Mise à jour 12 Février 2021.

CONFÉRENCE MENSUELLE (à distance) DE LA SAF

De Antonella BARUCCI du LESIA

« LES MISSIONS HAYABUSA-2, OSIRIS REX ET MMX »

Organisée par la SAF

Par Téléconférence, due au confinement virus

Le Mercredi 10 Février 2021 à 19H00

Photos : JPM pour l'ambiance. (Les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos si nécessaire

La présentation est disponible sur ma liaison ftp , rentrer le mot de passe, puis CONFÉRENCES SAF ensuite SAISON 2020/2021 ; elle s’appelle : Barucci-Haya-Osir-MMX-2021.pdf (ne contient pas les vidéos car trop volumineux).

Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.

La vidéo de la réunion est accessible ICI .  

Tous les autres enregistrements sont accessibles sur la chaine YouTube SAF.

Les conditions étant particulières en cette période de circulation du virus COVID-19, je n’ai pas de photo de groupe bien sûr, mais j’ai pu faire une photo partielle des participants (voir plus bas).

Remarque : de nombreux paragraphes ont été empruntés aux divers articles que j’ai déjà écrits sur ces sondes.

De haut en bas et de gauche à droite : les organisateurs Th Midavaine et JP Martin, Antonella Barucci

BREF COMPTE RENDU

Cette conférence transmise par zoom était limitée à 100 personnes et effectivement il y eut 104 spectateurs, les autres, pouvaient quand même voir la conférence en direct sur le canal YouTube SAF sans s’inscrire, il y eut 120 personnes. Donc plus de 220 spectateurs en tout, un beau record dû à un sujet très intéressant.

Le titre « Les missions Hayabusa-2, Osiris Rex et MMX » était sous-titré les missions vers las astéroïdes avec retour d’échantillons, et c’est vraiment le point le plus important, on a réussi à prendre des échantillons de la surface de certains astéroïdes, d’en ramener certains sur Terre et de les analyser.

Ceci est leur histoire.

TOUT D’ABORD : COMMENT SONT NÉS LES ASTÉROÏDES ?

Le temps zéro, base du début du système solaire se situe il y a 4,567 Milliards d’années (Ga = Giga années Ma = Millions d’années)

Tout s’est produit à partir d’un nuage de gaz et de poussières, il y a eu plusieurs phases, notamment :

·        entre 1 et 10 Ma: formation d’embryons planétaires

·        jusqu’à 10 Ma: formation des planètes géantes

·        jusqu’à 60 Ma: formation de la Terre-Lune

·        jusqu’à 100 Ma: formation des planètes rocheuses

La gravité devenant dominante à partir d’objets ayant au moins 1 km.

Bref c’est quand même une vision simpliste des choses, car ce ne fut pas un long fleuve tranquille. Il y eu des migrations des planètes géantes qui ont fait des va et vient vers le Soleil et puis s’en sont éloignées (c’est le fameux modèle de Nice et son grand Tack). Cela a joué sur la matière restante de la formation des planètes, justement, les astéroïdes.

On s’aperçu vite qu’entre Mars et Jupiter, il y avait un trou, il manquait une planète, pourquoi ?

Toute formation de planètes est prise entre deux feux :

•        L’attraction du Soleil

•        L’attraction de Jupiter planète géante

Toute velléité de formation est vouée à l’échec : il ne peut subsister que des petits morceaux de planétoïdes, les astéroïdes.

La plupart de ces petits corps se trouvent donc situés entre Mars et Jupiter (on verra qu’il existe une autre zone aussi plus loin dans le Système Solaire) que l’on appelle la ceinture principale d’astéroïdes.

De quoi sont composés ces petits corps ?

Ce sont les restes de matière qui n’ont jamais pu former une vraie planète, ils sont intéressants à étudier car ce sont des vrais fossiles de notre formation.

Il existe différents types comme :

•        Ceux principalement rocheux (comme le manteau terrestre)

•        Certains ferreux comme le noyau terrestre pour ceux qui commençaient à se différencier

•        Et toutes les combinaisons entre les deux, suite aux multiples collisions depuis des milliards d’années.

