en vue de leur retour sur Terre, et non de leur étude sur place. L'équipe scientifique qui pilotera l'engin pourra donc agir en quelque sorte en aveugle, en sélectionnant les roches qui présenteront le potentiel fossilifère le plus important, sans qu'il soit possible pour autant de garantir la présence réelle de microfossiles organiques ou pétrifiés, ni que les biosignatures identifiées en soit vraiment. Mais si les microfossiles demeurent hors de portée des instruments du rover, que vont donc rechercher les exobiologistes de la mission ?

Des tapis bactériens nommés biofilms

Dans sa quête de traces d'une vie martienne, Perseverance dispose d'un joker. Malgré leur taille micrométrique, sur des périodes de temps plus ou moins longues, les microorganismes sont capables de fabriquer des structures de plus en plus grosses, et qui peuvent finir par devenir macroscopiques, c'est à dire visibles à l'œil nu. Et selon leur composition, certaines peuvent entrer très facilement dans les enregistrements fossiles et traverser sans trop de dommages les milliards d'années.

La structure la plus simple de ces édifices microbiens est appelée biofilm par les microbiologistes et les paléontologues. Tout le monde a déjà observé un jour l'étrange couche gélatineuse blanchâtre qui ne manque pas de se former à la surface de l'eau d'un vase dans lequel on a laissé des fleurs un peu trop longtemps, et dont l'aspect est un peu rebutant. Placé entre lame et lamelle et observé au microscope, ce voile muqueux offre pourtant un spectacle incroyable : sous l'oculaire s'agitent des milliards de bactéries, qui nourrissent une myriade d'organismes unicellulaires un peu plus évolués, amibes, paramécies et autres infusoires.

Dans la Nature, ces films bactériens peuvent se former naturellement. En Islande, il est ainsi facile de tomber sur des sources chaudes, qui se présentent parfois sous la forme de petites cuvettes remplies d'une eau très chaude et tellement trouble qu'elle peut en devenir noire. Très riches en éléments minéraux et en énergie, ces milieux offrent des conditions de développement optimales pour de nombreux microorganismes, qui se multiplient alors avec une telle vigueur qu'ils finissent parfois par former des couches vivantes et gluantes, épaisses parfois de plusieurs centimètres. Ce sont des biofilms, et dans des conditions appropriées, ceux-ci peuvent être fossilisées. Leur recherche, et l'identification de leur vraie nature (biologique) après des milliards d'années peut être compliquée, mais n'est pas impossible.

Pour les micro-paléontologues terrestres, et les exobiologistes de la mission Mars 2020, il y a cependant encore plus excitant. La capacité qu'à le monde vivant à manipuler la matière minérale inerte n'est plus à prouver : les exemples sont innombrables, depuis les magnifiques squelettes ouvragés qu'assemblent certains organismes unicellulaires eucaryotes (un type cellulaire plus évolué que les bactéries) comme les diatomées, les radiolaires et les foraminifères, jusqu'aux somptueuses coquilles des mollusques, en passant par les dents et les os des mammifères. Les microbes ne sont bien sûr pas en reste, même s'ils fabriquent des structures généralement beaucoup plus grossières et moins élaborées. Celles-ci sont appelées microbialites : il s'agit de dépôts organo-sédimentaires (mélangeant donc matière organique et minéraux), formés suite à l'engluement et l'accumulation de particules minérales détritiques par des communautés microbiennes, ou la précipitation de minéraux suite à une activité métabolique particulière. Le type le plus connu de microbialites est appelé stromatolithes, et pour Mars 2020, il ne s'agit ni plus ni moins que d'un véritable graal.

