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Hayabusa 2

mission spatiale japonaise

Hayabusa 2
Sonde spatiale
Description de cette image, également commentée ci-après
Vue d'artiste de la sonde Hayabusa 2.
Données générales
Organisation JAXA
Domaine Étude de l'astéroïde (162173) Ryugu
Type de mission Retour d'échantillons
Statut Phase d'observation scientifique
Lancement
Lanceur H-IIA
Identifiant COSPAR 2014-076A
Site Site officiel
Principaux jalons
Assistance gravitationnelle de la Terre
Mise en orbite autour de Ryugu
21 février 2019 Collecte premier échantillon
13 novembre 2019 Départ de Ryugu
Décembre 2020 Atterrissage de la capsule sur Terre
Caractéristiques techniques
Masse au lancement 609 kg
Propulsion Moteur ionique 4 x 10 millinewtons
Ergols Xénon
Masse ergols 60 kg (Xénon)
48 kg (Hydrazine/MON-3)
Δv 2 km/s
Contrôle d'attitude Stabilisé 3 axes
Source d'énergie Panneaux solaires
Puissance électrique 2 600 Watts (1 U.A.)
Orbite héliocentrique
Périapside 0,963 U.A.
Apoapside 1,146 U.A.
Inclinaison 5,88° (plan de l'écliptique)
Principaux instruments
ONC Caméras
LIDAR Altimètre
NIRS / TIRS Spectromètres infrarouges
MINERVA II (rovers) Thermomètre, caméras
MASCOT (atterrisseur) Caméra, magnétomètre, radiomètre, microscope

Hayabusa 2 (はやぶさ2?, litt. « Faucon pèlerin 2 ») est une mission spatiale de la JAXA, l'agence spatiale japonaise. Lancée le 3 décembre 2014, cette sonde spatiale d'un peu plus de 600 kilogrammes propusée par quatre moteurs ioniques, a rejoint l'astéroïde (162173) Ryugu avant de l'étudier entre juin 2018 à novembre 2019. Au cours de son séjour la sonde spatiale a déposé plusieurs petits engins sur le sol qui ont recueilli des données in situ grâce à plusieurs instruments embarqués. Hayabusa 2 a prélevé à deux reprises des échantillons du sol qui doivent être ramenés sur Terre dans une capsule qui doit se poser en Australie en décembre 2020.

Cette mission prend la suite d'Hayabusa lancée en 2003. Cette dernière, malgré de nombreux déboires, était parvenue à ramener une petite quantité de sol d'un astéroïde. Les principales caractéristiques techniques d'Hayabusa 2 sont identiques à celles de son prédécesseur. La sonde spatiale développée se distingue de son prédécesseur par la méthode de collecte des échantillons et l'emport d'un petit atterrisseur MASCOT fourni par les agences spatiales allemande (DLR) et française (CNES). L'astéroïde étudié est de type C c'est-à-dire susceptible de contenir des matériaux organiques.

Historique du projetModifier

En 2006, la commission japonaise des activités spatiales accepte de donner une suite à la mission de retour d'échantillons Hayabusa qui était alors en cours. Initialement, les caractéristiques d'Hayabusa 2 devaient être pratiquement identiques à celle de la première sonde spatiale, mais en juillet 2009 les responsables du projet annoncent que la nouvelle sonde utilisera une nouvelle méthode pour collecter les échantillons reposant sur l'envoi d'un impacteur. En août 2010, alors que la capsule contenant les échantillons prélevés par Hayabusa vient tout juste de réussir son retour sur Terre (fin juin 2010), l'agence spatiale japonaise obtient le feu vert du gouvernement pour lancer les développements. Le coût du projet est estimé à 16,4 milliards de yens. En janvier 2012, l'industriel NEC basé à Tokyo, qui avait déjà réalisé la première sonde spatiale, commence la construction de Hayabusa 2. Le projet rencontre des problèmes de financement et la JAXA se met à la recherche de partenaires. En juin 2013, les agences spatiales française (CNES) et allemande (DLR) annoncent qu'elles développeront ensemble le petit atterrisseur MASCOT (Mobile Asteroid surface SCOuT) qui doit être déposé par Hayabusa 2 à la surface de l'astéroïde pour analyser son sol[1].

L'astéroïde (162173) RyuguModifier

Article détaillé : (162173) Ryugu.
 
Orbite de Ryugu.

La cible de Hayabusa 2 est Ryugu, un astéroïde de type C. Contrairement à l'astéroïde Itokawa visité par la première sonde spatiale qui était de type S, les astéroïdes de type C sont susceptibles de renfermer des matériaux organiques et constituent donc une cible de choix. Ryugu circule sur une orbite semblable à celle de Itokawa et s'approche parfois relativement près de l'orbite terrestre. L'astéroïde est de forme à peu près sphérique avec un diamètre d'environ 875 mètres (à 15 mètres près). Sa période de rotation est de 7,63 heures. Son albédo de 0,047 est faible[2],[3].

Hayabusa 2 fait atterrir son module MASCOT avec succès sur Ryugu le 3 octobre 2018[4]

Objectifs scientifiquesModifier

Hayabusa 2, après s'être placée en orbite autour de l'astéroïde, doit étudier à distance les caractéristiques de celle-ci, puis envoyer un atterrisseur chargé d'effectuer des analyses in situ avant d'effectuer un prélèvement d'échantillon qui doit être ramené sur Terre.

La mission Hayabusa 2 a deux objectifs scientifiques :

  • l'étude de l'astéroïde à l'échelle macroscopique pour toutes les caractéristiques qui peuvent être mesurées à distance par les instruments de la sonde spatiale : caméras multispectrales, spectromètre proche infra-rouge, imageur thermique infra-rouge, altimètre laser ;
  • l'étude de l'astéroïde à l'échelle microscopique à partir des échantillons rapportés sur Terre.

