PERSEVERANCE, mission

Développée par la NASA, la mission spatiale américaine Mars 2020 – rebaptisée Perseverance en mars 2020, après un appel à idées auprès d’écoliers américains – marque une étape importante dans l’exploration de cette planète avec le déploiement, le 18 février 2021, sur le sol martien, du rover (véhicule robotisé) Perseverance. Cette astromobile – transportée par la sonde spatiale lancée le 30 juillet 2020 depuis la base de Cap Canaveral (Floride) – s’est posée dans le cratère Jezero, cratère d’impact de 45 kilomètres de diamètre situé près d’un ancien delta fluvial. La recherche de traces des débuts de l’histoire de Mars et d’un possible développement de la vie est l’objectif principal de cette mission comportant des analyses in situ des minéraux variés présents sur place et la collecte d’échantillons qui seront rapportés sur Terre par de futures missions.

Une brève histoire de l’exploration de Mars

Planète phare dans l’imaginaire de nos sociétés, par ses aspects changeants, sa couleur rouge caractéristique et son association aux dieux de la guerre – tel Arès, le dieu terrible qui prend part aux combats dans l’Iliade – dans les mythologies antiques, Mars est aussi pour les chercheurs un objet d’étude inépuisable. Les astronomes, après avoir cru y voir des réseaux de canaux, observaient au télescope des effets saisonniers, liés, on le sait maintenant, aux grandes tempêtes de poussières martiennes, et non à des variations de végétation comme on le pensait jusqu’aux années 1950. Ces observations ont contribué à créer le mythe du Martien, figure de la science-fiction. L’association de Mars à la vie extraterrestre est donc ancienne, et l’exploration spatiale s’est très vite attachée à rechercher de possibles traces biologiques avec, dès 1976, les atterrisseurs Viking (NASA) dont c’était l’objectif clé. Les résultats peu concluants, du moins sur ce plan, des missions Viking ont ensuite ralenti l’exploration de Mars, qui n’a repris que dans les années 1990 avec des objectifs plus réalistes et progressifs, résumés dans le programme en forme de slogan de la NASA « Follow the water ». Trouver les traces anciennes d’écoulements ou de présence passée d’eau liquide stagnante a permis en effet de lever progressivement les questions sur l’évolution géologique de Mars et de son climat. Ainsi, les observations de Curiosity, l’astromobile de la mission Mars Science Laboratory – qui s’est posée dans le cratère Gale le 6 août 2012 –, ont clairement montré une altération aqueuse sur certaines roches. Mais la question de la durée de la présence de l’eau (quelques milliers ou millions d’années) reste controversée.

L’exploration martienne a atteint en 2021 un point charnière avec la mission Perseverance, première étape d’un programme de retour sur Terre d’échantillons martiens soigneusement sélectionnés. Cette même année, la planète Mars a également reçu la visite de deux autres missions spatiales : Tianwen-1 (avec son rover Zhurong), développée par l’Administration spatiale nationale chinoise (en anglais, CNSA pour China National Space Administration), et Al-Amal (signifiant « espoir » en arabe, d’où l’appellation « Mars Hope » en anglais), mission martienne des Émirats arabes unis. En 2021, le nombre de sondes en activité autour de Mars ou sur son sol a ainsi été porté à quatorze, depuis les vétérans des années 2000 (Mars Odyssey de la NASA et Mars Express de l’ESA) jusqu’à celle de 2018 (InSight de la NASA). Ces missions dessinent une stratégie collective internationale de recherche.

Les objectifs scientifiques de la mission

Le cratère Jezero, site d’atterrissage de Perseverance, est situé à l’ouest de la plaine Isidis à 18 degrés de latitude nord. Il a été choisi parce qu’il comporte un delta fluvial vers un lac asséché, où des dépôts sédimentaires ont pu s’accumuler voici quatre milliards d’années environ. Au début de l’histoire de la planète, l’atmosphère alors plus épaisse autorisait la présence d’eau, de lacs, voire d’océans, et d’un système fluvial. L’assèchement progressif et le refroidissement de la planète en surface, accompagnés de la disparition progressive de son atmosphère – moins d’un centième de l’atmosphère terrestre aujourd’hui à des températures moyennes de –63 ⁰C – ont rendu Mars inhabitable en surface, les traces d’un passé humide subsistant dans des sites comme Jezero, avec des cycles de sécheresse-inondation, qui pourraient avoir été propices selon certains auteurs à l’apparition de la vie.