De façon un peu simplifiée, on peut dire que l’étude spectrographique a permis de déterminer trois grandes familles en fonction de leur composition, à première vue

•        Les astéroïdes de type S (en anglais stony rocheux) ou silicatés, constitués de pyroxène et d’olivine avec petit noyau de Fe-Ni

•        Les astéroïdes du type M (métalliques), blocs de Fer et de Nickel

•        Les astéroïdes de type C (pour carbonés) sont les plus primitifs

Dans la ceinture principale, il y aurait plus de 1 million de corps de taille supérieure à 1 km.

Parmi ces astéroïdes, certains ont la fâcheuse idée de croiser l’orbite de la Terre, ce sont les géocroiseurs, on en compte approx. un millier de taille supérieure à 1 km. Certains peuvent nous percuter comme cela s’est produit il y a quelques années en Russie à Tcheliabinsk (voir le film)

Mais, ne paniquons quand même pas, ces impacts dangereux ne sont pas si fréquents, dormez sur vos deux oreilles.

Illustration : Quelques astéroïdes visités, dans le coin inférieur droit, ce sont des comètes.

NASA/JPL Montage E. Lakdawalla Planetary Society

Il y eut de nombreuses missions vers les astéroïdes, mais aujourd’hui on s’intéresse à celles qui ont été capables de prélever des échantillons.

LA MISSION HAYABUSA-2 DE LA JAXA : SUCCÈS COMPLET.

La JAXA (agence spatiale japonaise) voulait donner une suite à la mission Hayabusa-1 qui s’était déroulée avec succès, malgré quelques périodes de suspense intense au retour.

Ils ont lancé avec succès en Décembre 2014 la continuation de leur précédente mission vers les astéroïdes : Hayabusa deuxième du nom.

La sonde : similaire à sa première version.

La cible : toujours un astéroïde de petite taille, cette fois il s’appelle 1999 JU3, ou Ryugu, sa taille est de l’ordre du km.

Son avantage, c’est un astéroïde primitif, datant de la formation du système solaire.

Il devrait contenir des molécules organiques.

Il est plus petit que 67P de Philae mais plus dense. Néanmoins la gravité y est très faible.

Il est atteint en Juin 2018, la sonde s’y met en orbite à 20 km d’altitude. L’exploration commence.

Surprise ! Sa forme de dé bizarroïde et absence de cratères.

Pour voir Ryugu tourner avec cette animation gif.

Ryugu a un diamètre de 900 m et un albédo de 4,5%, c’est très très noir !

Il tourne sur lui-même en un peu plus de 7h30.

Sa densité est faible : 1,2, on pense donc que c’est un agrégat rocheux (rubble pile en anglais)

Mais surtout, contrairement à Itokawa de la première mission, il y a plein de roches et pour ainsi dire très peu de zones plates sans gros objets. Notamment un gros rocher étonne (baptisé Otohime), comment peut-il rester au sol avec si peu de gravité.

Photo : JAXA.

La mission a été un succès complet puisqu’elle a réussi les étapes suivantes :

·         Arrivée à l’astéroïde et mise en orbite

·         Lancement et atterrissage du mini robot Minerva II-1 le 21 Sept 2018

·         Lancement et atterrissage du robot (CNES et DLR) le 3 Oct 2018

·         Premier touch-down pour prélèvement le 21 Février 2019

·         Lancement de l’impacteur pour le deuxième prélèvement le 5 Avril 2019

·         Deuxième prélèvement le 11 Juillet 2019

·         Lancement et atterrissage de Minerva II-2 le 3 Oct 2019

·         Il est temps de rentrer à la maison le 13 Nov 2019

·         Retour des échantillons sur Terre le 5 Dec 2019

·         Les prélèvements sont récupérés au Japon le 13 Dec 2019.

Présentation de la sonde :

Assez similaire à l’ancienne mission, mais en se basant sur des techniques améliorées.

