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

Spectro-imageur MIRS pour la mission MMX de la JAXA

mercredi 22 mars 2023

La mission Martian Moon eXploration (MMX) de la JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) est la première mission de retour d’Ă©chantillons du satellite Phobos. Elle prĂ©voit Ă©galement une exploration du système de la planète Mars.

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

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

La mission MMX

Martian Moon eXploration (MMX) sera lancĂ©e en septembre 2024 vers le système martien pour ramener des Ă©chantillons de la surface de Phobos, effectuer des observations dĂ©taillĂ©es de Phobos et de Deimos et surveiller le climat de Mars. La mission effectuera un voyage aller-retour en cinq ans, avec retour sur Terre des Ă©chantillons de Phobos en juillet 2029. La sonde arrivera dans le système de Mars en aoĂ»t 2025. Elle restera trois ans sur des orbites quasi-satellitaires (QSO) autour de Phobos Ă  diffĂ©rentes altitudes pour sĂ©lectionner les sites d’Ă©chantillonnage et d’atterrissage.


La plus grande lune de Mars, Phobos, vue par Mars Reconnaissance Orbiter en 2008
L’image a Ă©tĂ© prise Ă  une distance d’environ 6 800 kilomètres. Elle est prĂ©sentĂ©e en couleurs en combinant les donnĂ©es des canaux bleu-vert, rouge et infrarouge proche de la camĂ©ra.
(Source : NASA/JPL-Caltech/University of Arizona)
NASA/JPL-Caltech/University of Arizona


La sonde descendra pendant plusieurs heures sur la surface de Phobos pour collecter au moins 10 g du rĂ©golithe de Phobos Ă  l’aide d’un carottier descendant jusqu’Ă  2 cm. MMX collectera des Ă©chantillons de Phobos sur deux sites diffĂ©rents.

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


SĂ©quence de la mission MMX


Les principaux objectifs de la mission sont :

  • Comprendre l’origine des lunes martiennes par des observations rapprochĂ©es et par retour d’échantillons ;
  • Contraindre les processus de formation planĂ©taire et de transport de matĂ©riaux dans la rĂ©gion reliant le système solaire intĂ©rieur et extĂ©rieur ;
  • RĂ©vĂ©ler les processus Ă©volutifs du système martien dans les environnements circum-martiens.

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

  • la camĂ©ra grand angle OROCHI (radiomètre optique composĂ© d’imageurs chromatiques),
  • la camĂ©ra (angle Ă©troit) TENGOO (imageur tĂ©lescopique pointĂ© au Nadir, pour la gĂ©omorphologie),
  • l’altimètre laser LIDAR (Light Detector and Ranging),
  • le dĂ©tecteur de poussière CMDM (Circum-Martian Dust Monitor),
  • le spectromètre de masse MSA (Mass Spectrum Analyzer),
  • le spectromètre Ă  rayons gamma et Ă  neutrons MEGANE (« lunettes » en japonais) fourni par la NASA,
  • le spectromètre proche infrarouge MIRS (MMX InfraRed Spectrometer) fourni par le CNES,
  • le dispositif d’Ă©chantillonnage SMP et la capsule de retour d’Ă©chantillons.

Un petit rover (poids total infĂ©rieur Ă  30 kg) dĂ©veloppĂ© par le CNES et le DLR, sera larguĂ© sur la surface de Phobos. La charge utile du rover comprend quatre instruments scientifiques :

  • un radiomètre infrarouge thermique (miniRAD),
  • un spectromètre Raman (RAX),
  • une paire de camĂ©ras stĂ©rĂ©o tournĂ©es vers l’avant (NavCAM),
  • deux camĂ©ras qui observent l’interface roues-surface (WheelCAM) pour Ă©tudier les propriĂ©tĂ©s mĂ©caniques du rĂ©golithe de Phobos.
La sonde MMX


L’ESA participera Ă  la mission contribuant aux communications avec les antennes de son rĂ©seau d’espace profond.

MIRS

Module d’exploration de MMX avec l’emplacement de l’instrument MIRS


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


Organigramme du projet MIRS


MIRS est un spectromètre imageur dans la bande spectrale 0,9 - 3,6 microns avec une rĂ©solution spectrale meilleure que 20 nm. L’IFOV (champ de vue d’un pixel) est de 0,35 milli-radian et le champ de vue total de +/- 1,65 degrĂ©s. Le rapport signal sur bruit est supĂ©rieur Ă  100 jusqu’Ă  3,2 µm dans un temps d’intĂ©gration infĂ©rieur Ă  2 s. Le dĂ©tecteur a une dimension de 256 x 256 pixels avec une taille de pixel de 30 microns. La masse totale est infĂ©rieure Ă  11,9 kg (dont 20% de marge), et le volume de l’instrument complet est d’environ 320 x 150 x 400 mm3.

