Curiosity sur Mars : nouvelles de la planète Rouge

Curiosity sur Mars :
dernières nouvelles
de la Planète Rouge
Jean-Baptiste Sirven
Commissariat à l’Energie Atomique
et aux Energies Alternatives (CEA)
Crédit image : NASA/JPL.
Jet Propulsion Laboratory (Pasadena, Californie)
5 août 2012, 22h23
Crédit : NASA.
Atterrissage parfaitement réussi !
1. L’histoire de la planète Mars
Présentation réalisée par Thomas Appéré
Post-doctorant au laboratoire AIM (CEA/Saclay)
Animateur du site Internet
http://orbitmars.futura-sciences.com/index.php
5
Comparaison Terre - Mars
Terre
Mars
Composition atmosphérique
78% N2
21% O2
1% H2O
95% CO2
3% N2
0,03% H2O
Pression atmosphérique
1015 hPa
6 hPa
Température à la surface
15°C
-60°C
Mars : un désert aride, froid et à l’atmosphère raréfiée
La topographie de Mars
Un livre ouvert sur l’histoire de la planète
6
Le Noachien
-4,5 milliards d’années : un impact géant arrache la croûte de
l’hémisphère nord
7
Le Noachien
Argyre Planitia
Hellas Planitia
20 km
-4,5 à -3,7 milliards d’années : formation de vallées ramifiées et deltas
Climat chaud et humide
8
Le Noachien
Vers -3,7 milliards d’années : arrêt du champ magnétique,
échappement de l’atmosphère
Changement climatique  Climat froid et sec
9
10
L’Hespérien
Olympus Mons
Elysium Mons
Argyre Planitia
Hellas Planitia
-4 à -3 milliards d’années : volcanisme intense
Olympus Mons : volcan de 25 km de haut et 600 km de large
Encore actif il y a 2 millions d’années
11
L’Hespérien
Olympus Mons
Elysium Mons
Argyre Planitia
Hellas Planitia
-4 à -3 milliards d’années : volcanisme intense
Olympus Mons : volcan de 25 km de haut et 600 km de large
Encore actif il y a 2 millions d’années
12
L’Hespérien
Olympus Mons
Elysium Mons
Valles Marineris
Argyre Planitia
Hellas Planitia
-3,5 milliards d’années : formation de Valles Marineris
Rift de 4800 km de long, 200 km de large et 7 km de profondeur
13
L’Hespérien
Olympus Mons
Elysium Mons
Valles Marineris
Argyre Planitia
Hellas Planitia
-3,7 à 3 milliards d’années : formation de vallées de débacle
Ares Vallis, 25 km de large, 1 km de profondeur
Eau liquide de façon épisodique
L’Hespérien
14
2004 : Opportunity atterrit sur le plancher d’une ancienne mer salée et peu profonde
Sur Terre : salar d’Uyuni en Bolivie,
un lac très salé
15
L’Amazonien
Calotte permanente nord
Elysium Mons
Olympus Mons
Valles Marineris
Hellas Planitia
Argyre Planitia
Calotte permanente sud
-3 milliards d’années à aujourd’hui : formation d’oxyde de fer anhydre
 Couleur rouge de Mars
L’Amazonien
Il y a quelques millions d’années à aujourd’hui : formation des
calottes permanentes de glace d’eau aux pôles
Environ 3 km d’épaisseur et 1500 km de diamètre
16
L’Amazonien
Aujourd’hui : apparition de ravines et de traînées sombres
Ecoulement présent d’eau liquide salée (saumure) ?
17
L’histoire de la planète Mars
Noachien
Hespérien
Argiles
• Eau liquide stable
 Formation d’argiles
Changement climatique brutal
• Climat chaud et humide
Sulfates
Amazonien
Oxyde de fer anhydre
• Climat froid et sec
• Climat froid et sec
• Volcanisme intense
• Ecoulement ponctuel d’eau
salée : ravines
• Episodes d’eau liquide acide
 Formation de sulfates
• Formation des calottes
permanentes aux pôles
18
L’histoire de la planète Mars
Noachien
Hespérien
Argiles
• Eau liquide stable
 Formation d’argiles
Apparition de la vie ?
