Le Japon lance MMX pour rapporter en 2031 des échantillons de Phobos et peut-être des traces de Mars

Un voyage de cinq ans pour rapporter au moins 10 grammes d’un autre monde

La sonde japonaise Martian Moons eXploration a été lancée en direction de Mars avec un objectif modeste mais ambitieux : rapporter sur Terre, en 2031, au moins 10 grammes de matière prélevée sur Phobos, l’une de ses lunes. Parmi ces grains pourraient se trouver des fragments de Mars elle-même, donnant aux scientifiques accès à des matériaux provenant d’une planète dont les programmes de retour d’échantillons ont buté sur des difficultés de coût et d’ingénierie.

La mission, appelée MMX, a décollé à bord d’une fusée H3 depuis le centre spatial de Tanegashima à 4 h 41, heure normale du Japon, le 20 octobre, soit le 19 octobre dans l’est des États-Unis. La sonde s’est séparée de la fusée environ 71 minutes plus tard, a établi les communications et déployé ses panneaux solaires.

Yasuhiro Kawakatsu, chef de projet de MMX à l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale (JAXA), a décrit l’état de la sonde après sa séparation :

Jusqu’ici, tout va bien.

La présentation de la mission MMX de la JAXA décrit un voyage comprenant l’observation des deux lunes de Mars, l’envoi d’un rover en éclaireur, des prélèvements sur Phobos et la récupération d’une capsule de retour en Australie. L’objectif de l’agence est de rapporter au moins 10 grammes au total, et non une quantité garantie à chaque atterrissage.

MMX s’appuie sur l’expérience des missions Hayabusa japonaises, qui ont rapporté des échantillons des astéroïdes Itokawa et Ryugu en 2010 et 2020. Sa destination apporte une nouvelle difficulté : opérer près d’une petite lune alors que Mars, bien plus imposante, exerce en permanence son attraction sur la sonde.

Hiroshi Yamakawa, président de la JAXA, a confirmé la réussite du lancement et décrit le début de la mission :

Un long voyage de cinq ans vient de commencer.

Que se passera-t-il entre le lancement et l’atterrissage en Australie ?

MMX devrait atteindre Mars en août suivant, puis passer environ trois ans à étudier la planète et ses lunes. Le voyage de retour devrait durer environ un an de plus.

La page du projet MMX de la JAXA présente le calendrier général selon les exercices budgétaires japonais : lancement durant l’exercice 2026, arrivée en orbite martienne durant l’exercice 2027 et retour durant l’exercice 2031. L’exercice budgétaire japonais commence en avril, tandis que l’itinéraire public plus détaillé de la mission prévoit un retour sur Terre en année civile 2031.

• 20 octobre 2026, heure du Japon : MMX décolle de Tanegashima à bord d’une fusée H3.
• Août 2027 : la sonde devrait arriver sur Mars et commencer sa campagne d’observation.
• Fin 2028 ou début 2029 : les projections opérationnelles prévoient le déploiement du rover Idefix à cette période, suivi d’éventuels atterrissages de la sonde en 2029. Le calendrier public de la mission de la JAXA regroupe les observations détaillées et les activités de prélèvement sous l’année 2030.
• 2030 : MMX devrait quitter Mars ; les informations diffusées autour du lancement indiquent que le départ est prévu en novembre.
• 2031 : une capsule contenant les échantillons devrait atterrir en Australie, avant que les matériaux ne soient transportés au Japon.

Déimos, la plus petite des lunes de Mars, fait également partie du programme d’observation. MMX prévoit de l’étudier à distance et lors de survols. Le plan détaillé de prélèvement vise Phobos ; Déimos sera étudiée par les observations de la sonde.

Pourquoi est-il si difficile d’expliquer l’origine de ces lunes ?

Phobos mesure environ 22 kilomètres de diamètre et orbite à quelque 6 000 kilomètres au-dessus de la surface martienne, effectuant environ trois révolutions par jour. Déimos est plus petite, avec un diamètre d’environ 12 kilomètres. Ni l’une ni l’autre ne ressemble à la grande Lune sphérique de la Terre.