L’objectif principal de Perseverance est de prélever une panoplie d’échantillons choisis après analyse physico-chimique par ses instruments. Ces échantillons seront déposés dans des tubes scellés, sur un point du trajet de Perseverance. Une future mission de collecte viendra les recueillir pour les rapporter sur Terre. Après le système complexe de prélèvement d’échantillons par le bras robotique, l’instrument principal de Perseverance est l’ensemble instrumental franco-américain SuperCam monté sur un mât mobile comportant caméras, spectromètres infrarouges et laser d’analyse à distance. Son rôle est de repérer sur les roches des indices d’évolution chimique, voire d’activité biologique, avant même les retours d’échantillons.

La liste de la charge utile de Perseverance comprend un ensemble de caméras panoramiques Mastcam-Z sur le mât, un radar de subsurface (Rimfax, ou Radar Imager for Mars Subsurface Exploration) conçu par un institut de recherche norvégien pour l’étude du sous-sol, un spectromètre en ultraviolet (SHERLOC, pour Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics and Chemicals), un spectromètre en rayons X (PIXL, Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry) pour déterminer la composition chimique des roches, et une station météorologique (MEDA, pour Mars Environmental Dynamics Analyzer) développée par une équipe espagnole pour mesurer les paramètres atmosphériques (température au sol, température de l'air, pression, humidité, direction et vitesse des vents et rayonnement dans différentes bandes spectrales). L’astromobile est aussi équipée d’un instrument pour tester la production d’oxygène à partir du dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère martienne (Moxie, pour Mars OXygen In-situ resource utilization Experiment), prototype des systèmes nécessaires à l’exploration humaine de Mars.

Les premières images obtenues par les caméras de Perseverance confirment les prédictions faites à partir de clichés pris en orbite lors de missions antérieures : des structures sédimentaires semblent présentes et des remaniements liés à des écoulements d’eau sont observés. Les spectromètres doivent permettre de déchiffrer la composition minérale des roches pour en retracer l’origine (volcanique ou sédimentaire). Selon l’expérience de la mission Curiosity, il faudra compter plusieurs mois avant que des conclusions scientifiques puissent émerger. Ces résultats s’ajouteront aux mesures d’autres sondes concernant la composition de l’atmosphère (TGO, pour ExoMars Trace Gas Orbiter, de l'ESA, lancée le 14 mars 2016 et insérée en orbite autour de Mars le 19 octobre 2016), l’échappement atmosphérique (Maven, pour Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN, de la NASA, lancée le 18 novembre 2013 et placée en orbite autour de Mars le 21 septembre 2014) ou la sismologie (InSight, Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport, de la NASA, qui a décollé le 5 mai 2018 pour atterrir à la surface de la planète le 26 novembre 2018). Pendant ce temps, les deux sondes arrivées la même année que Perseverance ont commencé à prendre leurs mesures. Le rover chinois Zhurong, posé le 15 mai 2021 sur Mars, présente de nombreuses analogies avec celui de la NASA – en particulier des spectromètres infrarouges et un radar –, mais il étudie une région différente qui est la plaine d’Utopia Planitia située à quelque 1 800 kilomètres au nord-est du cratère Jezero. Après soixante-huit jours terrestres sur Mars, Zhurong avait parcouru 585 mètres. La sonde orbitale des Émirats arabes unis, placée en orbite autour de la planète le 9 février 2021, a quant à elle fait la démonstration que Mars est accessible à de nouveaux acteurs du domaine spatial. Cette mission a été développée sous la direction d’une équipe universitaire émiratie, avec de nombreuses collaborations aux États-Unis, et fournit des mesures nouvelles en imagerie et spectroscopie de l’atmosphère sur les aurores magnétiques de Mars.