La sonde : 600 kg, dimensions : un peu plus d’un m3.

Elle doit aussi déposer à la surface un instrument développé par le CNES et la DLR, MASCOT (acronyme de Mobile Asteroid Surface SCOuT). (Un « scout » en anglais est un éclaireur)

On va larguer cette grosse boite à chaussures, très près de l’astéroïde, vers les 100 m d’altitude à la vitesse de l’ordre de 10 cm/s.

Illustration  JAXA

Il va rebondir et une fois posé il a la capacité de se retourner si nécessaire. (roue à inertie et bras) car l’instrument principal doit être tourné vers le sol. De plus cet ensemble est capable de se déplacer par bonds en d’autres endroits.

MASCOT est un atterrisseur de 10 kg doté d'un mécanisme de mobilité qui lui permettra de visiter 3 sites sur l'astéroïde. Sa durée de vie est limitée par ses batteries primaires, unique source d'énergie pour 12 heures de mission.

Pour atteindre ses objectifs scientifiques, l'atterrisseur MASCOT embarque 4 instruments scientifiques :

·         MicrOmega, microscope infrarouge hyperspectral pour analyse minéralogique in situ du sol, développé par l'Institut d'Astrophysique Spatiale (JP Bibring IAS). MicrOmega constitue l'instrument principal de MASCOT.

·         CAM, caméra champ large multispectrale pour fournir un contexte géologique aux sites visités, développée par le DLR (Berlin) (agence spatiale allemande).

·         MAG, magnétomètre, développé par l'Université Technologique de Braunschweig.

·         MARA, radiomètre pour déterminer la température de la surface et déterminer l'inertie thermique de l'astéroïde, développé par le DLR (Berlin) (agence spatiale allemande).

La sonde aura une dizaine d’heure pour travailler et transmettre ses informations (une batterie non rechargeable limite sa durée de vie).

Des simulations numériques d’atterrissage ont eu lieu pour limiter le nombre de rebonds, en effet, on ne pouvait pas se permettre que Masco rebondisse pendant des heures, la durée de vie de sa batterie étant limitée.

Trajectoire d’atterrissage de Mascot sur Ryugu et ensuite déplacement à sa surface (flèche bleue).

On remarquera l’ombre portée de Hayabusa en orbite.

Concernant le prélèvement, la sonde a lentement spiralé vers la surface avant de lancer une microbille de 5 grammes en Tantale à la vitesse de 300 m/s, dont le but était de soulever un peu de poussière de la surface.

Poussière alors recueillie par le détecteur de la sonde en léger contact du sol (méthode touch and go).

Ensuite la sonde s’est éloignée de la surface.

La JAXA a publié une super intéressante vidéo de Hayabusa 2 entrain de collecter des échantillons de l’astéroïde ce 21 Février 2019 : on voit une pluie de cailloux projetés en l'air et aspirés par sa trompe.

https://youtu.be/-3hO58HFa1M

vidéo :

La vidéo est accélérée cinq fois, précise la Jaxa.

Pour le deuxième prélèvement on a voulu compliquer les choses et prendre de la matière située plus profondément.

À cet effet, on lance un impacteur ( le SCI Small Carry-on Impactor) chargé de créer un cratère artificiel d’une dizaine de m de diamètre dans le sol et on ira prélever des échantillons au fond de ce cratère.

Zone d’impact avant l’impact (à gauche) et après (à droite). Cercle : approx 10 m. crédit JAXA

Pour faire ces photos, Hayabusa est descendu de son orbite de 20 km pour s’approcher de la surface avant d’y retourner.

Une vidéo montrant le largage de l’impacteur sur Ryugu (on ne voit pas l’impact).

Le deuxième prélèvement s’est aussi bien passé que le premier, on verra plus tard, qu’en fait il a été plus fructueux.

La stratégie de descente pour le deuxième touchdown sur Ryugu.

La JAXA nous fournit une animation vidéo très intéressante du mouvement de la sonde pendant la descente (simulation).