Le petit atterrisseur MASCOT doit permettre d'effectuer une analyse minéralogique in situ du sol de l'astéroïde pour mettre en évidence d'éventuels minéraux hydratés et carbonés. Il doit également fournir le contexte scientifique aux observations effectuées à distance.

Caractéristiques techniques de la sonde spatialeModifier

Hayabusa 2 a des caractéristiques très proches de celles de la sonde Hayabusa qui l'a précédée. Les différences portent principalement sur l'ajout d'une deuxième antenne grand gain, la modification des moteurs ioniques, l'emport du petit atterrisseur MASCOT développé par l'agence spatiale allemande DLR, le système de collecte d'échantillon qui utilise un impacteur, une roue à réaction supplémentaire pour ajouter une redondance qui avait manqué à la première mission, l'ajout d'un mode de communications en bande Ka plus performant et des modifications apportées aux moteurs ioniques pour les rendre plus fiables et accroître leur poussée de 25 %. La masse totale passe de 510 kg à 600 kg dont 100 kg d'ergols et les dimensions du corps de la sonde spatiale de 1,0 m × 1,6 m × 1,1 m à 1,0 m × 1,6 m × 1,25 m[5],[6].

Énergie électrique et contrôle thermiqueModifier

Hayabusa 2 est alimentée en énergie par des panneaux solaires fixes déployés en orbite (envergure 6 mètres) fournissant 2,6 kW à 1 Unité Astronomique (U.A.) du Soleil et 1,4 kW à 1,4 U.A. du Soleil (ce qui correspond à la distance la plus lointaine du Soleil atteinte par la sonde spatiale c'est-à-dire l'apogée de l'orbite de l'astéroïde). L'énergie est stockée dans une batterie lithium-ion de 13,2 A-h. Le contrôle thermique est à la fois passif (revêtements isolants multi-couches) et actifs (circuit caloporteur évacuant la chaleur vers des radiateurs situés sur la face à l'ombre de la sonde spatiale). Des résistances sont utilisées pour maintenir à une température minimales les équipements et instruments qui en ont besoin.

PropulsionModifier

Le système propulsif de Hayabusa 2 est à la fois chimique et électrique. La propulsion principale utilise 4 moteurs ioniques ayant une poussée unitaire de 10 millinewtons et utilisant du xénon avec une impulsion spécifique de 2 080 s fournissant un delta-V total de 2 km/s. Trois moteurs peuvent fonctionner simultanément, le quatrième servant de rechange. Les moteurs ioniques accélèrent du xénon contenu dans un réservoir d'une contenance de 51 litres et pouvant contenir 73 kilogrammes de ce gaz. Hayabusa 2 emportant 60 kg de xénon ce qui lui permet de modifier sa vitesse de 2 km/s. Les quatre moteurs sont fixés sur la même face de la sonde spatiale orientables de +/-5 degrés. L'ensemble a une masse de 70 kilogrammes et doit pouvoir fonctionner pendant 18 000 heures au cours de la mission. Les petites corrections de trajectoire et les manœuvres à proximité de la Terre et de l'astéroïde sont effectuées à l'aide de 12 petits propulseurs chimiques brûlant un mélange hypergolique d'hydrazine et de MON-3 et ayant une poussée de 20 newtons répartis en deux sous-ensembles redondants. Ces propulseurs peuvent fonctionner sous la forme d'impulsions brèves pour corriger l'orientation ou des poussées plus longues pour corriger la trajectoire ou désaturer les roues de réaction. Hayabusa 2 emporte 48 kg d'ergols chimiques[6].

Contrôle d'attitude et télécommunicationsModifier

Le contrôle d'attitude est réalisé à l'aide de 4 roues de réaction, 2 viseurs d'étoiles, 2 centrales à inertie, 4 accéléromètres et 4 senseurs solaires. Les viseurs d'étoiles qui constituent les capteurs primaires utilisent des caméras dont le champ de vue est de 8x8 °. Les télécommunications sont assurées via deux antennes paraboliques fixes à grand gain (une en bande X et l'autre en bande Ka) et une antenne moyen gain[7],[8],[6].

 
Position des instruments et équipements : 1 Atterrisseur MASCOT - 2 Caméra ONC-W2 -3 Caméra ONC-W1 -4 Caméra ONC-T -5 Caméra CAM-H -6 Imageur infrarouge thermique TIR -7 Impacteur SCI -8 Marqueurs (x 5)-9 Cône d'échantillonnage -10 MINERVA II-2 -11 Altimètre laser -12 MINERVA II-1 -13 Capsule contenant les échantillons de sol -14 Spectromètre proche infrarouge NIRS3 -15 Panneaux solaires -16 Antenne grand gain -17 Viseurs d'étoiles (x2) -18 Caméra DCAM-3.

Charge utileModifier

La charge utile de Hayabusa 2 comprend le système de collecte d'échantillon, trois instruments (caméra, caméra infrarouge thermique, spectromètre proche infrarouge), trois petits rovers MINERVA de 1,5 kg analogues à ceux emmenés par Hayabusa et un atterrisseur franco-allemand MASCOT de 10 kg. Ce dernier constitue une nouveauté par rapport à la première mission Hayabusa.

Instrumentation scientifiqueModifier

 
Mascot est fixé à la sonde spatiale.

