Martian Moons Exploration

Martian Moons Exploration
Sonde spatiale

Vue d'artiste.

Données générales

Organisation	JAXA (principal) CNES et DLR (astromobile)
Constructeur	MELCO
Domaine	Étude de Phobos
Type de mission	Retour d'échantillons
Statut	En cours de développement
Autres noms	MMX
Lancement	Octobre 2026
Lanceur	H3-24L
Site	mmx.jaxa.jp

Principaux jalons

Octobre 2026	Lancement
2027	Arrivée dans système martien
2030	Départ du système martien
2031	Retour sur Terre

Caractéristiques techniques

Masse au lancement	4 200 kg
Propulsion	Ergols liquides
Masse ergols	1 750 kg (module propulsion) 1 100 kg (module de retour)
Contrôle d'attitude	Stabilisé 3 axes
Source d'énergie	Panneaux solaires
Puissance électrique	900 Watts

Principaux instruments

TENGOO	Caméra téléobjectif
OROCHI	Caméra multispectrale
LIDAR	Altimètre laser
MIRS	Spectromètre imageur infrarouge
MEGANE	Spectromètre à gamma et neutron
CMDM	Détecteur de poussière
MSA	Spectromètre de masse ions + magnétomètre
RAX (rover)	Spectromètre Raman
miniRAD (rover)	Radiomètre infrarouge

Martian Moons Exploration (abrégé MMX) est une mission spatiale japonaise en cours de développement dont l'objectif principal est de ramener sur Terre un échantillon de sol de Phobos, un des deux satellites naturels de Mars. Au cours de la mission, la sonde spatiale doit effectuer une étude détaillée de cette lune et Déimos à la fois à distance et in situ (pour Phobos uniquement). La mission doit être lancée en octobre 2026 et ramener les échantillons de sol sur Terre vers 2031.

Si la plupart des missions précédentes n'ont fait que survoler les lunes martiennes MMX n'est pas la première à tenter d'effectuer une étude détaillée et de ramener un échantillon de celles-ci sur Terre. Mais les deux missions ayant eu cet objectif , les missions soviético-russes Phobos et Phobos-Grunt, ont été victimes d'anomalies de fonctionnement avant d'atteindre leur but. Le principal objectif scientifique de la mission japonaise est de déterminer si les lunes martiennes sont des astéroïdes capturés par Mars ou s'ils se sont formés par agrégation de matériaux éjectés par la planète à la suite d'un impact géant dans le cadre d'un processus analogue à celui ayant abouti à la formation de notre Lune. Les données collectées pour répondre à cette question permettront par ailleurs d'affiner le scénario de formation des planètes telluriques du système solaire.

Pour accomplir sa mission, MMX comprend un module d'atterrissage emportant un système de prélèvement d'échantillon du sol et un petit astromobile fourni par les agences spatiales française et allemande. La sonde spatiale, dont la masse au lancement dépasse les quatre tonnes, dispose d'une dizaine d'instruments dont plusieurs caméras, un lidar, un spectromètre gamma, un imageur hyperspectral fonctionnant en proche infrarouge et un spectromètre Raman.

Contexte

Lunes de Mars : Phobos et Déimos

Parmi les très nombreux satellites naturels du système solaire, seuls trois d'entre eux orbitent autour de planètes telluriques : la Lune et les satellites de la planète Mars Phobos et Déimos. Ces deux derniers sont des corps célestes de forme irrégulière et de petite taille : le diamètre moyen de Phobos est de 22 kilomètres tandis que celui de Déimos est de 11 kilomètres. Alors que Déimos orbite autour de Mars à une distance de son centre de 23 550 km (période orbitale de 30 heures), Phobos rase la surface de Mars (distance de 9 378 kilomètres soit 6 000 km de la surface ou 1/58^e de la distance Terre-Lune) ce qui impose une vitesse orbitale très élevée pour le maintien en orbite (période orbitale de 7 h 39). Elle devrait d'ailleurs s'écraser à la surface de la planète dans une centaine de millions d'années. Les deux lunes sont fortement influencées par les forces de marée exercées par Mars : elles présentent toujours le même hémisphère tourné vers Mars (rotation synchrone) et elles sont déformées par celle-ci. Leur densité est faible. La présence de vides représentant 25 à 35 % du volume ont permis de déduire qu'elles sont constituées d'un amoncellement de blocs. La surface de Phobos est fortement cratérisée et est dominée par le cratère Stickney de 9 kilomètres de large. Deux autres cratères font 5 kilomètres de large. Des stries parallèles rayonnant depuis Strickney, longues de 15 kilomètres et profondes de 5 à 10 mètres, sont peut-être les conséquences de l'impact ayant créé Stickney. D'autre part des sillons rectilignes larges de 500 mètres sont peut-être le résultat des forces de marée ou d'impacts secondaires. Déimos pour sa part comporte plusieurs petits cratères partiellement comblés (les plus importants sont Voltaire et Swift) mais sa surface est nettement plus lisse que celle de Phobos. Les forces de marée et les grands impacts ont moins marqué son évolution.

L'exploration de notre Lune par des engins spatiaux (programme Apollo, Lunokhod, etc.) et l'analyse des échantillons de son sol ramenés sur Terre ont permis d'obtenir un grand nombre d'informations et de fixer des contraintes sur le processus de formation et l'évolution de ce satellite mais également de la Terre. Il est probable qu'une étude détaillée de Phobos et de Déimos fournisse des informations tout aussi importante pour notre compréhension du système martien.

Origine non élucidée

Photographie couleur de Phobos. Cliché réalisé par Mars Reconnaissance Orbiter (NASA) le 23 Mars 2008.