L’animation commence à 8,5 m du sol jusqu’au touchdown, la vitesse est multipliée par 16.

L’image dans le coin inférieur droit représente le champ de vision de la caméra ONC.

Le cercle vert correspond à la zone d’atterrissage. Une vue stéréoscopique de cette zone.

Mission accomplie.

Retour à la maison.

Voici la séquence de retour.

Le 5 dec 2020 à 17h30 GMT, on a pu suivre en direct la trace lumineuse dans le ciel australien.

Elle est récupérée rapidement par les équipes qui l’attendait sur place. Un énorme succès pour une mission dont on n’a peu ou pas entendu parler à la télé. Bravo les amis Japonais.

Illustration : JAXA.

Les échantillons sont vite transportés au Japon, où on ouvre les conteneurs, et là, surprise !

En tout 5,4 g de matière extra-terrestre récoltée.

Ensuite comme il reste du carburant dans la sonde, il est prévu que celle-ci fasse d’abord quelques tours du Soleil avant de s’intéresser à ses prochaines cibles qui pourraient être les astéroïdes 2001 CC21 en 2026 et 1998 KY26, un minuscule astéroïde en 2031.

Bref une belle ambition pour cette mission bon-marché et qui n’a malheureusement pas fait la une de la presse.

Très belle vidéo (longue) de la mission qui énumère tous les détails de l’opération.

https://www.youtube.com/watch?v=TDbtQd4LeuA

LA MISSION OSIRIS-REX DE LA NASA, SUCCÈS EN COURS.

La NASA ne voulant pas être en reste avec la mission Japonaise lancée en 2014, a lancé aussi une mission ambitieuse début Septembre 2016, OSIRIS-Rex (acronyme de Origins, Spectral Interprétation, Resource Identification, Security-Regolith Explorer) en direction d’un astéroïde nommé Bennu (101955 Bennu ou 1999 RQ36), avec pour mission d’en ramener un échantillon sur Terre.

Comme on le remarque à son identification, c’est un astéroïde découvert en 1999 de dimension approximative 500m et dont la période orbitale de 1,2 ans (436 jours). C’est peut-être un fragment d’un astéroïde plus gros.

C’est un géocroiseur (NEO Near-Earth Objects en anglais), c’est-à-dire qu’il peut couper l’orbite terrestre, il fait partie de la famille des Apollo (astéroïdes dont leur demi-grand axe est strictement supérieur à 1 UA et leur périhélie inférieur à 1,017 UA) ; il y en a plusieurs milliers de répertoriés. Il frôle la Terre tous les 6 ans en moyenne, un impact est donc possible au XXIème siècle.

C’est donc un astéroïde potentiellement dangereux.

Compléments (NdlR) :

Il fallait aussi trouver un astéroïde pas trop loin de la Terre, donc un géocroiseur, ce qui est le cas, il y en avait à l’époque du choix approximativement 200. Il fallait aussi que le diamètre ne soit pas trop petit, sinon sa période de rotation est trop grande et ce ne serait pas facile de viser un point sur le sol, cela a réduit le choix à approx 25.

On voulait aussi un astéroïde primitif, comme déjà dit plus haut, il n’en restait plus que quelques-uns, et comme Bennu avait une forte probabilité de rencontrer la Terre dans le futur, ce sont ces diverses raisons qui l’ont fait choisir comme destination pour cette ambitieuse mission.

Rappel : les différents types d’astéroïdes.

La sonde elle-même est beaucoup plus lourde que Hayabusa-2.

C’est un gros un cube de 3m de côté avec deux panneaux solaires de 8,5m2.

Masse au décollage 1500kg.

Les panneaux solaires chargent des batteries au Li-Ion, des petits propulseurs à l’hydrazine sont aussi montés pour les diverses manœuvres.

La structure est fortement inspirée des sondes Maven et MRO qui ont fait leur preuve.