La charge utile est composée essentiellement d'instruments déjà embarqués à bord de la première sonde spatiale Hayabusa mais également de nouveaux instruments [7],[6] :

  • la sonde spatiale dispose de trois caméras ONC (Optical Navigation Cameras). Les trois caméras disposent chacune d'un détecteur de 1024x1024 pixels collectant la lumière dans une bande spectrale comprise entre 350 et 1060 nanomètres (lumière visible et proche infrarouge). Les deux caméras grand angle ONC-W1 et ONC-W2 ont un champ de vue de 54 x 54° permettant une résolution spatiale de 7 mètres à une distance de 7 kilomètres. La caméra à champ étroit dispose d'un champ optique de 5,8 x 5,7° et sa résolution spatiale est de l'ordre du mètre. ONC-T peut utiliser 7 filtres qui permettent de sélectionner des bandes spectrales étroites (10 à 15 nanomètres) centrées sur les longueurs d'onde 390, 480, 550, 590, 700, 860 et 950 nanomètres. Ces caméras sont utilisées pour la navigation de la sonde spatiale au cours du transit entre la Terre et l'astéroïde, puis une fois cette phase achevée pour la recherche de sites adéquats pour le prélèvement d'échantillons. Les caméras jouent également un rôle crucial dans le guidage de la sonde spatiale pour l'opération de prélèvement d'échantillons en prenant des images entre les altitudes 50 et 5 mètres.
  • le spectromètre proche infrarouge NIRS3 (Near IR Spectrometer) observant dans les longueurs d'onde 1,7 - 3,4 microns. La lumière pénètre dans l'instrument par une fente de 70 x 70 microns. Le détecteur comporte 128 bits ce qui permet une résolution spectrale de 18 nanomètres. Lorsque la sonde spatiale se trouve à une altitude de 20 kilomètres, la résolution spatiale est de 35 mètres. L'instrument d'une masse de 2 kilogrammes est utilisé pour identifier les minéraux hydratés présents à la surface de l'astéroïde, mettre en évidence les terrains les plus jeunes et étudier les éjectas créés par SCI. L'instrument permet de mesurer la proportion de minéraux hydratés avec une précision de 1 % ;
  • l'imageur thermique infrarouge TIR (Thermal IR Imager) est une caméra observant dans les longueurs d'onde 7 à 14 microns (infrarouge thermique). C'est un instrument mis au point pour la sonde japonaise Akatsuki qui s'est placée en orbite autour de la planète Vénus. Le champ optique est de 12 x 16° et la masse est de 3,3 kg. Le détecteur est un ensemble de bolomètres non refroidis qui restitue une image comportant 320 x 240 pixels. Cet instrument est utilisé pour mesurer les caractéristiques physiques de la surface en mesurant les variations des températures.
  • l'altimètre laser LIDAR permettant de mesurer les distances de 50 m à 50 km. Cet instrument d'une masse de 3,7 kilogrammes utilise une source laser infrarouge (1064 nm) dont la lumière réfléchie par le sol est recueillie par un télescope Cassegrain. Le lidar permet depuis une altitude de 25 km de déterminer la distance avec une précision de ±2 mètres et ±1m à partir de 50m d'altitude[9]. L'instrument peut fonctionner dès que la distance est inférieures à 50 kilomètres. L'instrument sera utilisé à des fins de navigation en plaçant la sonde spatiale à une altitude suffisante de la surface et pour déterminer la topographie de l'astéroïde.

Système de collecte d'échantillonsModifier

 
Le système de collecte d'échantillons (en vert).

Le système de collecte d'échantillons du sol de l'astéroïde a été fortement revu pour pallier les problèmes rencontrés par l'équipement utilisé par Hayabusa 1 en 2005[6] :

  • le petit impacteur SCI (Small Carry-on Impactor) de 18 kg est nouveau. Il comprend une charge d'explosifs qui doit accélérer une masse de 2 kg à 2 km/s. Cette dernière, en frappant le sol de la comète, doit créer un cratère de 2 mètres de diamètre et soulever des parties du sol qui sont alors recueillies.
  • la caméra DCAM3 (Deployable Camera) est dérivée d'un instrument emporté par la sonde spatiale IKAROS. Cet instrument de forme cylindrique d'un diamètre de 6 centimètres pour une longueur de 4 centimètres est largué par la sonde spatiale avant l'impact. Disposant d'une autonomie de plusieurs heures et stabilisée par rotation (60 à 120° par seconde), la caméra doit filmer l'impact. Son champ de vue est de 74 x 74° et elle utilise un détecteur de 1092x1092 pixels. À une distance de 1 kilomètre du sol elle fournit des images ayant une résolution spatiale de 65 centimètres. L’événement est photographié au rythme d'une image par seconde. Les images sont transmises à la sonde spatiale par radio avec un débit de 4 mégabits par seconde. Le volume total de donnés devrait représenter environ 1 gigabit.
  • le système de collecte en forme de cornet a été amélioré sur plusieurs points : joint d'étanchéité, 3 chambres de stockage au lieu de 2.

Les rovers MINERVA-IIModifier

Hayabusa 2 embarque trois petits rovers MINERVA-II (acronyme MIcro Nano Experimental Robot Vehicle for Asteroid de deuxième génération) - Rover-1A, Rover-1B, Minerva-II2[10] - aux caractéristiques proches de celui déposé par la première sonde spatiale Hayabusa. Il s'agit d'engins de 1,5 kg à 2,5 kg ayant la forme de cylindre à 6 faces haut de 7 centimètres et de 17 cm de diamètre. Leur charge utile est constituée de 3 à 4 caméras, de thermomètres et de photodiodes. L'énergie est fournie par des cellules solaires produisant au maximum 2 Watts. Chacun dispose d'un petit ordinateur embarqué utilisant un microprocesseur RISC et transmet les données avec un débit maximal de 32 kilobits par seconde. Les rovers Minerva ont une capacité limitée de déplacement grâce à deux petits moteurs qui créent un moment dont l'axe de rotation peut être orienté. Ce moment dans la faible gravité de l'astéroïde est suffisant pour permettre au rover Minerva de décoller et de se déplacer sur d'assez grandes distances en suivant une trajectoire parabolique[6].