L'origine des deux petits satellites de la planète Mars — Phobos et Déimos — reste à déterminer. Deux théories, basées sur des indices qui se contredisent, s'affrontent :

• Selon la première de ces théories les deux satellites sont des astéroïdes qui ont été capturés par la gravité martienne au début de l'histoire du système solaire. Le spectre électromagnétique de la surface des satellites (reflétant la composition de celle-ci), proche de celui des astéroïdes de type C et D, ainsi que l'albédo très faible de ces deux corps vont dans le sens de cette hypothèse. Deux sous-scénarios sont envisagés : ces petits corps sont originaires du système solaire interne et sont à ce titre pauvre en volatils (carbone, hydrogène) ou ils proviennent du système externe auquel cas ils sont riches en volatils ;
• Selon l'autre théorie ces satellites se sont formés sur place soit en même temps que la planète Mars soit à partir des débris créés par l'impact d'un corps de grande taille sur la surface de la planète. La très faible inclinaison et excentricité des orbites des deux satellites appuient cette interprétation.

Les réponses aux questions soulevées par les scénarios de formation des satellites de Mars peuvent permettre d'améliorer notre compréhension du mode de distribution et de transport des matériaux aux limites extérieures du système solaire interne ainsi que de la formation des planètes :

• si les satellites sont des astéroïdes capturés, comment les matériaux formant Mars ont été transportés au début de l'histoire du système solaire ?
• si les satellites se sont formés sur place, quelle est la nature de l'impact géant et quelle influence a eu cet impact sur les débuts de l'évolution de Mars ?
• est-ce que Déimos a les mêmes origines que Phobos ?

État des lieux de l'exploration spatiale des lunes de Mars

L'étude des satellites de Mars par des missions spatiales s'est limité jusque là dans la majorité des cas à des survols par des engins se plaçant en orbite autour de Mars et dont l'objectif principal était l'étude de cette planète. Les premières images détaillées de Phobos et Déimos ont été réalisées par les sondes spatiales Viking. Celles-ci ont révélé la forme irrégulière de ces petits satellites et leur albédo aussi faible que celui des astéroïdes. Ces observations sont à l'origine de la théorie selon laquelle les satellites de Mars seraient des corps capturés par Mars.

Néanmoins MMX n'est pas la première mission à tenter d'effectuer une étude détaillée des lunes martiennes à distance et in situ et de ramener un échantillon de celles-ci sur Terre. Deux missions soviético-russes ont par le passé tenté de remplir ces objectifs mais se sont toutes deux soldées par un échec partiel ou total :

• Les deux sondes spatiales du programme Phobos lancées en 1988 comprenaient chacune un orbiteur, un atterrisseur et un petit astromobile. Les deux derniers devaient se poser à la surface de Phobos pour réaliser une étude in situ de la géologie de Phobos. Les deux sondes spatiales seront victimes d'anomalies fatales avant d'avoir pu remplir les objectifs principaux de leur mission : Phobos 1 durant son transit entre la Terre et Mars, Phobos 2 durant la phase d'atterrissage à la surface de la lune.
• La sonde spatiale Phobos-Grunt lancée en 2011 devait ramener un échantillon du sol de Phobos sur Terre après une phase d'étude poussée de cette lune. Phobos-Grunt est victime d'une défaillance avant même d'avoir entamé son transit vers Mars.

Le programme spatial japonais d'exploration du système solaire

Au cours des décennies 2000 et 2010 l'agence spatiale japonaise (la JAXA) a acquis une solide expérience dans l'étude des petits corps célestes avec les missions Hayabusa (2003-2010) et Hayabusa 2 (2014-2020) qui ont toutes deux ramené des échantillons du sol d'astéroïdes. Les deux missions ont fourni des informations importantes sur le processus de formation de cette catégorie d'objets célestes et le rôle qu'elles ont pu jouer vis à vis de la Terre en tant que source en eau et matériaux organiques. La mission MMX s'inscrit dans la continuité de ces missions.

En tant qu'orbiteur martien, la mission MMX doit contribuer à accroître l'expérience acquise par l'agence spatiale japonaise dans l'exploration des grands corps célestes avec les missions Kaguya (orbiteur lunaire lancé en 2007), Akatsuki (orbiteur vénusien lancé en 2010). La seule mission japonaise à destination de Mars, Nozomi lancée en 1998, a été victime d'une défaillance avant même d'atteindre la planète.

Architecture de la mission

Pour déterminer l'origine des lunes martiennes et affiner les théories concernant l'évolution de Mars et plus généralement des planètes terrestres situées dans la zone habitable du Système solaire, les concepteurs de la mission MMX ont choisi de privilégier l'étude de Phobos et de ramener des échantillons du sol de cette lune sur Terre. Dans l'idéal, il aurait été souhaitable d'étudier avec le même niveau de détail les deux lunes, mais l'agence spatiale japonaise ne disposant pas du budget pour une telle mission, Phobos a été choisie et ce pour plusieurs raisons : la surface de Phobos a une composition beaucoup plus diversifiée que Déimos ; on y trouve probablement des matériaux éjectés de la surface de Mars par des impacts récents qui pourrait fournir des informations sur l'historique de la formation du socle rocheux de Mars avant la création du cratère ; par ailleurs on dispose de beaucoup plus d'informations sur Phobos, recueillies par les missions précédentes, ce qui a permis d'optimiser les stratégies d'atterrissage et le déroulement des opérations avant le lancement de la sonde spatiale.