Osiris-Rex possède 5 instruments pour étudier Bennu et mener à bien sa mission qui est d’activer le bras (TAGSAM) pour prendre l’échantillon de sol

Illustration : Centre mission

Après des assistances gravitationnelles, il se met en orbite autour de Bennu en 2018.

Là aussi, surprise ! Il ressemble à Ryugu, une forme de toupie, mais plus petit, il fait seulement 500 m dans sa plus grande dimension.

Densité : 1,2 Albédo : 4,4%

Période de rotation : 4,3 heures.

Là aussi, absence de terrain plat, nombreuses roches en surface.

Cependant on y détecte la raie de l’eau (à 2,7 microns).

Une animation gif de Bennu.

Photo : NASA

De plus on s’est aperçu que Bennu est un astéroïde actif, il dégage des jets de particules et de poussières, un peu comme une queue de comète. Certaines particules s’échappent (leur vitesse peut atteindre quelques m/s), d’autres retombent ou retomberont lentement sur la surface.

Quelle est la cause d’un tel « dégazage » ?

On s’est aperçu qu’il s’est produit lorsque l’astéroïde était au plus près du Soleil, alors peut-être est-ce l’effet de réchauffement dû au Soleil ?

La partie la plus délicate : le prélèvement avec le bras TAGSAM.

L’ensemble pour le prélèvement et le retour d’échantillons sur Terre comprend deux instruments très perfectionnés.

Deux mots sur le principe de prise d’échantillons ; c’est un système du type « touch and go » ; un bras articulé de grande longueur (3,2m) TAGSAM (Touch and Go Sample Acquisition Mechanism) portant à son extrémité une gamelle ressemblant à un vieux filtre à air de voiture, permettant de projeter un jet d’azote liquide sur le pourtour afin de fluidiser le régolithe et permettre ainsi l’aspiration dans une chambre de récupération.

Ensuite cet échantillon est placé dans la capsule de retour SRC (Sample Return Capsule).

 Photo : Mission

L’approche va se faire à vitesse relative très lente : 10 cm/s et en s’adaptant exactement à la période de rotation de Bennu.

Une belle photo du bras  en salle d’essai et encore une, bras déployé.

Une fois assuré que le réceptacle est suffisamment rempli, celui-ci est transporté dans la capsule de retour sur Terre.

Ensuite il a fallu, trouver un site de prélèvement car on avait besoin d’un endroit exempt de gros rochers.

Finalement on le trouve, ce sera le site baptisé Nightingale (Rossignol).

Et c’est le 20 Octobre 2020, que la sonde Osiris-Tex s’est approchée très lentement (la descente a duré 4 heures) du lieu cible de Bennu, et après s’être synchronisée avec la rotation de l’astéroïde, a touché sa surface à 1 m du point prévu, a éjecté un souffle d’azote pour remuer le régolithe du sol et a pu ainsi recueillir grâce à un savant aspirateur un peu de cette poussière et cailloux.

Ensuite la sonde s’éloigne de la surface et repart sur son orbite.

On peut voir toute cette séquence sur ce graphique.

Évidemment, toutes ces séquences ont été effectuées en automatique à cause de la distance.

Il est très impressionnant de voir ce prélèvement en vidéo :

https://youtu.be/xj0O-fLSV7c

vidéo :

On peut voir aussi toutes les images du contact mises bout à bout sur cette vidéo mp4.

Aussi une vidéo explicative de la méthode de prélèvement.

Après étude de la tête du bras TAGSAM, il semblerait que l’on ait recueilli beaucoup plus d’échantillons que prévu, peut-être 400 g au lieu des 60 g prévus !!!

La capsule n’arrive pas à se refermer et on perd des échantillons dans l’espace.

On voit sur cette animation gif fournie par la NASA les échantillons qui remplissent la tête et que certains s’en échappent.

Le 27 Octobre 2020, la décision est prise de déplacer la tête du bras TAGSAM vers le conteneur de retour.

Cette opération a eu lieu avec succès, tout le monde respire au centre mission.

On a reçu la confirmation que la tête était bien en position « bloquée » dans le conteneur. Maintenant il ne reste plus qu’à déconnecter le bras de la tête, avant de sceller le conteneur.