Stromatolithes

Les stromatolithes sont des structures bio-sédimentaires formées des communautés microbiennes dominées par des cyanobactéries, des bactéries photosynthétiques capables de coloniser des milieux variés, et qui ont été parmi les premiers habitants de notre planète. Très répandues il y a des milliards d'années, les cyanobactéries sont des microorganismes d'une telle perfection que la Nature n'a pas jugé de les faire évoluer plus avant, et celles qui vivent actuellement sur Terre ressemblent à s'y méprendre à leurs très lointains ancêtres. De par leur nature et leur activité, les cyanobactéries ont laissé des traces de leur passage sous la forme de stromatolithes (du latin stromato, tapis, et lithos, roche, soit donc littéralement tapis de roche). Celles-ci continuent d'ailleurs encore aujourd'hui de se former dans des environnements très spécifiques, des milieux hypersalins (comme le grand lac salé en Utah, le lac Thetis en Australie, lac alcalin d'Alchichica au Mexique, etc.) où ces bâtisseurs de pierre sont protégés d'une multitude de prédateurs qui n'existaient pas il y a des milliard d'années, et qui sinon n'en feraient qu'une bouchée.

Lorsque des cyanobactéries se développent, elles forment un tapis muqueux et collant, qui piège facilement les particules minérales éventuellement présentes en suspension dans l'eau. A cause de leur activité métabolique, elles provoquent également la précipitation de carbonate de calcium (calcaire). Ainsi, au bout d'un temps plus ou moins long, les cyanobactéries finissent par s'enterrer elles-mêmes sous une couche de matière minérale. Privées de lumière, elles sont alors condamnées à mourir. Mais il se trouve toujours quelques cellules pour se hisser au-dessus du lit minéral mortel et sortir de leur tombe improvisée, pour recommencer à coloniser cette nouvelle surface vierge providentielle. Le même mécanisme se répète alors : le tapis cyanobactérien en développement agglutine des particules minérales tout en générant une pluie fine de particules de carbonate de calcium, et le cycle recommence. Sur un temps suffisamment long, les cyanobactéries parviennent donc à construire un véritable mille-feuille de pierre, une structure formée par l'accumulation de milliers de couches alternativement organiques et sédimentaires, que l'on appelle stromatolithe. Celles-ci peuvent être d'aspect très variés : parfois il s'agit d'un simple encroutement laminé, mais les variétés les plus communes adoptent des formes souvent très élégantes de dômes, de cônes ou d'arbres miniatures aux multiples branches. Constituées en partie de matériaux minéraux, ces structures peuvent de plus résister au temps, et dans certaines conditions, survivre à l'état fossile sur des milliards d'années. En étant capable de réaliser des cartes chimiques précises, et de superposer ces dernières à des vues rapprochées de la surface des roches montrant les textures et les structures, deux des instruments de la charge utile de Mars 2020 (PIXL et SHERLOC) sont particulièrement adaptés à l'identification et à l'étude des stromatolithes et de leur nature laminaire.

Avec les stromatolithes, la situation pourrait sembler idéale si la Nature ne s'évertuait pas à compliquer les choses. Car les remarques faites sur la difficulté d'identification des microfossiles plus haut s'appliquent hélas aussi à elles. Dans certains milieux, et sous certaines conditions, des processus purement physique de sédimentation, de déformation (plissements) et/ou de précipitation chimique (par exemple en milieu hydrothermal) peuvent former des structures qui ressemblent à s'y méprendre à des stromatolithes. Sur Terre, et comme pour les microfossiles (les deux domaines étant de toute façon intimement liés), l'étude des stromatolithes fossiles n'est qu'une longue histoire de scientifiques découvrant les uns après les autres les plus anciens spécimens connus au monde, avant de réaliser (parfois avec difficulté !) qu'ils se sont laissés berner par les innombrables tours d'une nature espiègle. A l'heure actuelle, les plus anciennes stromatolithes acceptées comme tel par une majeure partie de la communauté scientifique datent de 3,4 milliard d'années, et ont été découvertes dans la ceinture de roches vertes de Pilbara en Australie (au niveau de la formation "Strelley Pool").