Par rapport aux deux missions japonaises précédentes ayant étudié des petits corps célestes et ramené un échantillon de leur sol, Hayabusa et Hayabusa 2, MMX doit faire face à des conditions très différentes. La sonde spatiale doit effectuer ses observations en subissant à la fois les forces gravitationnelles de Mars et celle beaucoup plus importante de l'objet céleste qu'elle étudie (les astéroïdes étudiés par les missions Hayabusa ont seulement quelques centaines de mètres de diamètre et aucune planète n'est située dans leur voisinage). Au lieu de se maintenir en position au-dessus de la surface en utilisant très peu d'ergols, la sonde spatiale doit se placer autour de Phobos sur une orbite dite de quasi-satellite (QSO).

Pour réaliser les différents types d'observation de Phobos, la sonde spatiale va circuler successivement sur cinq orbites caractérisées par des altitudes au-dessus du sol de Phobos, décroissantes et situées généralement dans le plan équatorial de cette lune :

• QSO-H (100 × 198 km) ;
• QSO-M (50 × 94 km) ;
• et trois otbites destinées principalement à sélectionner un site d'atterrissage en collectant les données topographiques et la composition du sol :
  • QSO-LA (30 × 49 km),
  • QSO-LB (22 × 31 km) et
  • QSO-LC (20 × 27 km).

Objectifs de la mission MMX

Objectifs scientifiques

La mission MMX doit étudier à la fois les lunes de Mars et la planète Mars elle-même. La mission doit ramener sur Terre un échantillon représentant au minimum 10 grammes (plus de 1 000 grains) du sol de Phobos prélevé à une profondeur de 10 cm sous la surface. L'objectif est d'en collecter au moins 100 grammes.

Les deux objectifs scientifiques de la mission MMX sont :

• Déterminer l'origine des lunes de Mars et en déduire les contraintes sur le processus de la formation des planètes et le transport des matériaux entre le système solaire interne et externe. Cet objectif se décline de la manière suivante :
  • Déterminer si Phobos est un astéroïde capturé ou s'il résulte de l'impact d'un corps de grande taille à la surface de Mars. Pour ce faire déterminer la composition spectroscopique et la distribution des matériaux dont est composé Phobos avec une résolution spatiale permettant une évaluation scientifique des zones où ont été prélevés les échantillons de sol et des structures géologiques. Par ailleurs identifier les principaux composants présents dans les échantillons de sol ramenés sur Terre dans la mesure où les matériaux indigènes de Phobos conservent des enregistrements de sa formation et contraignent fortement leurs origines (via les ratio isotopiques, etc.). Déterminer la vitesse d'échappement et la distribution de masse lié à la glace d'eau de Phobos, identifier la présence ou l'absence de contrastes de densité à la surface de la lune pour déterminer de manière indépendant l'origine de Phobos.
  • Si Phobos résulte de la capture d'un astéroïde, déterminer la composition et le processus de migration des matériaux primitifs vers la région des planètes terrestres et fixer des contraintes aux conditions initiales de l'évolution de la surface de Mars. Pour ce faire fixer des contraintes portant sur le processus de formation des matériaux primitifs au voisinage de la ligne des glaces.
  • Si Phobos résulte de l'impact d'un corps de grande taille à la surface de Mars déterminer les caractéristiques de l'impact et le processus de formation de la lune et évaluer son influence sur les processus initiaux d'évolution de Mars. Pour ce faire identifier les composants issus de la surface de Mars et ceux en provenance de l'impacteur, déterminer leurs caractéristiques, estimer l'ampleur et la date de l'impact et déterminer les contraintes portant sur les processus de migration planétaire, de transport du matériel de formation planétaire dans la région des planètes terrestres.
  • Préciser les contraintes concernant l'origine de Deimos. Pour ce faire déterminer la distribution des matériaux composant la surface de Deimos via une analyse spectroscopique avec une résolution spatiale suffisante pour déterminer les structures géologiques et effectuer des comparaisons avec Phobos.
• Déterminer à partir des éléments fournis par les lunes de Mars les mécanismes de transition du système martien et accroitre nos connaissances sur l'histoire de l'évolution de Mars. Cet objectif se décline de la manière suivante :
  • Obtenir une description basique des processus élémentaires de l'évolution des lunes (fréquence des impacts, degré d'altération) dans l'environnement du système martien. Pour ce faire, la mission doit permettre d'identifier les processus d'altération et d'évolution de la couche de régolithe en surface pour permettre une comparaison avec ceux des astéroïdes.
  • Effectuer de nouvelles découvertes et établir de nouvelles contraintes concernant les changements de la surface de Mars. A cet effet rechercher parmi les échantillons de sol de Phobos qui seront ramenés sut Terre des matériaux qui auraient été éjectés de la surface de Mars après la formation de Phobos et les utiliser pour établir des contraintes sur la composition chimique de la couche superficielle de Mars et son évolution (dans la mesure où des échantillons permettent de retracer celle-ci). Etablir également des limites au volume de l'atmosphère de Mars qui s'est échappé durant l'histoire de Mars à partir des ratios des isotopes dans l'atmosphère actuelle.
  • Déterminer les contraintes portant sur les mécanismes de circulation du matériel de l'atmosphère de Mars ayant un impact sur les changements du climat de Mars. Ces contraintes portent sur les processus assurant le transport de la poussière et de l'eau dans l'atmosphère de Mars et les échanges entre la surface et l'atmosphère et sont déterminées par des observations des variations temporelles des tempêtes de poussière et de la distribution globale de la vapeur d'eau et des nuages.

Objectifs techniques

La mission a également des objectifs techniques :

• Mise au point des techniques permettant le trajet retour depuis Mars.
• Mise au point de techniques avancées de prélèvement d'échantillons de sol de corps célestes.
• Mise au point de techniques de télécommunications optimales reposant sur une nouvelle station terrienne.

Historique du projet

Vue de MMX durant les tests consécutifs à son assemblage (2025).