Toutes ces opérations ont été imagées, et la NASA les a montées en deux petits vidéos visibles sur Twitter

D’abord le transfert de la capsule située au bout du bras vers la capsule retour :

https://twitter.com/i/status/1321917951226925056

Ensuite, après vérification de la bonne opération précédente, on referme le capot de cette capsule.

https://twitter.com/i/status/1321909550547652619

À l’occasion de cette prise d’échantillons, la NASA a mis bout à bout 189 images prises par la NavCam2 du bras Tagsam et nous donne à voir ce superbe spectacle, qui a aussi été le sujet d’un APOD. Il correspond à une période approximative de 3 heures.

https://www.youtube.com/watch?v=F6Tkb8syTK8&ab_channel=APODVideos

Signalons que comme pour Rosetta et Hayabusa, la « mise en orbite » autour de si petits corps qui n’ont pour ainsi dire pas de gravité est un exploit de mécanique astronautique afin de « voler » autour !

Départ de Bennu en Mars 2021, arrivée sur Terre, le 24 septembre 2023.

LA MISSION MMX DE LA JAXA.

La mission MMX, acronyme de Martian Moons Exploration, est une mission consacrée à Phobos et à Mars.

Elle a pour but de ramener sur Terre un échantillon du sol de Phobos, un des deux satellites martiens, sur lequel on se pose d’ailleurs beaucoup de questions.

Voici le profil de la mission envisagée par nos amis Japonais.

Illustration : JAXA.

Lancement prévu en sept 2024.

La sonde comprend 3 modules que l’on voit sur cette illustration de la JAXA.

7 instruments principaux et un rover de surface fourni par le CNES et la DLR s’inspirant de Mascot.

Pourquoi s’intéresser à Phobos ?

En fait on en sait très peu sur ce micro-satellite de Mars :

·         Est-il capturé ? ou

·         Le résultat d’un impact ?

Les échantillons recueillis devraient lever le doute.

On sait que sa densité est faible, 1,87 et qu’il est poreux.

Les Japonais ont prévu tout un système complexe d’opérations au sol associé à une étude de l’atmosphère Mars.

Le retour étant prévu pour 2028.

C’est une mission très ambitieuse, on leur souhaite un succès aussi important que pour Hayabusa-2. On en reparlera.

Merci Antonella pour cette brillante présentation.

CONCLUSION

Les astéroïdes font partie des objets les plus primitifs de notre Système Solaire, c’est la raison pour laquelle il faut les étudier.

Certains peuvent nous menacer et de nouvelles techniques doivent être mises au point pour les dévier d’une possible rencontre avec notre planète.

Il faut donc favoriser toues les missions d’études de ces objets.

POUR ALLER PLUS LOIN :

Solar System evolution from compositional mapping of the asteroid belt

Return of Sample Recovery Capsule aboard Asteroid Explorer "HAYABUSA"

Hayabusa-2 : les analyses des échantillons ont commencé

NASA Releases Incredible Video of OSIRIS-REx Tagging Asteroid – Mysterious Dark Patches Puzzle Team

L'astéroïde sur lequel la NASA vient d'atterrir serait creux, avec un grand 'vide' en son centre

Le site de la mission MMX.

Japan to Visit Martian Moon Phobos and Return Sample

Le CNES se prépare à rouler sur Phobos !

Tout sur la mission Osiris Rex sur votre site préféré.

Tout sur la mission Hayabusa sur votre site préféré.

Bon ciel à tous

Prochaine conférence SAF : le mercredi 10 Mars 2021  19H00   en visio canal YouTube SAF

David ELBAZ du CEA/DAPNIA

Le mystère Van den Bergh ou le secret de la fécondité des galaxies.

Annonce de la conférence.

Ceux qui ne se seront pas inscrits, peuvent toujours voir la conférence en direct sur le canal YouTube de la SAF.

Jean Pierre Martin 

www.planetastronomy.com

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