Deux grandes hypothèses s’affrontent pour expliquer leur présence. Selon l’hypothèse de la capture, elles seraient à l’origine des astéroïdes que Mars a retenus par son attraction gravitationnelle. Selon l’hypothèse du grand impact, une collision aurait projeté de la matière martienne dans l’espace, où une partie se serait agrégée pour former des lunes.

Leurs surfaces sombres ressemblent à celles de certains astéroïdes primitifs, ce qui plaide en faveur de la capture. Leurs orbites presque circulaires autour de l’équateur martien sont davantage compatibles avec une formation à partir d’un anneau de débris issus d’une collision. La gravité relativement faible de Mars rend également difficile la capture d’un astéroïde intact de passage.

Tom Statler, scientifique en chef de la NASA chargé des petits corps du système solaire, a expliqué comment MMX permettra de tester ces hypothèses :

En nous rendant auprès des lunes de Mars, en les étudiant de près et en rapportant des échantillons sur Terre, nous pourrons déterminer si la composition de la matière de Phobos correspond davantage à celle d’un astéroïde ou à des débris issus d’une collision impliquant Mars.

Que pourraient révéler les grains sur l’eau et l’histoire des planètes ?

Des analyses en laboratoire pourraient permettre de distinguer les matériaux chauffés lors d’une collision gigantesque de ceux préservés à l’intérieur d’un astéroïde ancien. Un impact géant pourrait laisser des roches vitreuses, des minéraux transformés par une pression extrême et des indices de la perte de substances facilement vaporisées, dont l’eau.

Une origine astéroïdale pourrait plutôt produire des matériaux riches en carbone, des argiles et des composés organiques. Les composés organiques sont des substances chimiques contenant du carbone, parmi lesquelles figurent de nombreuses molécules présentes dans les systèmes vivants. Les scientifiques étudieront leur composition et leur histoire ainsi que celles des minéraux environnants.

La composition isotopique de l’eau pourrait fournir un autre indice. L’hydrogène ordinaire et sa forme plus lourde, le deutérium, se trouvent dans des proportions différentes selon les régions du système solaire. Mesurer leur rapport dans les matériaux rapportés pourrait aider les chercheurs à déterminer où ils se sont formés et à étudier comment l’eau est arrivée sur les planètes rocheuses.

Les scientifiques testent également des variantes des deux principales théories sur l’origine des lunes. Jacob Kegerreis, planétologue à l’Imperial College de Londres, a simulé le démantèlement d’un astéroïde sous l’effet de la gravité de Mars, qui produirait un disque de débris susceptible de former des lunes. Matija Cuk, chercheur au SETI Institute, a étudié des cycles répétés au cours desquels une lune se désagrège puis se reforme sous la forme d’un objet plus petit.

L’âge des minéraux et les effets de leur exposition à l’espace pourraient aider à tester ces scénarios. Les chercheurs espèrent également préciser la chronologie des impacts autour de Mars. La datation des grains rapportés pourrait leur fournir une référence plus solide que la méthode actuellement utilisée, qui adapte une chronologie établie à partir de la Lune terrestre.

Phobos a peut-être recueilli des fragments de Mars

Les impacts d’astéroïdes sur Mars peuvent projeter des roches et de la poussière dans l’espace. Comme Phobos orbite à proximité, une partie de ces débris a pu se déposer à sa surface. MMX pourrait donc recueillir un mélange de matériaux lunaires et de grains provenant de Mars.

Kiyoshi Kuramoto, planétologue à l’université d’Hokkaido et responsable de l’équipe scientifique internationale de la mission, estime que les matériaux martiens pourraient représenter environ 1 % d’un échantillon. Dans cette proportion, une collecte de 10 grammes contiendrait environ 0,1 gramme, soit 100 milligrammes, de matière martienne. La proportion réelle ne sera connue qu’après l’identification et l’analyse des grains rapportés.

Certains fragments pourraient provenir de roches anciennes formées lorsque Mars était plus chaude et plus humide. D’autres auraient été arrachés à des couches plus profondes de la croûte par des impacts ultérieurs. Les chercheurs pourraient rattacher certains matériaux plus récents à des cratères martiens relativement jeunes.