Vue de MMX durant les tests consécutifs à son assemblage (2025).

Durant la décennie 2010, une mission de retour d'échantillon, baptisée MMX (Martian Moons Exploration) est étudiée pour répondre à ces questions scientifiques par l'agence spatiale japonaise (JAXA). Le retour sur Terre d'un échantillon prélevé sur le sol d'une des deux lunes permettra d'utiliser les instruments d'analyse les plus puissants existants sur Terre pour en identifier les caractéristiques et reconstituer leur mode de formation. Pour développer cette nouvelle mission, la JAXA s'appuie sur son expertise sans égale dans le domaine des missions de retour d'échantillon de sol prélevés sur des corps célestes de petite taille. Celle-ci a été acquise avec les missions Hayabusa et Hayabusa 2. Une étude de faisabilité débute en 2016 et s'achève en 2017. Le budget annoncé est de 300 millions de dollars. Les universités de Tokyo, d'Hokkaïdo et de Kobé sont impliquées dans le volet scientifique associé à la mission. L'agence spatiale française, le CNES, participe à cette étude.

En novembre 2017, l'agence spatiale civile américaine, la NASA, décide de contribuer dans le cadre de son programme Discovery en fournissant l'instrument MEGANE (« lunettes » en japonais), un spectrographe gamma et neutrons qui doit permettre d'identifier les éléments chimiques présents à la surface de Phobos. L'instrument est développé par Applied Physics Laboratory de l'université Johns Hopkins.

En avril 2017, le CNES et la JAXA signent un accord de collaboration. L'instrument scientifique développé avec le CNES sera un spectromètre en proche infrarouge (NIRS), une caméra infrarouge à haute résolution combinée à un spectromètre qui analysera la composition des roches : MacrOmega. La capacité de MacrOmega d'étudier les roches des lunes martiennes sur des échelles de quelques dixièmes de mètre permettra à la fois de fournir la composition de la lune et d'identifier le meilleur site pour effectuer le prélèvement d'échantillon de sol. Le CNES étudie également la fourniture d'un petit astromobile pour explorer la surface de Phobos à l'échelle microscopique. Le 3 octobre 2018, en marge de la conférence de presse du 69^e Congrès international d'astronautique (IAC) à Brême, une déclaration commune est signée entre Jean-Yves Le Gall, président du CNES, Pascale Ehrenfreund, présidente du DLR, et Hiroshi Yamakawa, président de la JAXA, concernant la coopération franco-allemande pour la conception du rover qui partira avec la mission MMX.

En juin 2019 l'équipe du projet présente une nouvelle architecture pour la sonde spatiale qui fait passer sa masse de 3,4 à 4 tonnes. La mission MMX, qui était jusque là un projet non financé, reçoit le feu vert de l'autorité de tutelle de l'agence spatiale japonaise en février 2020 et entre en phase de développement. Le coût total de la mission est estimé à 387 millions €. Le lancement est prévu en 2024 et le retour sur Terre en 2029.

Fin décembre 2023, le siège de la stratégie de développement spatial du gouvernement japonais a officiellement approuvé la révision de l'année de lancement de la sonde spatiale MMX, de 2024 à 2026. Cette décision a été prise du fait que le lanceur H3 devant embarquer la sonde et son astromobile ne puisse être prêt à temps, notamment à la suite de son échec de mars 2023. En février 2024, le lanceur H3 effectue son premier lancement réussi.

Caractéristiques techniques

La sonde spatiale MMX comprend trois modules :

• un module de propulsion chargé d'amener la sonde spatiale jusqu'à Mars. Il utilise une propulsion chimique et abrite des équipements de guidage, de navigation et de contrôle d'attitude ;
• un module d'exploration comprenant le train d'atterrissage à quatre pieds, le système de prélèvement d'échantillon du sol lunaire, des instruments scientifiques et l'astromobile Idefix qui doit circuler à la surface de Phobos ;
• un module chargé de ramener la capsule contenant l'échantillon de sol sur Terre qui comprend les panneaux solaires, l'antenne grand gain permettant les communications, une propulsion principale dédiée aux manœuvres orbitales reposant sur un moteur-fusée d'une poussée de 500 newtons et des petits moteurs-fusées de 20 newtons qui sont utilisés pour le contrôle d'attitude.

• Schémas de MMX
• 
  En bas à gauche le module de propulsion, au centre le module de retour, en haut à droite le module d'exploration.
• 
  Vues selon les trois axes de MMX avec la position des instruments scientifiques.

Caractéristiques générales

MMX est une sonde spatiale de 4 200 kg, dont 1 750 kg pour le module de propulsion et 1 100 kg dans le module de retour. Elle est haute de 4,5 mètres avec un diamètre de 2,1 mètres. Lorsque ses panneaux solaires sont déployés, son envergure atteint 14 mètres. La sonde spatiale est stabilisée sur trois axes. L'énergie est fournie par des panneaux solaires déployés dans l'espace qui fournissent 900 watts au niveau de l'orbite martienne. Le système de communications avec la Terre fonctionne en bande X (23 kilobits/seconde) et en bande Ka (128 kilobits/seconde) lorsque la distance entre la sonde spatiale et la Terre est supérieure à 2,7 unités astronomiques. Pour les communications, MMX dispose d'une antenne grand gain fixe, d'une antenne moyen gain et d'antennes faible gain. La propulsion principale et le contrôle d'attitude sont assurés par des moteurs-fusées à ergols liquides.

Instrumentation scientifique

Spectromètre gamma de l'instrument MEGANE.