Rover-1A et Rover-1B sont largués sur Ryugu le 21 septembre 2018 et prennent les premières photos depuis la surface de l'astéroïde[11].

L'atterrisseur MASCOTModifier

 
Schéma de la caméra MASCAM en action sur l'atterrisseur MASCOT.

L'atterrisseur MASCOT (Mobile Asteroid Surface SCOuT)[12],[13],[14], développé par l'agence spatiale allemande DLR avec une participation de l'agence spatiale française du CNES, dérive en partie des travaux réalisés sur l'atterrisseur Philae de la sonde européenne Rosetta et des études menées dans le cadre de la proposition de mission MarcoPolo-R. Il doit mener des études scientifiques in situ à la surface de l'astéroïde. Il s'agit d'un engin de 10 kg dont 3 kg de charge utile. Ses dimensions extérieures sont de 0,3 × 0,3 × 0,2 m. La structure est réalisée en fibre de carbone composite. La protection thermique est réalisée de manière passive grâce à un boitier en aluminium contenant les cartes électroniques et un revêtement thermique multicouches MLI. Il est doté d'une source d'énergie non renouvelable (batteries lithium-chlorure de thionyle de 220 Wh produits par Saft) qui lui ont donné une durée de vie de 16 heures contre 12 heures escomptés[15] et lui permet d'effectuer trois déplacements. MASCOT utilise une masse excentrée située au bout d'un bras qui, en pivotant, fournit un moment suffisant pour déplacer l'atterrisseur. Ce système est également utilisé à l'atterrissage pour retourner si nécessaire l'engin afin de permettre à ses instruments de fonctionner de manière nominale. L'atterrisseur dispose d'un ordinateur embarqué qui permet à MASCOT de fonctionner de manière autonome et communique avec son vaisseau mère par le biais de deux antennes omnidirectionnelles situées sur deux faces opposées. Des capteurs, constitués de détecteurs thermiques et de cellules solaires, sont chargés de détecter l’atterrissage, l'orientation et les mouvements à la surface de l'astéroïde[16],[6].

L'atterrisseur comprend 3 kg de charge utile constituée[6] :

L'atterrisseur se pose avec succès sur l'astéroïde (162173) Ryugu le 3 octobre 2018[4].

Déroulement de la missionModifier

 
Lancement d'Hayabusa II.
 
La sonde spatiale en transit entre la Terre et Ryugu fait fonctionner trois de ses quatre moteurs ioniques (vue d'artiste).

Lancement et transit jusqu'à l'astéroïde (décembre 2014 - juin 2018)Modifier

Hayabusa 2 décolle depuis la base de lancement de Tanegashima le 3 décembre 2014 à 4h22 UTC à bord d'un lanceur H-IIA. La fusée emporte également trois autres petits engins spatiaux placés comme Hayabusa 2 sur une orbite héliocentrique : PROCYON, une micro-sonde spatiale expérimentale de 59 kg qui doit effectuer au moins un survol de l'astéroïde 2000 DP107, Shi'nen 2 un nano satellite expérimental de 15 kg et DESPATCH (Deep Space Amateur Troubadour’s Challenge), œuvre artistique de 20 kg[17],[18]. À compter de mars 2015, la sonde spatiale utilise sa propulsion ionique pour ajuster sa trajectoire avant son survol de la Terre. Trois des quatre moteurs ioniques fonctionnent pendant 409 heures en exerçant une poussée unitaire de 25 millinewtons. Deux autres corrections de trajectoire sont réalisées en juin 2015 (102 heures) et début septembre 2015 (12 heures)[19],[18]. Le 3 décembre 2015, la sonde spatiale survole la Terre à une altitude de 3 090 km, ce qui lui permet grâce à l'assistance gravitationnelle de celle-ci, de gagner 1,6 km/s[20],[21].

À la suite du survol de la Terre, Hayabusa 2 effectue plusieurs corrections de sa trajectoire pour rejoindre Ryugu qui circule sur une orbite de 0,96 x 1,42 Unités Astronomiques. Entre mars et mai 2016 sa propulsion ionique fonctionne pendant 794 heures pour modifier sa vitesse de 127 m/s. Un petit ajustement de la vitesse de 40 cm/s est effectué peu après. Pendant cette période, le système de télécommunications est testé pour s'assurer de son bon fonctionnement à grande distance. Entre novembre 2016 et mai 2017, une deuxième correction de trajectoire est effectuée : trois des quatre moteurs ioniques sont utilisés pendant 2 558 heures pour modifier la vitesse de la sonde spatiale de 435 m/s. Le 10 janvier 2018, la sonde spatiale met en marche ses moteurs ioniques qu'elle va désormais solliciter de manière permanente jusqu'à l'approche finale de l'astéroïde prévue en juin 2018. D'ici là, ses moteurs vont fonctionner pendant 2 700 heures en modifiant sa vitesse de 400 m/s. Le 26 février 2018, la caméra de navigation ONC-T est pointée vers l'objectif encore distant de 1,3 million de kilomètres et prend 300 photos dont un échantillon est transmis à la Terre. L'astéroïde Ryugu, visible comme un astre de magnitude optique 9, est identifié sur celles-ci[22].