L’identification de ces grains sera difficile. Ils pourraient être extrêmement petits, leur emplacement d’origine pourrait être incertain et l’exposition aux radiations sur Phobos, dépourvue d’atmosphère, les aura transformés. Les scientifiques devront reconstituer leur histoire à partir de leur composition chimique, de leur structure minérale et de leur âge.

Un rover envoyé en premier dans une gravité exceptionnellement faible

Idefix, un rover fourni par les agences spatiales française et allemande, doit explorer Phobos avant que la sonde principale ne tente d’y atterrir. Le rover pèse environ 25 kilogrammes et pourrait fonctionner pendant près de 100 jours.

MMX le larguera à moins de 100 mètres de la surface. La gravité à la surface de Phobos est inférieure au millième de celle de la Terre ; le rover descendra donc en douceur. L’atterrissage reste délicat, car le robot pourrait rebondir ou basculer, et sa conduite exige un contrôle précis pour maintenir ses roues en contact avec le sol.

Idefix est équipé de caméras et d’instruments destinés à examiner les minéraux et les propriétés de la surface. Ses observations devraient aider l’équipe à déterminer si le sol est compact ou meuble, à repérer les dangers et à choisir des sites présentant un intérêt géologique.

La sonde principale mènera ses propres reconnaissances à l’aide de caméras, d’un lidar et de spectromètres, au sein d’un ensemble de 13 instruments. Le lidar mesure les distances à l’aide d’impulsions laser, ce qui permet à l’équipe de cartographier les pentes et les formes du terrain. Les spectromètres analysent la lumière ou d’autres rayonnements afin d’identifier les substances présentes.

La contribution de la NASA comprend MEGANE, un spectromètre à rayons gamma et à neutrons mis au point par des chercheurs de l’Applied Physics Laboratory de l’université Johns Hopkins et du Lawrence Livermore National Laboratory. Il mesurera les signaux produits lorsque des particules énergétiques frappent la surface, afin d’aider les scientifiques à déterminer les éléments chimiques présents sur Phobos.

Deux méthodes de prélèvement, avec peu de marge d’erreur

MMX devra s’approcher des sites d’atterrissage choisis avec une précision d’environ 10 mètres. Le relief de Phobos est accidenté, sa gravité extrêmement faible et son environnement gravitationnel fortement influencé par Mars. La sonde se déplacera autour de Mars sur une trajectoire qui la maintiendra près de Phobos, appelée orbite quasi satellite, plutôt que de se placer sur une orbite ordinaire stable autour de la lune.

La JAXA prévoit jusqu’à deux atterrissages, ce qui donnera à la mission la possibilité de recueillir des matériaux sur différents terrains. Certaines régions de Phobos paraissent rougeâtres ou bleutées à travers des filtres particuliers, ce qui pourrait refléter des différences de minéraux, d’impacts ou d’exposition à l’espace.

Un carottier atteindra environ deux centimètres sous la surface. Un second dispositif de prélèvement, fourni par la NASA, libérera de l’azote sous pression pour balayer les grains meubles et les faire entrer dans un conteneur. Ces deux méthodes donneront accès à la fois aux matériaux peu profonds du sous-sol et à la poussière de surface.

La durée prévue au sol se compte en heures. Les pieds de la sonde devront amortir le contact suffisamment doucement pour éviter qu’elle ne bascule ou ne rebondisse dans l’espace. Les ingénieurs devront aussi composer avec un délai de communication qui, selon la JAXA, peut atteindre 44 minutes pour un aller-retour du signal entre la Terre et la sonde.

Les équipes au sol ne pourront donc pas réagir instantanément pendant la descente. La sonde aura besoin de systèmes embarqués de navigation et de contrôle pour suivre l’approche prévue et gérer les changements rapides.

Jusqu’où peut-on aller dans la recherche de traces de vie ancienne ?

Les scientifiques espèrent que d’éventuels grains martiens révéleront des conditions dans lesquelles la vie aurait pu exister. Des minéraux associés à l’eau et une chimie organique préservée pourraient aider à reconstituer les environnements de la planète dans le passé.

Kuramoto, responsable de l’équipe scientifique de la mission, a évoqué cette possibilité plus ambitieuse :

Je pense qu’il est possible que cet échantillon de sable contienne des traces chimiques d’une activité biologique.