La charge utile comprend les instruments scientifiques suivants :

Caméra TENGOO

La caméra TENGOO (TElescopic Nadir imager for GeOmOrphology) est une caméra dotée d'un téléobjectif prenant des images en lumière visible (0,45–0,65 µm) lorsque la sonde spatiale est en orbite autour des lunes. Son optique (champ de vue de 0,7°) et son capteur de type CCD de 3 296 × 2 472 pixels lui permet d'obtenir des images ayant une résolution spatiale de 30 centimètres à une altitude de 25 kilomètres. La caméra est utilisée pour déterminer la morphologie de la surface, identifier les cratères et choisir un site d'atterrissage ne présentant pas de risques. La caméra est développée par l'Université de Rikkyo.

Caméra OROCHI

OROCHI (Optical RadiOmeter composed of CHromatic Imagers) est une caméra dotée d'un objectif grand angle prenant des images en lumière visible et proche infraroue lorsque la sonde spatiale est en orbite autour des lunes et lorsqu'elle est posée au sol. D'un point de vue technique, l'instrument est composé de sept caméras distinctes (optique et capteur) qui chacune réalisent des images dans une bande spectrale étroite (entre 30 et 60 nanomètres) grâce à un filtre. Cette architecture est destinée à éviter les problèmes mécaniques qui pourraient survenir avec une caméra unique équipée avec une roue à filtres. Les bandes spectrales sont centrées sur les longueurs d'ondes 390 nm, 480 nm, 550 nm, 650 nm, 730 nm et 860 nm et 950 nm. Une huitième caméra monochromatique (550 nm) est chargée de prendre des images durant la phase d'atterrissage. Une diode lumineuse permet d'éclairer la zone photographiée en surface si celle-ci est à l'ombre. Les images prises dans différentes longueurs d'onde permettront d'étudier la topographie de la surface des lunes et d'identifier les matériaux hydratés et organiques présents à la surface de la Lune à une échelle globale et sur les sites étudiés pour le prélèvement d'échantillon. La caméra est développée par l'Université de Rikkyo (Japon). TENGOO et OROCHI font référence à deux créatures de la mythologie japonaise : Tengu, le chien céleste et Orochi le dragon à huit têtes.

Altimètre lidar

L'altimètre LIDAR (Light Detection And Ranging) mesure à l'aide d'un laser la distance entre le sol et la sonde spatiale lorsque celle-ci survole les lunes martiennes. Les données collectées permettent de dresser une carte de la topographie et de déterminer l'albedo (déduit de la proportion des photons produits par le laser et réfléchis par la surface). L'instrument est fourni par l'Université de technologie de Chiba (Japon).

Spectromètre imageur infrarouge MIRS

Le spectromètre imageur proche-infrarouge MIRS (MMX InfraRed Spectrometer) mis en œuvre lors du survol des lunes martiennes mesure les caractéristiques des minéraux de la surface. L'instrument analyse le spectre électromagnétique en proche infrarouge (de 0,9 à 3,6 micromètres). Il en déduit la distribution des minéraux, les substances associées à l'eau et les matériaux organiques. Ces données sont utilisées pour sélectionner le site d'atterrissage retenu pour prélever l'échantillon de sol lunaire. L'instrument est fourni par le Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique (France) en partenariat avec le CNES.

Spectromètre et magnétomètre MEGANE

Le spectromètre gamma et de neutrons MEGANE (Mars-moon Exploration with GAmma rays and NEutrons) pour déterminer les éléments composant les lunes de Mars et en particulier identifier les atomes de fer, silicium et calcium. Ces données doivent permettre d'établir certaines contraintes s'appliquant à la formation de ces petits corps. L'interprétation des données recueillies par MEGANE est complexe du fait de la forme non sphérique des lunes et de la proximité de Mars qui bloque en partie le rayonnement cosmique à l'origine des rayons gamma et des neutrons analysés. L'instrument, qui comprend deux sous ensembles, le spectromètre à neutrons NS et le spectromètre gamma GRS, est fourni par le laboratoire Applied Physics Laboratory de l'Université Johns-Hopkins (États-Unis). MEGANE dérive d'instruments similaires embarqués sur les missions MESSENGER et Lunar Prospector.

Analyse de la poussière CMDM

L'instrument d'analyse CMDM (Circum-Martian Dust Monitor) doit étudier la poussière interplanétaire et l'anneau de poussière autour de Mars dont l'existence est prévue par la théorie mais qui n'a pas été observé jusque là. Il peut mesurer la distribution en taille des grains de poussière d'un diamètre supérieur à 3 µm. Par rapport aux instruments déjà mis en œuvre MSA se distingue par la taille de son capteur(superficie 1 m²). Celui-ci est placé sur le côté de la sonde spatiale qui fait face au sens du déplacement pour augmenter la probabilité d'une détection. Durant le transit vers Mars celle-ci est estimée à 0,3 par jour pour cette taille de particule (vitesse typique 10 km/s). Les données collectées permettent de déduire la fréquence de collisions des corps célestes générant cette poussière et dans quelle proportion celle-ci retombe sur la surface. L'instrument est fourni par l'université de technologie de Chiba (Japon).

Spectromètre de masse MSA

MSA (Mass Spectrum Analyzer) combine un spectromètre de masse à temps de vol mesurant dans l'environnement spatial de Phobos la distribution de la vitesse et la masse/charge des ions ainsi que deux magnétomètres mesurant l'intensité et l'orientation du champ magnétique. L'instrument mesure les ions de plusieurs origine : vent solaire, surface de Phobos, ions associés à l'eau dans le tore de gaz autour de Mars dont l'existence est prédite par la théorie, ions secondaires éjectés par la surface et ions découlant de l'échappement de l'atmosphère de Mars. Le spectromètre de masse mesure les ions ayant une énergie comprise entre 5 et 30 keV, leur énergie est mesurée avec une précision de 10 %, le champ de vue est de 2π stéradians et la résolution angulaire est de 22,5 × 12,25°. Il peut mesurer les ions de 1 et 100 masses atomiques. MSA est fourni par l'université d'Osaka (Japon) et dérive d'instruments embarqués à bord de Kaguya, Arase et BepiColombo.