Reste que tous les exobiologistes impliqués sur Mars 2020 espèrent plus que tout tomber face à face avec des stromatolithes. Les équipes ont d'ailleurs multiplié les entrainements sur des sites terrestres considérés comme des analogues de la planète Mars, et au sein desquels des formations stromatolithiques ont été identifiées, comme l'Australie, mais aussi le Groenland (ou se trouvent les roches les plus vieilles connues sur Terre) et le Nevada (lac Walker).

Qu'adviendra-t-il si en dépit de tous ses efforts Perseverance ne parvient pas à identifier de stromatolithes dans les roches sédimentaires du cratère Jezero ? Au-delà d'une déception évidente, sa mission ne sera cependant pas un échec, car encore une fois son objectif principal est d'acquérir des échantillons destinés à être rapatriés sur Terre dans le futur. Sur le long terme, l'analyse sur Terre de carottes de roches sédimentaires, argileuses et carbonatées, pourrait en effet révéler bien des surprises, malgré l'absence d'indices macroscopiques tels que les laminations des stromatolithes. Il faut également garder à l'esprit que l'analyse de matériaux géologiques non fossilifères (comme des laves volcaniques, ou du régolite) sont également la promesse de retombées scientifiques phénoménales dans notre compréhension de la planète rouge.

Pour en savoir plus :

Go !La mission Mars Science Laboratory/Curiosity.
Go !Le retour d'échantillons martiens.
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Après plusieurs reports, la sonde Mars 2020 s'est envolée vers Mars le 30 juillet 2020 à 13h50 (heure française) depuis le pas de tir SLC-41 du centre spatial Kennedy en Floride aux Etats-Unis. Le lanceur utilisé était une fusée Atlas V 541 à deux étages, déjà mise en œuvre notamment pour Curiosity. Mars 2020 a été la dernière mission à profiter de la fenêtre de tir de 2020, après l'orbiteur Hope des Emirats arabes unis le 19 juillet et l'ambitieuse sonde chinoise Tianwen-1 le 23 juillet (© NASA/United Launch Alliance).

L'image, toujours émouvante et symbolique, fournie par une caméra embarquée sur le second étage Centaur du lanceur Atlas V et montrant l'étape finale du lancement, la séparation de la sonde Mars 2020 et son injection sur une orbite de transfert martienne, 58 minutes environ après le décollage (© NASA/United Launch Alliance).