Changement climatique brutal
• Climat chaud et humide
Sulfates
Amazonien
Oxyde de fer anhydre
• Climat froid et sec
• Climat froid et sec
• Volcanisme intense
• Ecoulement ponctuel d’eau
salée : ravines
• Episodes d’eau liquide acide
 Formation de sulfates
• Formation des calottes
permanentes aux pôles
19
2. La mission Mars Science
Laboratory et Curiosity
(et bien d’autres !...)
Crédit image : NASA/JPL.
L’exploration martienne : portrait de famille
La vie sur Mars ?
Mariner 9 (1971) : l'eau a coulé un jour sur Mars.
Viking 1 et 2 (1976) : ne détectent pas de
vie à la surface de Mars.
Mars Express (2003) : observe
des argiles et des sulfates dans
les terrains anciens.
Spirit et Opportunity (2004) : analysent les sulfates en
surface et précisent leurs conditions de formation.
3 générations de rovers martiens
Crédit image : NASA/JPL.
Le projet Mars Science Laboratory (MSL)
Budget : 1800 M$ + 700 M$ pour le lancement et les opérations
Contribution française (CNES : 40 M$)
Durée initiale de la mission : 1 année martienne (~ 2 années terrestres)
MSL – Objectifs de la mission
CHERCHER DE L’EAU ET DE LA MATIÈRE
ORGANIQUE DANS LES ROCHES
ARGILEUSES MARTIENNES, LES SOLS
ET L’ATMOSPHÈRE
Crédit image : NASA/JPL.
Curiosity
• Le rover le plus gros et le plus
complexe jamais envoyé dans
l’espace
• 10 instruments scientifiques à
bord : 75 kg de charge utile, 10 fois
celle des rovers précédents Spirit et
Opportunity
Crédit image : NASA/JPL.
Crédit image : NASA/JPL.
Longueur :
Largeur :
Hauteur du mât :
Masse :
3 m + bras de 2.1 m
2.7 m
2.2 m
900 kg
Curiosity
Spirit /
Opportunity
Sojourner
1997
2004
2012
Équipement scientifique
ChemCam
(chimie et caméra)
Mastcam
(caméras)
RAD
APXS
(chimie)
(radiations)
REMS
MAHLI
(microscope)
(météo)
DAN
(hydrogène
sous la surface)
Outils de prélèvement
et de préparation
d’échantillon
(foreuse, pelle,
brosse, tamis)
+ 12
caméras de
navigation
SAM
(chimie et isotopie)
CheMin
(minéralogie)
MARDI
(caméra)
ChemCam
Autoportrait de Curiosity
sur Mars, 7/09/2012
(crédit : NASA/JPL-Caltech/MSSS)
Pourquoi ChemCam ?
• Retour d’expérience des missions
précédentes :
 Besoin de moyens d’analyse
 actifs
 à distance
 rapides
Trajectoire du rover Sojourner
(4/07  27/09 1997)
24 m
16.8 m
 identification rapide des roches (y compris
sous la couche de poussière martienne) et des
sols environnant le rover, sans avoir besoin de
le déplacer
 mesures sur des terrains ou échantillons
inaccessibles
 augmentation du nombre de mesures
 Technique retenue par la NASA en 2004 : la LIBS.
La LIBS
Laser-Induced Breakdown Spectroscopy ou spectroscopie sur plasma
produit par laser.
2. Spectre
spectromètre

fibre optique
laser
Cu
Ni
Zn

3. Composition de
l’échantillon
1. Ablation du matériau /
formation du plasma 
excitation des atomes
échantillon
31
Contribution du CEA à ChemCam
• La Direction de l’Energie Nucléaire (DEN) dans le projet ChemCam :
• Une expertise sur la LIBS reconnue internationalement et un leadership clair
sur cette technique au niveau national
• La valorisation de notre expérience du développement analytique acquise dans
le nucléaire
• La LIBS est une technique particulièrement intéressante dans le nucléaire
(analyse sans contact, rapide, sur site, sans préparation d’échantillon…)
CEA
Mesures en milieu confiné
CEA
Analyse de matériaux sur site
Contribution du CEA à ChemCam
• Démarche des études menées au CEA/DEN pour ChemCam :
Acquisition de données de base sur l’interaction
laser-matière et sur la morphologie du plasma à
basse pression et lorsque la distance d’analyse
varie
Simulation de l’instrumentation et prédiction des
performances associées
Dimensionnement de l’instrument
© CEA
Contribution du CEA à ChemCam
2,7 m
4,6 m
6,6 m
11,1 m
Distance d’analyse variable (2-7 m)
 le signal LIBS dépend de la distance
Al 50 tirs laser, incidence 45°
Crédit images : LANL..