L'instrument comprend également deux magnétomètres fluxgate qui mesurent les composants vectoriels du champ magnétique local. Ils sont conçus pour mesurer un champ magnétique d'une intensité de ± 8 000 nT et de ± 60 000 nT. Les mesures sont effectuées avec une fréquence de 1 Herz et avec une résolution respectivement de 0,1 à 0,8 nT. Cet instrument doit permettre d'identifier l'impact des champs électromagnétiques et de rechercher les anomalies magnétiques des deux lunes martiennes qui pourraient protéger la surface du vent solaire. Les données recueilles, combinées avec celles de l'instrument MSA , doit permettre de discerner les ions qui sont émis par Phobos de ceux qui s'échappent de l'atmosphère martienne.

Principales caractéristiques des instruments

Nom	Type	Longueurs d'ondes	Champ de vue	Objectif	Masse	Consommation	Autre caractéristique
MEGANE	Spectromètre rayons gamma et neutrons	Gamma : 200 keV–10 MeV Neutrons : 20–7 MeV	Gamma : ± 45° Neutrons : 2π	Principaux éléments de la surface Neutrons Hydrogène
TENGOO	Caméra avec téléobjectif	0,45–0,65 µm	0,7°	Morphologie de la surface Cratères	6 kg
OROCHI	Caméra multi-spectrale	390 nm, 480 nm 550 nm, 650 nm 730 nm, 860 nm et 950 nm	0,45 milliradians		12,13 kg		8 caméras distinctes
LIDAR	Lidar	1,064 µm		Topographie, albédo
MIRS	Spectromètre proche infrarouge	0,9–3,6 µm	0,35 milliradians	Minéraux hydratés Composés organiques
MSA	Spectromètre de masse	masse ions : 1 à 100 masse atomique énergie : 5 à 30 keV	2 π stéradians	Ions issus du vent solaire de la surface de Phobos, échappés de l'atmosphère de Mars			Résolution énergétique 10 %, masse atomique : 1 %
MSA	Magnétomètre	± 8 000 nT ou ± 60 000 nT		Champ magnétique local			Résolution : 0,1 à 0,8 nT, fréquence mesure : 1 Hz
CMDM	Détecteur de poussière	∅ > 3 µm	π stéradians	Poussière interplanétaire Anneau de poussière de Mars

Astromobile IDEFIX

Animation montrant l'astromobile/rover se déplaçant sur Phobos.

Idefix en position repliée.

La sonde spatiale emporte un petit astromobile (rover) appelé IDEFIX et développé conjointement par le CNES et le DLR. Impliqué depuis 2016 dans la fourniture d'un rover d'exploration à MMX, le CNES a été rejoint en 2018 par le DLR. Les deux agences ont préalablement collaboré, dans le projet MASCOT pour la mission japonaise Hayabusa 2. Contrairement à MASCOT, dont la durée de vie était limitée à 17 heures par le recours à des batteries, le rover de MMX est équipé de panneaux solaires qui lui assurent une durée de vie nominale de 100 jours à la surface de Phobos. Le petit rover dispose de quatre roues, en raison de la faible gravité de Phobos et contrairement aux rovers habituels martiens qui en comptent six. L'agence spatiale allemande est chargée de la structure externe du rover et des composants assurant sa mobilité. L'agence spatiale française développe l'ordinateur de bord, la chaîne d'alimentation électrique (panneaux solaires, unité de distribution, batteries), l'architecture mécanique et thermique, le logiciel de vol, le lien radio-fréquence entre le rover et la sonde MMX, la centrale inertielle, la régulation thermique et l'analyse de mission. L'astromobile embarque quatre instruments :

• Une paire de caméras produisant des images stéréo pour la navigation. Cet équipement est fourni par le laboratoire LAM de Marseille. Sa masse est de 350 grammes.
• un spectromètre Raman RAX (Raman spectrometer for MMX). Cet instrument est fourni par l'Agence spatiale allemande (Berlin) en collaboration avec INTA (Madrid), UVa (Valladolid) et l'Université de Tokyo. La masse de l'instrument est de 3,51 kilogrammes.
• deux caméras observant les interactions entre les roues et le régolithe. Cet équipement est fourni par l'institut ISAE-SUPAERO de Toulouse. Sa masse est de 350 grammes.
• un radiomètre infrarouge miniRAD fourni par l'agence spatiale allemande. Sa masse est de 340 grammes.

Système de prélèvement

Vue en coupe du système de prélèvement.

Les lunes Phobos et Deimos ont une taille beaucoup plus importante que les astéroïdes visités par les missions Hayabusa et Hayabusa 2. La gravité est de 0,005 7 m/s² (1 700 fois moins que sur Terre). La technique de prélèvement d'échantillon est donc différente de celle mise en œuvre par les sondes spatiales Hayabusa. Alors que ces dernières effectuent la collecte du sol après un contact très bref avec la surface de l'astéroïde, MMX se posera longuement à la surface de la lune martienne pour prélever l'échantillon du sol. Son séjour sur le sol sera néanmoins limité à trois heures. Si nécessaire, deux atterrissages seront effectués pour garantir le succès du prélèvement de sol.