Mars 2020/Perseverance est le modèle le plus récent des rovers martiens de la NASA. Il s'inscrit fièrement dans la lignée de Sojourner (1996), Spirit et Opportunity (2003) et Curiosity (2011) (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Similaire au premier abord à Curiosity, le rover de la mission Mars 2020 s'en distingue toutefois par des instruments différents, ainsi qu'un dispositif particulièrement novateur et sophistiqué de prélèvement d'échantillons. Sa charge utile jouera un rôle de premier plan dans la détermination du contexte géologique et exobiologique des régions qu'il explorera, ainsi que dans la reconnaissance et la sélection des matériaux à échantillonner (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Vue d'artiste du rover Mars 2020 / Perseverance à la surface de Mars. Il s'agit sans nul doute de l'un des véhicules les plus sophistiqués jamais conçu pour l'exploration spatiale (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Mars 2020 va atterrir à l'intérieur de Jezero, un cratère martien de 45 kilomètres de diamètre situé par 18,4° de latitude nord et 77,7° de longitude est, dans la région intensément fracturée de Nili Fossae, sur la bordure ouest du vaste bassin d'impact d'Isidis, au niveau de la zone de transition de la dichotomie martienne, qui sépare les basses plaines du nord des hauts plateaux du sud (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Image haute résolution du delta situé à l'intérieur du cratère martien Jezero. La nature minéralogique des roches, obtenue notamment depuis l'orbite par le spectromètre CRISM de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter, est indiquée en fausses couleurs. Des roches sédimentaires contenant des carbonates et des argiles, très prometteuses pour la recherche de biosignatures, ont été détectées dans cette région, ce qui a conduit à sa présélection pour Curiosity, puis sa sélection définitive comme site d'atterrissage pour le rover 2020/Perseverance (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Vue rapprochée du mât du rover Perseverance, qui supporte le dispositif optique circulaire de SuperCam, la caméra Mastcam-Z (les boitiers gris rectangulaires) ainsi que les caméras de navigation situées plus à l'extérieur (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Le rover 2020 est doté d'une version sensiblement améliorée de la caméra chimique ChemCam embarqué sur son prédécesseur Curiosity. Baptisée à juste titre SuperCam, cette dernière est doté non pas d'un mais de deux lasers (un laser vert et un laser infrarouge, invisible à l'œil nu mais représenté sur cette vue d'artiste en rouge) et se compose de trois instruments en un : un spectromètre d'ablation laser, un spectromètre Raman, et un spectromètre infrarouge (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Vue rapprochée du capteur de l'instrument SHERLOC, monté sur la tourelle de 45 kg du bras robotique du rover Perseverance (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Image d'une roche observée par l'instrument SHERLOC et montrant en superposition sa composition minéralogique en fausses couleurs (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Le rover 2020 est équipé d'un radar à pénétration de terrain (GPR, Ground Penetrating Radar) qui permettra d'associer, à chaque échantillon prélevé, un profil stratigraphique à haute résolution. RIMFAX servira également à rechercher des strates rocheuses sédimentaires potentiellement porteuses de biosignatures, et qui n'auraient été portées à l'affleurement (c'est à dire exposées à la surface) que très récemment dans l'histoire géologique martienne. L'identification de telles strates est importante, car à leur niveau, les particules très énergétiques du rayonnement cosmique n'ont pas encore eu le temps d'oblitérer les subtils et précieux indices biologiques que le rover recherche (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Vue d'artiste du rover Mars 2020/Perseverance, en train de contempler (avec une légère appréhension ?) un magnifique affleurement feuilleté de roches sédimentaires. Un long travail attend les scientifiques chargés de déchiffrer les indices minéralogiques et chimiques qui se cachent dans ses strates (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Sur cette vue d'artiste, le rover Mars 2020/Perseverance présente fièrement son bras robotique, terminé par une imposante tourelle. On aperçoit au premier plan le boitier cubique de l'instrument PIXL (à gauche) ainsi que la foreuse (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Vue d'artiste du rover Perseverance en train de prélever une carotte dans une roche sédimentaire grâce à la foreuse de son bras robotique (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Le rover américain Mars 2020 est la seule mission d'une éventuelle campagne de retour d'échantillons actuellement approuvée et financée par une agence spatiale. Son objectif principal est de collecter des sections cylindriques de roches (carottes) et du régolite à l'intérieur du cratère d'impact Jezero. D'autres missions devront ensuite être mises sur pied pour rapatrier les inestimables échantillons sur Terre (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