Les prouesses technologiques de Perseverance et Ingenuity

L’atterrissage de Perseverance, décrit comme « sept minutes de terreur » a été une répétition de celui de Curiosity en 2012. Cependant, l’ajout de caméras sur tous les systèmes liés à l’atterrissage (bouclier, module porteur, grue) a permis de faire vivre ces séquences à partir de divers points de vue, démontrant ainsi la parfaite maîtrise de toutes les phases de descente jusqu’au sol martien. Les premiers panoramas du site ont été envoyés dans les premières heures qui ont suivi l’atterrissage. Perseverance a passé ses premiers mois sur Mars à vérifier le bon fonctionnement de tous les systèmes de bord, avant de commencer à se rapprocher des sites les plus intéressants géologiquement. Après cinq mois, 1 kilomètre environ a été parcouru. Les performances des logiciels de navigation autonome ont été vérifiées et la mission scientifique a pu débuter. La NASA a annoncé le 6 août 2021 qu’une première tentative de collecte d’échantillons s’était soldée par un échec en raison d’une roche trop friable. Après une révision des procédures par les ingénieurs de la NASA, une nouvelle tentative a permis de collecter avec succès, les 6 et 8 septembre 2021, les deux premiers échantillons d’une roche basaltique soigneusement sélectionnée, confirmant la poursuite de la mission selon les plans prévus.

Une grande première a été réalisée avec le vol de l’hélicoptère Ingenuity ou MHS (Mars Helicopter Scout). Ce drone, d’une masse de 1,8 kilogramme, avait un statut spécial de « passager additionnel » de la mission : les ingénieurs ont ainsi pu accepter un niveau de risque plus élevé, qui a permis de développer ce module en un temps record avec plus de souplesse que pour un système standard de charge utile embarquée. Le grand succès des premiers vols de ce drone, qui fonctionne de manière autonome mais envoie ses données vers la Terre via Perseverance, a eu un impact médiatique à la mesure de la prouesse. S’élever dans une atmosphère qui ne fait qu’un centième de la pression terrestre, même avec une gravité d’un tiers de celle de la Terre, n’avait rien d’évident. Cette réussite expérimentale a permis d’intégrer Ingenuity dans la mission principale de Perseverance en tant qu’éclaireur, en donnant un point de vue d’une altitude de 10 mètres environ sur les obstacles et la structure du terrain. Après cent soixante-quinze jours martiens, plus de 2,5 kilomètres au total ont été parcourus par Ingenuity en onze vols (le premier ayant eu lieu le 19 avril 2021). Outre les données techniques qui permettront de préparer de futures missions martiennes couplées sol-air, le concept d’exploration en mobilité aérienne servira de préparation à d’autres missions, comme Dragonfly, de la NASA, vers Titan, le plus gros satellite de Saturne.

L’avenir de l’exploration martienne 

La mission de retour des échantillons prélevés par Perseverance se fera dans un ballet d’étapes, orchestré par la NASA et l’ESA et qui inclura un module orbital, une astromobile collectrice des tubes d’échantillons scellés, un système de lancement en orbite martienne à partir du cratère Jezero et un rendez-vous en orbite avec le module de retour vers la Terre, qui emportera enfin la précieuse capsule contenant les échantillons. Un retour sur Terre prévu vers 2032, sauf aléas ! Ce n’est qu’alors que débutera une nouvelle phase d’exploration de Mars dans divers laboratoires scientifiques pour étudier avec des moyens inégalés les échantillons et s’attaquer à la grande question : la vie a-t-elle pu se développer sur Mars ?

Que dire de l’exploration humaine de Mars dont plusieurs projets nationaux sont à l’étude ? Les missions habitées reposent sur un contexte bien différent des missions scientifiques et le débat y est non seulement financier ou politique, mais aussi éthique. Un point particulièrement problématique, mais rarement abordé, est l’association d’une mission habitée avec la recherche de la vie sur Mars, la question clé dans une stratégie d’exploration scientifique par les missions martiennes. Les modules d’atterrissage sont en effet tenus, afin d’éviter toute contamination accidentelle de Mars par des éléments biologiques, de respecter un protocole international dit de « protection planétaire » incluant une stérilisation poussée pour accéder à des sites d’intérêt biologique, ce qui est peu compatible avec une mission habitée.

Mars continuera à faire rêver. Les images transmises par les sondes fournissent déjà une vision de proximité en réalité virtuelle. Nous assistons à des couchers de soleil sur Mars – le soleil couchant y est d’ailleurs plutôt bleu du fait des poussières martiennes qui diffusent la composante rouge du spectre solaire tout en rougissant le ciel martien. Nous admirons des panoramas impressionnants et suivons avec émotion les pérégrinations de ces robustes astromobiles martiennes à travers des paysages inconnus. N’avons-nous pas tous, en fin de compte, déjà posé le pied sur Mars ?

Bibliographie

Site internet