Étude de l'astéroïde (juin - aout 2019)Modifier

La sonde spatiale arrive à 20 km de l'astéroïde Ryugu le 27 juin 2018. Hayabusa 2 entame la phase scientifique de la mission qui doit durer un an et demi. Durant les deux premiers mois la sonde spatiale va étudier à distance Ryugu pour disposer d'informations plus détaillées sur ses caractéristiques physiques et identifier les sites d'atterrissage potentiel. Au cours de cette phase de reconnaissance la sonde spatiale fait des allers retours en revenant à chaque fois à sa position à 20 kilomètres de l'astéroïde. Elle se déporte latéralement de 10 kilomètres dans toutes les directions puis verticalement en s'approchant à 5 kilomètres à une vitesse de quelques dizaines de centimètres par seconde en réalisant à chaque déplacement des photos. Le niveau de détail à cette distance permet de distinguer les rochers de plus de 1 mètre de diamètre et ainsi de commencer à identifier les sites d'atterrissage potentiel[23],[24]. Le 6 aout il s'approche pour la première fois à 851 mètres de distance[25]. Le 24 aout l'équipe récapitule les informations collectées après les deux mois. Les caractéristiques sont souvent éloignées de ce qui était prévu. Bien que l'astéroïde soit rocheux (densité 3) sa densité n'est que de 1,2 ce qui dénote une forte porosité. La surface est particulière sombre (albédo de 0,02). La forme quasi sphérique étonne car on ne l'attendait pas compte de sa vitesse de rotation particulièrement lente. Enfin la surface est couverte de roches dont la plus grosse de 140 mètres de diamètre est située près du pôle sud. Cette densité de roches bouleverse les plans de la mission car elle rend les tentatives de prélèvement d'échantillon hasardeuses[26].

 
Hayabusa II survole l'astéroïde Ryugu (vue d'artiste).
 
Hayabusa II avec son système de prélèvement déployé.

Sélection des sites d'atterrissage (aout 2018)Modifier

La phase d'étude a permis à l'équipe japonaise recueillir les données permettant de sélectionner les sites d'atterrissage de la sonde spatiale (pour le premier prélèvement d'échantillon du sol de l'astéroïde), des quatre petits rovers MINERVA-II et de l'atterrisseur germano-français MASCOT. Le site de prélèvement de sol doit répondre à un certain nombre de contraintes : il ne doit pas se situer à plus de 200 mètres de l'équateur pour permettre au contrôle au sol de suivre les opérations, l'inclinaison du sol par rapport à la direction du Soleil ne doit pas être de plus de 30° pour que les panneaux solaires soient éclairés suffisamment[Note 1], le nombre de roches de plus de 50 centimètres de haut doit être réduit (longueur du système de prélèvement) et la température doit être inférieure à 97°C pour être compatible avec la température de fonctionnement des équipements d'Hayabusa 2. Le site L08 sélectionné pour le prélèvement est très proche de l'équateur tout comme les sites de secours L07 et M04. Le site de dépose des quatre rovers MINERVA-II, baptisé N6, est une large ellipse située entre les latitudes nord 30 et 60%[26],[27]. Le CNES et la DLR ont déterminé le lieu d'atterrissage principal de MASCOT parmi 10 sites pré-sélectionnés. « MA-9 » est également situé très près de l'équateur dans l'hémisphère sud de l’astéroïde[28],[29],[30],[31].

Recueil des échantillons du sol (septembre 2018 - novembre 2019)Modifier

Première répétition du prélèvement d'échantillon de solModifier

Avant d'effectuer le premier prélèvement d'échantillon du sol de l'astéroïde, l'équipe japonaise d'Hayabusa 2 a prévu d'effectuer deux répétitions pour mettre au point l'enchainement des opérations. Ces opérations sont entièrement automatiques car les signaux d'Hayabusa II mettent 17,4 minutes à parvenir jusqu'à la Terre ce qui interdit toute intervention des contrôleurs au sol. La première répétition débute le 11 septembre et doit amener la sonde spatiale à moins de 60 mètres de la surface mais elle est interrompue alors que Hayabusa 2 se situe encore à 600 mètres de distance. L'altimètre laser LIDAR chargé de mesurer la distance ne parvient plus à détecter les réflexions du laser sur la surface très sombre de l'astéroïde[32].

Dépose des mini rovers Minerva-II1 sur le sol de Ryugu (22 septembre)Modifier

Le 22 septembre, Hayabusa 2 s'approche à 60 mètres de la surface de l'astéroïde et largue les deux mini-rovers baptisés collectivement Minerva-II1 avant de s'écarter de Ryugu. Tous les deux tombent alors en chute libre à très faible vitesse (la gravité est très faible) et se posent à la surface de Ryugu . Il s'agit des premiers engins mobiles déposés sur un astéroïde. Les rovers et la sonde spatiale transmettent des photos spectaculaires de Ryugu[33],[34],[35].

Dépose de MASCOT (3 octobre)Modifier

 
Déroulement du largage de MASCOT sur le sol de Ryugu.
 
En vert le mécanisme permettant à MASCOT de rouler sur le sol de Ryugu.