Pression basse (8 mbar) + variations saisonnières
importantes
 observation du plasma plus délicate qu’à la pression
atmosphérique terrestre
 le signal LIBS dépend de la pression
27/08/2012
Cibles d’étalonnage
embarquées sur le rover
Nature des roches et des sols inconnue
et variable
 analyse par comparaison avec des
échantillons de référence difficile
Crédit image : NASA/JPL-Caltech/MSSS.
Crédit image : NASA/JPLCaltech/LANL.
L’instrument
ChemCam
Chemistry and Camera
Système
LIBS
+
Caméra haute
résolution
Mast unit
Crédit images : NASA/JPL-Caltech/LANL.
Body unit
Mast unit
38*22*17 cm, 5.8 kg
Body unit
20*24*15 cm, 4.8 kg
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ChemCam en action
Images caméra RMI
Plasma LIBS
Crédit image : NASA/JPL-Caltech/LANL.
Crédit image : NASA/JPL-Caltech/LANL.
Avant la mesure
Après la mesure
(5x50 tirs)
Crédit image : NASA/JPL-Caltech/LANL/ CNES/IRAP/LPGN/CNRS .
Tirs
laser
3. Montage, voyage et atterrissage de
Curiosity
Assemblage de la sonde
Étage de croisière
Logement du parachute
Bouclier arrière
Étage de descente
Rover
Bouclier thermique
Montage du rover et de la sonde
Crédit : NASA/JPL.
Le lanceur : fusée Atlas V
Hauteur : 58 m
Masse au décollage : 531 tonnes
Diamètre de la coiffe : 5.4 m
29 lancements depuis 2002 – 1 seul échec
Sonde
Réservoir
principal
Boosters
Coiffe
Étage
Centaur
Intégration de la sonde dans la coiffe
Crédit : NASA/KSC.
Le lancement !
Cap Canaveral, 26
novembre 2011, 10h02
La croisière
8 mois de voyage
570 millions de km
60 fois le tour de la
Terre par jour
Sites d’atterrissage Martiens
PHOENIX
VIKING 2
VIKING 1
PATHFINDER
OPPORTUNITY
SPIRIT
Le cratère Gale a été sélectionné parmi une cinquantaine de sites
d’atterrissage proposés par la communauté scientifique
Pourquoi le cratère Gale ?
Monticule central stratifié sur plus de 5 km de hauteur
 Un livre ouvert sur l’histoire géologique de Mars !
Composition minéralogique d’Aeolis Mons
Crédit : NASA/JPL/MSSS/Pierre Thomas
49
Panorama couleur depuis la surface
Crédit : NASA/JPL/MSSS/Damien Bouic
50
De magnifiques buttes stratifiées !
Crédit : NASA/JPL/MSSS/Damien Bouic
Le système d’atterrissage
Altitude
125 km
Vitesse
~ 6 km/s
Altitude
10 km
Vitesse
~ 470 m/s
T0 – 7 min
T0 – 3 min
Altitude
7 km
Vitesse
~ 160 m/s
T0 – 2 min 30 s
Le système d’atterrissage
Altitude
20 m
Vitesse
~ 0.75 m/s
Altitude
1.8 km
Vitesse
~ 100 m/s
T0 – 1 min
T0 – 20 s
T0
L’atterrissage
Crédit : NASA/JPL/MSSS.
Image de la descente de Curiosity par
HiRISE (Mars Reconnaissance Orbiter)
NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona
Premières images de Curiosity !
Crédit : NASA/JPL/MSSS.
Premières images de Curiosity !
Crédit : NASA/JPL/MSSS.
4. Les opérations
Communication avec la Terre
Satellites en orbite
autour de Mars (250 –
400 km d’altitude)
7-8 GHz
400 MHz
Californie
Espagne
Australie
Antennes X-band du rover :
Faible gain
Haut gain
Pasadena
(Californie)
Crédit images : NASA/JPL.