De gauche à droite, les forets pour le prélèvement de roches, de régolite (sol pulvérulent) et l'outil d'abrasion/nettoyage des surfaces de Mars 2020. Pour la réalisation des carottes (cylindres de roche), le système d'échantillonnage du rover possède une tête de forage en acier hérissée de dents en carbure de tungstène. Le forage peut s'effectuer par rotation ou par percussion. Une fois sectionnée à sa base et retirée, chaque carotte se retrouve automatiquement placée dans un tube en titane d'une longueur de 14 centimètre, qui sera ensuite hermétiquement scellé à l'intérieur du rover. De manière à diminuer au maximum l'exposition des échantillons à l'environnement martien, toute la phase de collecte devra avoir lieu le plus rapidement possible, en moins d'une heure. Au niveau du dispositif d'échantillonnage, une importance considérable a été apportée à la propreté (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Un tube à échantillons non scellé du rover Mars 2020. Chaque tube peut contenir une carotte de 1,3 cm de diamètre et de 6 cm de longueur, pour un poids d'environ 10 à 15 grammes (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Vue extérieure et intérieure d'un tube à échantillons, non scellé et scellé. Les 43 tubes du rover sont usinés dans un alliage de titane, et recouvert d'aluminium  (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Lorsqu'une roche suffisamment intéressante pour devoir être rapatriée sur Terre a été identifiée par l'équipe scientifique via les instruments du rover, le prélèvement peut commencer. Après avoir récupéré un tube au niveau du carrousel et un foret adapté, le bras robotique fabrique une carotte rocheuse (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Une fois le carottage terminé, le bras robotique rapporte sa précieuse collecte au niveau du carrousel, un dispositif qui ressemble à une sorte de soucoupe volante qui aurait raté son atterrissage et qui se serait fichée de biais dans le châssis du rover. Le carrousel sert d'interface robotique entre le bras mobile situé à l'extérieur et les systèmes de traitement et de stockage des échantillons placés à l'intérieur du rover (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Le carrousel du système de collecte d'échantillons du rover 2020 comporte des logements pour 5 forets de carottage, 2 forets abrasifs pour la préparation de la surface des roches avant prélèvement, et un foret spécial adapté au prélèvement du régolite martien (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Une bonne partie du système robotique permettant de traiter les échantillons (ACA, Adaptive Caching Assembly) se trouve à l'intérieur du rover, en bas vers l'avant, l'ensemble étant exposé à l'atmosphère martienne après l'éjection d'une plaque protectrice du bas de caisse. Cette architecture permet non seulement de dégager un espace suffisant pour permettre la libération des tubes au sol, mais également d'ôter naturellement les contaminants moléculaires amenés depuis la Terre (et relâchés par dégazage du matériel). Une fois qu'un tube à échantillon a été introduit dans le carrousel par le bras principal, il est récupéré par un second bras robotique interne de 0,5 mètres de diamètre, appelé bras "T-rex" (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Le bras "T-rex" va permettre le transfert du tube à échantillons dans différentes stations : la première étape va consister à photographier le tube avec la caméra CacheCam de la station d'inspection. Le volume de roches ou de sol prélevé est ensuite déterminé par une station volumétrique, grâce à une sorte de piston introduit dans le tube. Une fois le volume mesuré, le tube est à nouveau photographié, avant d'être dirigé vers la station permettant son scellement. Une fois hermétiquement refermé, il est rangé à sa position initiale dans l'espace dévolu au stockage des tubes. Mais les choses ne s'arrêtent encore pas là. Lorsque viendra le moment de son abandon sur le sol martien, au niveau d'une zone de stockage, il sera encore une dernière fois saisi par le bras "T-rex". (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

L'intérieur d'un tube de test à échantillons du rover 2020, vu par la caméra CacheCam de la station d'inspection du dispositif ACA (Adaptive Cache Assembly) faisant partie du système d'échantillonnage du rover, le SCS (Sampling Caching System) (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Sur cette vue d'artiste, Perseverance semble regarder d'un air un peu dubitatif les tubes d'échantillons qu'il a éparpillé à la surface de Mars, dans l'attente d'une récupération par une future et incertaine nouvelle mission (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Plutôt que de stocker en permanence tous les échantillons à l'intérieur d'un container unique, le rover de la mission Mars 2020 mettra en œuvre une technique jugée plus flexible et moins risquée par la NASA, l'adaptive caching. Après avoir exploré une région intéressante d'un point de vue géologique et exobiologique (Region of Interest, ROI), le rover ira déposer dans un secteur de dépôt des tubes remplis d'échantillons. L'engin pourra ensuite explorer d'autres secteurs (à droite). A intervalles réguliers, il reviendra vers le site de stockage pour y déposer de nouveaux tubes (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Modèle du panier à échantillons de la fusée de remontée en orbite martienne (MAV), et qui devra être ramené sur Terre par une future mission de retour d'échantillons (Crédit photo : © NASA).