Le 2 octobre, Hayabusa 2 commence à se rapprocher de la surface de Ryugu pour déposer le petit (30x30x10 cm, masse de 10 kg) atterrisseur franco-allemand MASCOT (Mobile Asteroid Surface Scout). Arrivé à 200 mètres de la surface, les contrôleurs au sol envoient la commande de largage de MASCOT qui se déclenche alors que la sonde spatiale n'est plus qu'à 51 mètres du sol. MASCOT se sépare de Hayabusa 2 sous la poussée d'un ressort puis commence à tomber en chute libre vers la surface de Ryugu (il est dépourvu de propulsion). Durant sa chute, qui est photographiée par Hayabusa 2, l'atterrisseur effectue 20 prises de vue qui sont immédiatement transmises au vaisseau mère. La sonde spatiale a repris de l'altitude et se trouve désormais à 3 kilomètres de distance de l'astéroïde en position pour recevoir les données transmises par l'atterrisseur. MASCOT a une durée de vie limitée à 17 heures car il ne dispose que de batteries. Arrivé au sol 20 minutes après la séparation, MASCOT va enchainer les opérations en partie de manière semi-autonome car la distance de la Terre (35 minutes pour une communication aller-retour) rend difficile les interventions du contrôle au sol. Dans un premier temps MASCOT a des difficultés pour s'orienter car la surface est beaucoup plus sombre que ce qui était prévue. Le contrôle au sol envoie une commande qui permet à l'atterrisseur de se réorienter grâce à la modification de la position d'une masse fixée au bout d'un bras. Dans sa nouvelle position, l'engin parvient à effectuer une séquence d'observations scientifiques complète au cours d'une journée (=7,6 heures terrestres). MASCOT effectue alors un déplacement de quelques mètres qui lui donne un aperçu légèrement différent du terrain environnant et permet au microscope infrarouge hyperspectral MicrOmega de fonctionner. Un troisième déplacement est commandé et les instruments de MASCOT parviennent à recueillir de nouvelles données qui sont transmises avec succès à Hayabusa 2. MASCOT envoie un dernier signal 17 heures après son largage. Ses batteries ont fonctionné environ une heure de plus que prévu [36]. Les photos prises montrent un sol très accidenté et, contrairement à ce qui était prévu, une absence total de régolithe, cette poussière fine produite par les impacts répétés de roches sur la surface des corps célestes. Plusieurs hypothèses sont émises pour expliquer son absence : éjection du fait du rapport en la vitesse d'impact et la faible gravité de Ryugu, éjection ou enfouissement du fait des vibrations[37].

Prélèvement d'un premier échantillon du sol (février 2019)Modifier

Au cours de l'automne 2018 l'agence spatiale japonaise décide de repousser de plusieurs mois le prélèvement d'échantillons de sol initialement programmé en octobre 2018. En effet la surface de l'astéroïde s'est révélée beaucoup plus tourmentée que prévu. En effectuant une reconnaissance plus détaillée du site d'atterrissage sélectionné, il a fallu réduire le diamètre de la zone visée à 20 mètres, au lieu des 100 mètres prévu, pour avoir l'assurance qu'aucun rocher de plus de 50 centimètres de haut n'était susceptible d'endommager la sonde spatialet[Note 2]. Une répétition doit être effectuée pour s'assurer que le système de navigation est capable de manière autonome de guider la sonde spatiale avec une précision suffisante pour la poser dans le cercle d'un diamètre cinq fois inférieur à ce qui était prévu[38],[39].

Hayabusa 2 effectue une deuxième répétition des opérations de prélèvement d'un échantillon de sol entre le 23 et 25 octobre 2018. La sonde spatiale s'approche à moins de 12 mètres du sol en se dirigeant vers le site d'atterrissage prévu et laisse tomber sur le sol une des cinq sphères réfléchissantes qui servira de repère. En l'illuminant avec un flash la lumière est réfléchie par le marqueur recouvert d'une enveloppe métallique à plusieurs facettes. La lumière réfléchie est analysée par l'ordinateur embarqué de la sonde spatiale qui peut ainsi mesurer sa vitesse horizontale. Cette sphère d'un diamètre de 10 cm a une masse d'environ 300 grammes. Elle est remplie de billes en aluminium dont le rôle est de dissiper l'énergie cinétique au moment de l'impact avec le sol pour éviter un rebond. L'analyse postérieure de la descente montre que la sonde spatiale était située à 15 mètres du centre du site d'atterrissage de 20 mètres de diamètre et qu'il se serait donc posé à l'extérieur de la zone dépourvue d'obstacles dangereux pour l'intégrité de la sonde spatiale[40].

Entre le 20 novembre et le 21 décembre 2018 le Soleil s'interpose entre la Terre et Ryugu et les communications avec la sonde spatiale deviennent difficiles. Durant cette période la sonde spatiale réalise de manière automatique deux manoeuvres qui la mettent à l'abri d'une collision accidentelle avec l'astéroïde. La sonde s'écarte d'abord de sa position de repos située à 5 kilomètres de l'astéroïde et s'éloigne jusqu'à une distance d'environ 90 kilomètres puis revient progressivement à son point de départ qu'elle atteint à la fin de cette conjonction[40]

Le prélèvement du premier échantillon a lieu avec succès le 21 février 2019. La descente vers la surface depuis la position de repos débute vers 4h45 UTC et s'effectue à une vitesse de 90 centimètres par seconde. Un première arrêt est marquéà 22h02 UTC lorsque Hayabusa 2 n'est plus éloignée que de 200 mètres de la surface. Arrivé à 45 mètres d'altitude, Hayabusa 2 modifie son orientation pour se placer en position d'atterrissage. L'antenne grand gain ne pointe plus vers la Terre et les contrôleurs au sol ne reçoivent plus que les signaux transmis par l'antenne omnidirectionnelle qui leur indiquent simplement la vitesse de la sonde spatiale. Les étapes suivantes sont déclenchées de manière autonome par l'ordinateur embarqué. L'altimètre laser détecte le marqueur qui avait été déposé au sol lors de la répétition effectuée en octobre. Il abaisse alors l'altitude jusqu'à 8,5 mètres. Il corrige la vitesse horizontale en utilisant le marqueur, modifie légèrement son orientation puis descend en chute libre vers le site d'atterrissage. Lorsque le cornet d'échantillonage touche le sol, une balle de 5 grammes en tantale[Note 3] est tirée à travers le cornet à une vitesse de 300 mètres par seconde. [41],[42]. L'impact soulève un nuage de débris dont certains ont une taille de quelques dizaines de centimètres. Une partie des particules de roches pénètre dans le cornet et est stockée dans un des trois compartiments prévus à cet effet. L'équipe japonaise est à peu près certaine que des échantillons ont été prélevés mais elle n'en aura la certitude que lorsque la capsule reviendra sur Terre. L'analyse a postériori des images de l'atterrissage prises par une des caméras embarquées montre que la sonde spatiale s'est posée à seulement 1 mètre du centre du site sélectionné. Ce dernier est baptisé Tamatebako (en japonais : boite à trésors). Immédiatement après avoir touché le sol, la sonde spatiale s'en écarte[43], [44],[45].