Les recherches sur la survie lors des impacts permettent de comprendre pourquoi les scientifiques envisagent cette possibilité. Lily Zhao, doctorante récemment diplômée de l’université Johns Hopkins, a soumis la bactérie résistante Deinococcus radiodurans à des chocs conçus pour reproduire certains aspects d’une collision d’astéroïde. Certaines bactéries ont survécu à des pressions jusqu’à 30 fois supérieures à celles du point le plus profond de l’océan.

Cette expérience porte sur une étape d’un voyage difficile. Tout matériel biologique qui aurait voyagé de Mars à Phobos devrait aussi résister à l’éjection, au trajet dans l’espace, à l’atterrissage et à une exposition prolongée aux radiations. Les chercheurs qui étudieront les échantillons de MMX devront examiner cette histoire tout en contrôlant soigneusement les risques de contamination terrestre.

Wataru Fujiya, cosmochimiste à l’université d’Ibaraki et responsable de l’équipe d’analyse des échantillons, prévoit que les grains seront manipulés dans des enceintes de laboratoire protégées à l’Institut des sciences spatiales et astronautiques de la JAXA, à Sagamihara. Le vide ou un gaz d’azote inerte aidera à préserver les matériaux pour leur étude.

Une autre voie que la course au retour de roches martiennes

Depuis 2021, le rover Perseverance de la NASA collecte des échantillons martiens soigneusement sélectionnés et consigne les roches et les environs d’où ils proviennent. Le projet de récupération a perdu son financement au Congrès, sur fond de hausse des coûts et de doutes quant à sa faisabilité technique, notamment pour lancer depuis la surface martienne les matériaux collectés.

MMX emprunte une autre voie en prélevant des échantillons sur une lune à la gravité bien plus faible. Les grains martiens qui s’y trouveraient donneraient aux scientifiques accès à des matériaux dont l’histoire géologique est moins certaine, tandis que les échantillons de Phobos permettraient de répondre à d’autres questions sur la formation des lunes et la circulation des matériaux dans le système solaire.

La mission chinoise Tianwen-3 devrait être lancée vers 2028 et pourrait rapporter directement des échantillons de Mars dès 2031. Les calendriers de Tianwen-3 et du retour de MMX ne permettent pas de savoir laquelle arrivera la première.

Les estimations publiées au moment du lancement évaluent le coût de MMX à 578 millions de dollars, contre une estimation de 350 millions de dollars publiée avant le lancement. Cinq agences spatiales participent à la mission, qui associe l’expérience japonaise des sondes et du retour d’échantillons aux instruments, aux technologies de rover et au soutien scientifique de partenaires internationaux.

Après sa récupération en Australie, la JAXA prévoit de trier et de répertorier les matériaux avant d’en partager des portions pour la recherche. Le Johnson Space Center de la NASA devrait recevoir 15 % de la collecte. Si MMX rapporte exactement 10 grammes, cette part pèsera 1,5 gramme.

Les précédentes missions japonaises vers des astéroïdes ont démontré que de minuscules échantillons peuvent alimenter de vastes travaux de recherche en laboratoire. MMX doit maintenant franchir les étapes opérationnelles les plus difficiles : atteindre Mars, reconnaître un terrain inconnu, atterrir sans encombre, prélever des matériaux et les rapporter sur Terre. Les tentatives soviétiques et russes d’exploration de Phobos, dont la mission Phobos-Grunt lancée en 2011, ont échoué avant d’atteindre leurs objectifs.

À retenir

• MMX a décollé de Tanegashima le 20 octobre, heure du Japon, soit le 19 octobre dans l’est des États-Unis.
• La JAXA veut rapporter sur Terre au moins 10 grammes de matériaux de Phobos en 2031.
• Le rover Idefix reconnaîtra la surface avant jusqu’à deux atterrissages de la sonde, qui utilisera un carottier et un dispositif de prélèvement par gaz.
• Les grains rapportés pourraient aider à expliquer la formation des lunes de Mars et la circulation de l’eau et des matières organiques dans le système solaire.
• Les scientifiques estiment que les débris martiens pourraient représenter environ 1 % de la collecte.
• La capsule de retour devrait atterrir en Australie ; les échantillons seront ensuite étudiés au Japon et partagés à l’échelle internationale.