Vue d'artiste montrant le rover Mars 2020 en train de s'éloigner de l'hélicoptère martien, après avoir déposé ce dernier au sol, environ deux mois après son propre atterrissage à l'intérieur du cratère Jezero (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Baptisé Ingenuity, l'hélicoptère martien embarqué avec le rover Perseverance réalisera le premier vol propulsé contrôlé à la surface d'une autre planète (un vol passif ayant déjà été réalisé en 1985 par des ballons d'hélium lâché dans le cadre de la mission soviétique Vega sur Vénus). Ingenuity est avant tout un démonstrateur technologique, et il n'embarque aucun instrument scientifique. Sa mission consistera à effectuer des vols très courts de 90 secondes, à une altitude maximale de 5 mètres. Les tests s'étaleront sur 30 jours martiens, et comprendront un maximum de cinq vols très courts (© NASA/JPL-Caltech).

Sur cette vue d'artiste, on devine à l'arrière-plan le rover Perseverance, bien décidé à observer ce premier vol historique de l'hélicoptère Ingenuity, mais à distance de sécurité ! (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Un prototype de l'hélicoptère martien de Mars 2020, photographié au Jet Propulsion Laboratory (JPL) par l'auteur. A cause de la pression atmosphérique très faible, un travail considérable a été fait pour réduire le poids de l'engin. Ses deux pales mesurent 1,2 mètres de diamètre, et doivent tourner à vitesse très élevée pour générer de la portance (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech/Philippe Labrot).

Photographie en vol d'un prototype du système de vision de Mars 2020 lors d'un test dans le désert du Mojave en Californie. Grâce à ce dispositif utilisé durant son atterrissage, le rover Perseverance se posera avec une précision jamais atteinte à l'intérieur du cratère Jezero (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Comparaison des roues du rover Curiosity (2012) à gauche et du rover Perseverance (2020) à droite. Peu après son arrivée sur Mars, les ingénieurs de Curiosity commencèrent à noter une inquiétante dégradation de l'état de ses roues, qui risquait de mettre la mission en péril. Si les mesures prises permirent à Curiosity de continuer à rouler sur Mars, les roues furent redésignées pour être plus résistantes. Mars 2020 est donc équipé de roues un peu plus étroites et un peu plus hautes, usinées dans un aluminium deux fois plus épais. Les sculptures de la bande de roulement, dont le nombre a été doublé, ont également été revues pour permettre une meilleure traction sur des pentes plus raides (Crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

Photographie d'une stromatolithe de 3,4 milliard d'années de la formation Strelley Pool, dans la ceinture de roches vertes de Pilbara en Australie. Il s'agit des plus anciennes stromatolithes actuellement connues sur Terre, et leur origine biologique est acceptée par une bonne partie de la communauté scientifique. Les stromatolithes que le rover Perseverance recherchera à l'intérieur du cratère Jezero auront sensiblement le même âge (Crédit photo : Didier Descouens, CC BY-SA).

Vue rapprochée d'une structure de 3,7 milliards d'années, découverte au Groenland, et interprétée comme étant une stromatolithe. De nombreux indices laissent cependant supposer que tel n'est pas le cas : les laminations et les petits cônes et dômes seraient simplement le résultat d'une déformation physique de la roche. L'environnement dans lequel la roche s'est mise en place n'est également pas cohérent avec les milieux où se développent les stromatolithes (Crédit photo : Nature/Nutman et al.).

Une stromatolithe de la formation Strelley Pool (Australie, 3,4 milliard d'années), dont une petite partie de la surface est analysée par les instruments PIXL (au centre) et SHERLOC (à droite). Les cartes chimiques renvoyées par les deux instruments montrent que les laminations morphologiques sont corrélées à des changements minéralogiques (empilements successifs de couches carbonatées et siliceuses), et que du carbone organique est présent dans certaines couches ou lentilles siliceuses. Ce type d'observation est un argument significatif en faveur de l'origine biologique du matériel étudié (crédit photo : © NASA/JPL-Caltech).

 

Labrot © 1997-2020. Dernière mise à jour : 31 juillet 2020. Des commentaires, corrections ou remarques ? N'hésitez pas, écrivez moi!

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