Création d'un cratère artificiel (4 avril 2019)Modifier

 
L'impacteur SCI est constitué d'un disque de cuivre et d'une charge explosive chargée d'augmenter sa vitesse avant l'impact.

En avril 2019 la sonde spatiale doit recueillir un deuxième échantillon du sol en utilisant une technique de prélèvement différente de celle mise en œuvre pour le premier échantillon. Hayabusa 2 doit creuser un cratère artificiel et prélever un échantillon du sol dans une couche préservée du sol. Les scientifiques japonais espèrent ainsi acquérir plusieurs informations[46] :

  • mesurer la taille d'un cratère sur Ryugu en connaissant la masse et la vitesse d'arrivée de l'impacteur.
  • déterminer les caractéristiques du sol lorsqu'il n'a pas été altéré par son exposition au vide interplanétaire (bombardement par le vent solaire et les rayons cosmiques, ...).
  • déterminer dans quelle mesure le sol en surface se déplace facilement lorsqu'il est frappé par un impacteur.
  • mesurer le degré de fragmentation des roches lorsqu'elles sont frappées par un impacteur.

La taille du cratère résultant est une inconnue ce qui rend l'expérience particulièrement intéressante. La plupart des modélisations estiment le diamètre à environ 10 mètres mais selon la nature de la surface le diamètre beaucoup plus petit (sol poreux) ou plus important (sol constitué de cailloux de petite taille). Le site retenu pour l'impact se trouve à un quart de circonférence à l'est du premier site de prélèvement et à 300 mètres de l'endroit où MASCOT est situé. Dans la mesure où le deuxième prélèvement pourrait se faire dans le cratère créé, les chercheurs japonais ont sélection un endroit aux caractéristiques proches du premier site de prélevement ce qui permettra d'effectuer des comparaisons. L'impacteur SCI (Small Carry-On Impactor), d'une masse de 2,5 kg, a la forme d'un cone de 30 cm de diamètre et d'une hauteur de 21,7 cm de hauteur. Il est constitué d'un disque de cuivre de deux kilogrammes et d'une charge explosive[46].

La sonde spatiale quitte sa position de repos située à 20 kilomètres de Ryugu le 4 avril et commence à se rapprocher de l'astéroïde à une vitesse de 40 centimètres par seconde. Arrivé à 5 kilomètres de la surface il réduit cette vitesse à 10 centimètres par seconde. Il entre dans un mode autonome avant d'arriver au point de largage. Arrivé à une altitude 500 mètres il largue le 5 avril 2019 l'impacteur puis s'éloigne dans une direction perpendiculaire à son axe de descente de manière à se mettre à l'abri de retombées éventuelles. Il largue une caméra DCAM3 (Deployable camera 3) de 2 kilogrammes qui est chargée de filmer l'impact. A environ 300 mètres l'explosion de la charge emportée par l'impacteur est déclenchée. La plaque de cuivre plate et circulaire qui constitue l'impacteur accélère de 2 kilomètres/seconde tout étant déformée et prenant la forme d'un casque. Une image prise par la caméra DCAM3 confirme presque immédiatement le succès de l'impact. La sonde spatiale s'éloigne de 100 kilomètres pour éviter de rencontrer des débris qui pourraient flotter dans l'espace et restent à cette distance durant deux semaines. Le 23 avril la sonde spatiale se rapproche à nouveau de Ryugu pour observer les résultats de l'opération. Sur les photos prises à environ 1,6 kilomètres de distance, un nouveau cratère de 20 mètres de diamètre est clairement visible, une taille bien plus importante que ce qui était prévu[47],[48] ,[46],[18].

Prélèvement d'un deuxième échantillon du sol (11 juillet 2019)Modifier

L'équipe projet d'Hayabusa 2 s'interroge sur la nécessité de prélever un deuxième échantillon du sol de Ryugu. Chaque prélèvement présente un risque important du fait de la nature particulièrement chaotique de la surface de l'astéroïde et le premier prélèvement semble avoir été un succès. Néanmoins, en prévision d'une telle opération, l'agence spatiale décide de larguer un marqueur le 16 mai à quelques mètres du cratère artificiel créé un mois auparavant. Une fois de plus la descente vers le sol est interrompue à une altitude de 50mètres parce que le lidar utilisé pour mesurer l'altitude ne parvient plus à déceler la surface. Le largage du marqueur est reporté. Mais désormais le temps presse car l'astéroïde approche de son périgée et début juillet la température de surface va dépasser 100°C et la chaleur rayonnée va devenir trop importante pour permettre à la sonde spatiale de s'approcher[49]. Une deuxième tentative de dépose du marqueur est effectuée le 30 mai et celle-ci est cette fois une réussite[50].