La sonde spatiale dispose de deux systèmes de prélèvement :

• C-SMP (Corer Sampler ) est constitué d'un bras mobile conçu pour enfoncer un tube cylindrique dans la surface à une profondeur allant jusqu'à 2 centimètres. Le tube contenant l'échantillon de sol est ensuite stocké dans la capsule qui doit revenir sur Terre.
• P-SMP (Pneumatic Sampler) envoie un jet de gaz stocké sous pression pour soulever des matériaux de la surface. Ceux-ci sont recueillis dans la fraction de seconde suivante dans un petit container. Cet instrument est fournie par la société américaine Honeybee Robotics.

Démonstrateurs technologiques

MMX emporte également deux instruments dans le but de valider le fonctionnement de nouvelles technologies qui seront déployées dans de futures missions :

• IREM (Interplanetary Radiation Environment Monitor) mesure le niveau de radiation de l'environnement martien ainsi que le spectre énergétique des protons à haute énergie générés par des événements tels que les tempêtes solaires. La mesure du rayonnement de fond au niveau de Mars est importante pour la survie des astronautes embarqués dans les futures missions martiennes et pour déterminer des méthodes permettant d'estimer les doses reçues.
• Les deux caméras SHV (Super Hi-Vision) développées en collaboration avec NHK seront utilisées pour obtenir des images de Mars et de ses lunes avec une résolution spatiale de 4 et 8 mégaoctets.

Trajectoire de la sonde spatiale japonaise MMX, en haut vue d'ensemble, en bas vue de l'arrivée dans le système martien. Le trajet aller est tracé en bleu le trajet retour en jaune : 1 Lancement - 2 Transit entre la Terre et Mars - 3 Arrivée dans le système martien - 4 Première manœuvre pour l'insertion sur une orbite elliptique autour de Mars (MOI-1) - 5 Deuxième manœuvre modifiant le plan orbital et accroissant le périgée (MOI-2)- 6 Troisième manœuvre pour l'insertion en orbite quasi stationnaire autour de Phobos (MOI-3) - 7 Départ de Mars - 8 Transit entre Mars et la Terre - 9 Retour sur Terre - A Orbite de Mars - B Orbite de la Terre - C Orbite de Phobos - D Orbite de Deimos.

Déroulement de la mission

Lancement et transit jusqu'à Mars (2026-2027)

Le lancement de la sonde spatiale MMX par le lanceur japonais H3 est programmé pour octobre 2026. Durant son transit jusqu'à Mars la sonde spatiale ajuste à trois reprises sa trajectoire avant de s'insérer en 2027 en orbite autour de Mars. MMX doit rester trois ans dans le système martien de 2027 à 2030. La phase scientifique comprend cinq phases. Durant la plus grande partie de son séjour, la sonde spatiale reste sur une orbite quasi stationnaire (c'est-à-dire presque au-dessus de l'équateur du corps céleste) au-dessus de la surface de Phobos pour effectuer ses observations scientifiques et sélectionner les sites sur lesquels prélever les échantillons.

Phase 1 : Observations préliminaires

Durant la première phase de sa mission, le fonctionnement de ses instruments et de ses équipements sont vérifiés et des observations préliminaires sont menées.

Phase 2 : cartographie minéralogique et géologique de Phobos

Durant la deuxième phase, MMX se positionne successivement à différentes altitudes au-dessus de Phobos : l'orbite QSO-H se situe à une altitude comprise entre 100 et 200 kilomètres, QSO-M entre 50 et 90 kilomètres, QSO-L entre 20 et 50 kilomètres. Ces différentes orbites permettent à la sonde spatiale de réaliser une cartographie minéralogique (en particulier des minéraux hydratés) et une étude géologique complète de Phobos. Des mesures sont effectuées pour déterminer la structure interne, en particulier la présence de glaces.

Phase 3 : prélèvements d'échantillons de sol et étude in situ de Phobos

Durant la troisième phase, MMX effectue les prélèvements à la surface de Phobos. Au début de cette phase ou en fin de phase 2 (ce n'était pas encore décidé en 2022), la sonde spatiale commence par larguer le petit astromobile IDEFIX depuis une altitude inférieure à 100 mètres (sans doute environ 40 mètres). Celui-ci atterrit avec une vitesse de 1 m/s à la surface de Phobos pour y mener une campagne d'observation scientifique d'environ 100 jours terrestres sur un terrain qui n'a pas été perturbé par le souffle des moteurs-fusées de la sonde spatiale. Durant la phase 3, la sonde MMX se pose brièvement (durant deux à trois heures) sur deux sites pour effectuer des études in situ et prélever des échantillons du sol.

Phase 5 : étude de Deimos

Avant de repartir vers la Terre, la sonde spatiale réalise durant quatre mois une étude du deuxième satellite de Mars, Deimos (cinquième phase). Les observations de Déimos sont faites à ce stade car celles-ci nécessitent de s'éloigner de Mars (Déimos circule sur une orbite plus éloignée) ce qui crée une synergie (consommation d'ergols) avec la manoeuvre suivante de départ vers la Terre. Pour limiter la consommation d'ergols, les données ne sont pas collectées en se maintenant en orbite autour de la lune mais en effectuant plusieurs survols. Le survol se fera au début à une distance de 1 000 km mais sera progressivement abaissée jusqu'à 100 km. A cette dernière distance l'instrument OROCHI pourra imager l'ensemble de la surface mais le champ de vue de MIRS et TENGOO ne couvrira qu'une partie de celle-ci. La collecte des données par les instruments TENGOO, OROCHI et MIRS est contrainte par la vitesse de survol, relativement élevée (0,4 à 0,85 km/s selon l'orbite autour de Mars qui sera retenue) et les limites des zones observables (=éclairées).