Fenêtre de communication avec les satellites : ~ 8 min à
chaque passage
Quantité de données transmissible pendant de laps de
temps : 100 à 250 Mbits
Premier paysage
NASA/JPL-Caltech/MSSS
Vue du Mont Sharp, de l’ombre du rover et des
traces des rétrofusées de l’étage de descente
NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona
Vue de Curiosity et des traces de roues (sonde
HiRISE, Mars Reconnaissance Orbiter)
Chemcam – le premier spectre sur Mars
Première roche analysée par ChemCam sur Mars : Coronation (un basalte)
Peu d’intérêt scientifique mais intérêt pour tester l’instrument
Crédit images :
NASA/JPLCaltech/MSSS/LANL/
CNES/IRAP
8 mm
6 cm
Tir laser
Météo martienne
L’instrument REMS
(station météo du rover)
fait des mesures
24h/24h et 7j/7j
Température
Amplitude
journalière :
90°C
Crédit : NASA/JPL-Caltech/ CAB(CSIC-INTA) .
Pression
air
sol
Température
Pression
Humidité
Rayonnement UV
Vitesse et direction du vent
Site Rocknest : essais de prélèvement de sol
Prélèvements de sable
par le bras motorisé
Test des instruments
SAM et CheMin
Séjour de 6 semaines
au même endroit
NASA/JPL-Caltech/MSSS
Prélèvement de
sable par le bras
motorisé
13 mm
NASA/JPL-Caltech/MSSS
Débris brillant non identifié à
proximité du prélèvement
Échantillons analysés par ChemCam
(LIBS + RMI)
NASA/JPL-Caltech/LANL/CNES/IRAP/LPGN/CNRS
Jake Matijevic
NASA/JPLCaltech/LANL/CNES/IRAP/LPGN/CNRS
NASA/JPL-Caltech/MSSS
Rocknest
(roche et
sable)
Test de la foreuse du rover
Site “John Klein”
NASA/JPL-Caltech/MSSS
Mesures de ChemCam de janvier 2013
Analyse des roches dans la zone sélectionnée pour tester la foreuse.
Présence de veines riches en calcium  infiltrations d’eau dans des
roches fracturées
NASA/JPL-Caltech/MSSS
NASA/JPL-Caltech/LANL/
CNES/IRAP/LPGNantes/CNRS
Mesures de ChemCam de janvier 2013
Analyse des roches dans la zone sélectionnée pour tester la foreuse.
Détection de soufre et d’hydrogène en concentration élevée dans les
veines
 Présence de sulfate de calcium (gypse ? bassanite ?), formé à
température basse à modérée, à partir d’un fluide relativement dilué
NASA/JPL-Caltech/LANL/CNES/IRAP/LPGNantes/CNRS
La mesure de ChemCam a joué un rôle décisif dans la prise de décision du
site de test de la foreuse  rôle stratégique de l’instrument.
Préparation du forage
Pré-forage
NASA/JPL-Caltech/MSSS
Brosse +
APXS +
MAHLI +
ChemCam
NASA/JPL-Caltech/MSSS
APXS +
MAHLI
+ Chem
Cam
APXS +
MAHLI
Forage de roche par Curiosity
8 février 2013
182ème jour de la
mission
NASA/JPL-Caltech
Mesures ChemCam après forage
NASA/JPL-Caltech/MSSS
8 février 2013 : forage
9 février 2013 :
analyses ChemCam
NASA/JPL-Caltech
NASA/JPL-Caltech/LANL/CNES/IRAP/LPGNantes/CNRS
Où est Curiosity actuellement ?
15 janvier
2013
Mesures de
température
NASA/JPL-Caltech/Univ. of
Arizona/CAB(CSIC-INTA)/FMI
MERCI POUR VOTRE ATTENTION
[email protected]
Énergie
• Générateur thermoélectrique à radioisotope (principe du
thermocouple) + batteries lithium-ion
Crédit image : NASA/KSC
4.8 kg de dioxyde
de plutonium 238
Puissance délivrée : 125 W au
lancement, 100 W après 14 ans
Crédit image : NASA/JPL
Organisation des opérations
Nuit martienne
Transit des données
Passage des satellites de télécommunication
Nuit terrestre
Analyse des données
Programmation du rover
Responsables de la mission
Scientifiques de Mars (géologues…)
Spécialistes des instruments
Ingénieurs de la NASA (mécanique du
rover, énergie, télécommunications…)
Informaticiens