Objectifs scientifiques de MIRS

MIRS devra caractĂ©riser les surfaces de Phobos et de Deimos et la composition atmosphĂ©rique de Mars, en identifiant les signatures spectrales caractĂ©ristiques dans le proche infrarouge. MIRS doit rĂ©pondre aux exigences de la mission, en particulier :

1) Étudier la distribution de surface des matĂ©riaux constitutifs de Phobos. Les minĂ©raux hydratĂ©s et autres minĂ©raux doivent ĂŞtre identifiĂ©s en relation avec la topographie et caractĂ©risĂ©s dans un point de vue spectroscopique Ă  une rĂ©solution au sol de 20 m sur la quasi-totalitĂ© de la surface du satellite, et Ă  une rĂ©solution spatiale de 1 m, dans un rayon de 50 m autour du point de prĂ©lèvement.
MIRS devra mesurer sur toute la surface la teneur en eau (glace) (bande d’absorption Ă  3,0-3,2 ÎĽm), les minĂ©raux silicatĂ©s hydratĂ©s (bandes d’absorption caractĂ©ristiques Ă  2,7-2,8 ÎĽm), et la matière organique (3,3.-3,5 ÎĽm).

2) Étudier la distribution des matĂ©riaux constitutifs de Deimos, Ă  partir des informations spectroscopiques ; dĂ©terminer en relation avec la topographie dans des zones caractĂ©ristiques de la surface de la lune, la distribution des minĂ©raux hydratĂ©s, et d’autres minĂ©raux, avec une rĂ©solution spatiale horizontale de 100 m ou mieux.

3) Contraindre les processus de transport de poussière et d’eau près de la surface martienne : des observations continues des tempĂŞtes de poussière, de nuages de glace et de vapeur d’eau seront menĂ©es pour les latitudes moyennes et basses Ă  partir de l’orbite Ă©quatoriale de haute altitude au cours de diffĂ©rentes saisons avec une rĂ©solution temporelle de 1 heure.

Les observations de MIRS permettront de dĂ©terminer la distribution de la quantitĂ© de vapeur d’eau dans des colonnes atmosphĂ©riques avec une rĂ©solution spatiale de 10 km, une prĂ©cision radiomĂ©trique spectrale absolue de 10%, une prĂ©cision relative radiomĂ©trique spectrale de 1%, et avec une rĂ©solution temporelle infĂ©rieure Ă  1 heure dans des zones sĂ©lectionnĂ©es Ă  basse latitude. Ces observations seront effectuĂ©es sur plusieurs jours successifs dans diffĂ©rentes saisons.

MIRS permettra d’Ă©tudier la composition de Phobos, Deimos et de caractĂ©riser les variations temporelles dans l’atmosphère de Mars. Il sera Ă©galement un instrument fondamental pour contribuer Ă  la sĂ©lection des deux sites de collecte des Ă©chantillons sur la surface de Phobos.

L’équipe scientifique de MIRS est constituĂ©e de plusieurs co-Is Japonais et de co-Is de 10 laboratoires français : LESIA (Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique), IPAG (Institut de planĂ©tologie et d’astrophysique de Grenoble), IPGP (Institut de physique du globe de Paris), IRAP (Institut de recherche en astrophysique et planĂ©tologie), LATMOS (Laboratoire atmosphères et observations spatiales), LAM (Laboratoire d’astrophysique de Marseille), LPG-N (Laboratoire de PlanĂ©tologie et GĂ©osciences de Nantes), LMD (Laboratoire de mĂ©tĂ©orologie dynamique), LAB (Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux) et OCA (Observatoire de la CĂ´te d’Azur).

MMX est en cours de dĂ©veloppement et de construction par la JAXA, avec des contributions du CNES, du DLR et de la NASA. L’Ă©quipe MIRS remercie le CNES pour son soutien financier et sa collaboration Ă  la rĂ©alisation de l’instrument MIRS.

Personnels LESIA impliqués

  • Vartan ARSLANYAN (fabrication mĂ©canique)
  • Antonella BARUCCI (PI)
  • Pernelle BERNARDI (responsable système)
  • Cyrille BLANCHARD (AIT)
  • Marion BONAFOUS (AIT)
  • Bruno BORGO (conception mĂ©canique)
  • Tristan BUEY (support système)
  • Frederic CHAPRON (architecte mĂ©canique)
  • Alain DORESSOUNDIRAM (deputy PI)
  • Sonia FORNASIER (Instrument Scientist)
  • Marcello FULCHIGNONI (associated scientist)
  • Corentin GABIER (CDD analyses thermiques)
  • Sophie JACQUINOD (pipeline de donnĂ©es)
  • DieudonnĂ© KITEZE (CDD analyses mĂ©caniques)
  • Ludovic LE NOC (CDD conception mĂ©canique)
  • Bertrand LE RUYET (dĂ©tecteur)
  • Cedric LEYRAT (co-I )
  • Frederic MERLIN (co-I)
  • NapolĂ©on NGUYEN-TUONG (architecte thermique)
  • Patricia NIBERT (administration)
  • JĂ©rĂ´me PARISOT (responsable AIT)
  • Giovanni POGGIALI (post-doctorant)
  • Jean-Michel REESS (chef de projet)
  • Didier ZÉGANADIN (AP/AQ)

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