Retour sur Terre

À l'issue de cette phase scientifique, la sonde spatiale quittera l'orbite martienne en 2030. A l'arrivée à proximité de la Terre en 2031, la capsule est larguée et effectue une rentrée atmosphérique. Il est prévu qu'elle atterrisse dans une région désertique située en Australie.

Notes et références

Bibliographie

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

Présentation de la mission

• (en) K. Kuramoto, Y. Kawakatsu, M. Fujimoto et al., « Martian moons exploration MMX: sample return mission to Phobos elucidating formation processes of habitable planets », Earth, Planets and Space, vol. 74, n^o 12,‎ 20 janvier 2022, p. 31 (DOI 10.1186/s40623-021-01545-7, lire en ligne [PDF]). 
  Contexte scientifique, objectifs, cahier des charges, description de la sonde spatiale et de ses instruments, déroulement de la mission

Echantillon du sol de Phobos

• (en) Tomohiro Usui, Ken-ichi Bajo, Wataru Fujiya, Yoshihiro Furukawa, Mizuho Koike et al., « The Importance of Phobos Sample Return for Understanding the Mars-Moon System », Space Sci Review, vol. 216,‎ 28 avril 2020, p. 18 (DOI 10.1007/s11214-020-00668-9, lire en ligne [PDF])
  Enjeux du retour d'échantillon de sol de Phobos.

Instruments

• (en) Maria Antonietta Barucci, Jean‑Michel Reess, Pernelle Bernardi, Alain Doressoundiram, Sonia Fornasier et al., « MIRS: an imaging spectrometer for the MMX mission », Earth, Planets and Space, vol. 73,‎ 2021, p. 28 (DOI 10.1186/s40623-021-01423-2, lire en ligne [PDF]). 
  Le spectro imageur MIRS.
• (en) Shingo Kameda, Masanobu Ozaki, Keigo Enya, Ryota Fuse, Toru Kouyama et al., « Design of telescopic nadir imager for geomorphology (TENGOO) and observation of surface reflectance by optical chromatic imager (OROCHI) for the Martian Moons Exploration (MMX) », Earth, Planets and Space, vol. 73,‎ 2021, p. 28 (DOI 10.1186/s40623-021-01462-9, lire en ligne [PDF]). 
  Les instruments TENGOO et OROCHI.
• (en) Hiroki Senshu, Takahide Mizuno, Kazuhiro Umetani, Toru Nakura, Akihiro Konishi et al., « Light detection and ranging (LIDAR) laser altimeter for the Martian Moons Exploration (MMX) spacecraft », Earth, Planets and Space, vol. 73,‎ 2021, p. 6 (DOI 10.1186/s40623-021-01537-7, lire en ligne [PDF]). 
  L'altimètre laser LIDAR de MMX.
• (en) Shoichiro Yokota, Naoki Terada, Ayako Matsuoka, Naofumi Murata, Yoshifumi Saito et al., « In situ observations of ions and magnetic field around Phobos: the mass spectrum analyzer (MSA) for the Martian Moons eXploration (MMX) mission », Earth, Planets and Space, vol. 73,‎ 2021, p. 18 (DOI 10.1186/s40623-021-01452-x, lire en ligne [PDF]). 
  L'instrument d'analyse des particules et du champ magnétique MSA.
• (en) Nancy L. Chabot, Patrick N. Peplowski, Carolyn M. Ernst, Hari Nair, Michael Lucks et al., « MEGANE investigations of Phobos and the Small Body Mapping Tool », Earth, Planets and Space, vol. 73,‎ 2021, p. 13 (DOI 10.1186/s40623-021-01509-x, lire en ligne [PDF]). 
  Le spectroscope gamma et neutron MEGANE.
• (en) Yuichiro Cho, Ute Böttger, Fernando Rull, Heinz‑Wilhelm Hübers, Tomàs Belenguer et al., « In situ science on Phobos with the Raman spectrometer for MMX (RAX): preliminary design and feasibility of Raman measurements », Earth, Planets and Space, vol. 73,‎ 2021, p. 11 (DOI 10.1186/s40623-021-01496-z, lire en ligne [PDF]). 
  Le spectroscope Raman RAX embarqué sur l'astromobile.

Astromobile

• (en) Patrick Michel, Stephan Ulamec, Ute Böttger, Matthias Grott, Naomi Murdoch et al., « The MMX rover: performing in situ surface investigations on Phobos », Earth, Planets and Space, vol. 74,‎ 2021, p. 14 (lire en ligne [PDF])
  L'astromobile de MMX.
• (en) Stephan Ulamec, Patrick Michel, Matthias Grott, Ute Böttger, Susanne Schröder, Heinz-Wilhelm Hübers, Yuichiro Cho, Fernando Rull, Naomi Murdoch, Pierre Vernazza et al., « Science objectives of the MMX rover », Acta Astronautica,‎ 2023, p. 11 (DOI 10.1186/s40623-021-01464-7, lire en ligne [PDF]). 
  Objectifs assignés à l'astromobile de MMX.

Déroulement de la mission

• (en) Tomoki Nakamura, Hitoshi Ikeda, Toru Kouyama, Hiromu Nakagawa, Hiroki Kusano et al., « Science operation plan of Phobos and Deimos from the MMX spacecraft », Earth, Planets and Space, vol. 73,‎ 2021, p. 27 (DOI 10.1186/s40623-021-01546-6, lire en ligne [PDF]). 
  Déroulement des opérations scientifiques.

Voir aussi

Articles connexes

• Hayabusa 2, autre mission de retour d'échantillons japonaise
• H3
• Mission de retour d'échantillons
• Phobos
• Phobos-Grunt
• Programme Phobos

Liens externes

• (ja + en) Site officiel
• (en) Synthèse du projet par H. Miyamoto (mars 2016)
• Site officiel du CNES