Les responsables du projet ont finalement décidé de prendre le risque d'effectuer un deuxième prélèvement. Les opérations débutent le 10 juillet 2019 lorsque Hayabusa 2 commence à descendre vers la surface l'astéroïde à une vitesse de 40 centimètres par seconde. La sonde spatiale passe en mode autonomie alors qu'elle se situe encore à 30 mètres du sol. 13 minutes plus tard, le 11 juillet à 1h20 UTC, le cornet de prélèvement touche le sol et une deuxième cartouche de tantale est tirée. Hayabusa 2 s'éloigne immédiatement et 20 minutes plus tard la liaison est rétablie avec la Terre. Les images prises par la caméra embarquée CAM-H montrent que l'opération a été un succès. Hayabusa 2 a touché le sol à seulement 60 centimètres du centre du site visé[51],[52].

Le 17 septembre la sonde spatiale se rapproche à un kilomètre de l'astéroïde, largue les deux marqueurs puis s'en éloigne à une vitesse de 11 centimètres/seconde tout en filmant la chute des objets vers le sol de Ryugu. L'opération est une répétition du largage du rover MINVERVA-II-2. Ce dernier construit par une équipe différente des MINERVA-II-1 présente une anomalie de fonctionnement qui laisse planer un doute sur son système de télécommunications. MINVERVA-II-2 est largué le 3 octobre depuis une altitude de un kilomètre et sa trajectoire est mesurée visuellement mais également à l'aide d'un accéléromètre embarqué car son objectif est de préciser les conditions de navigation dans un champ de gravité très faible comme celui de Ryugu. Il est prévu qu'il se pose à la surface de l'astéroïde le 8 octobre[53],[54].

Retour sur Terre (décembre 2019 - décembre 2020)Modifier

 
Largage de la capsule contenant les échantillons de sol lors du survol de la Terre.

Hayabusa 2 achève ses observations à distance au cours de l'automne 2019. et reprend la direction de la Terre le 13 novembre 2019. La capsule d'échantillons sera larguée aux abords de la Terre en décembre 2020 et le vaisseau mère se dirigera alors vers un des points de Lagrange. La capsule effectuera sa rentrée atmosphérique à une vitesse de 11,6 km/s et atterrira comme dans la mission antérieure en Australie. Au cours des 6 années de la mission, la sonde spatiale fait fonctionner pendant 1,5 an ses moteurs ioniques qui lui permettent de modifier sa vitesse de 2 km/s[18].

Analyse des échantillons de solModifier

Les analyses doivent être effectuées au Centre de conservation des échantillons extraterrestres de la Jaxa construit spécifiquement pour cette mission, au moyen d'un microscope hyperspectral MicrOmega, développé par l’Institut d’astrophysique spatiale[55] sous la responsabilité de l’astrophysicien Jean-Pierre Bibring. Cela est officialisé par un accord signé le 26 juin 2019[56].

Résultats de la missionModifier

Description physiqueModifier

Les premières observations optiques de Ryugu par la sonde spatiale Hayabusa 2 débutent en juin 2018 mais les premiers résultats scientifiques sont communiqués en mars 2019. Ryugu a la forme d'une toupie avec un épais bourrelet au niveau de l'équateur. Le diamètre en passant par l'équateur est de 1004 mètres alors que la circonférence en passant par les pôles est de 875 mètres (dans les deux cas à 4 mètres près. L'astéroïde est en rotation rétrograde avec une période de 7,63 heures. L'axe de rotation est pratiquement perpendiculaire au plan orbital avec une inclinaison orbitale de 171,6°. Son volume est de 0,377 km³ et sa densité est de 1,19. En partant de l'hypothèse qu'il est composé de chondrites carbonées (densité minimale de 2,42), il en découle que sa porosité est de 50%. C'est un des objets les plus sombres jamais observés dans le système solaire (albédo compris entre 1,4 et 1,8 %). La surface est recouverte de rochers (2 fois plus que Itokawa) dans des proportions qui ont étonné l'équipe scientifique. Le plus important, baptisé Otohime, fait 160 mètres dans sa plus grande longueur. Aucun satellite n'a pu être observé. La forme très symétrique de Ryugu (vu du pole il est presque parfaitement circulaire), pourrait être expliquée si l'astéroïde tournait plus rapidement qu'il ne le fait. Les cratères observables sur le bourrelet équatorial impliquent que cette formation est ancienne mais elle l'est moins que les zones situées aux latitudes intermédiaires. On dénombre à la surface de Ryugu une trentaine de dépressions circulaires de plus de 20 mètres de diamètre mais près de la moitié ne sont pas entourés d'un rebord et pourraient résulter de l'effondrement de la surface ou l'éjection de celle-ci par les forces centrifuges[57].

La question de l'origineModifier

Comme tous les astéroïdes de cette taille circulant sur une orbite de quasi collision avec la Terre, Ryugu n'est pas très âgé à l'échelle géologique. Ce type d’astéroïde est le fragment d'un astéroïde plus gros circulant dans la ceinture d'astéroïdes qui a éclaté à la suite d'une collision. L'orbite de Ryugu soumis à la fois à l'effet Yarkovsky et à l'effet YORP s'est progressivement rapprochée de celle des planètes internes. En étudiant les spectres des roches de Ryugu, les scientifiques japonais ont tenté de déterminer l'astéroïde parent. Les candidats les plus proches sont (142) Polana et (495) Eulalie mais les spectres sont légèrement différents. L'albédo particulièrement bas a surpris les scientifiques qui s'attendaient à une valeur comprise entre 3 et 4%. Aucune météorite identifié sur Terre n'a un albédo aussi bas. La composition des roches à la surface de Ryugu semble très homogène. Tous les spectres montrent une petite quantité d'hydroxyde probablement présent dans un minéral argileux riche en magnésium. Cette composition indique que les matériaux présents ont interagi par le passé avec de l'eau. Cette composition et l'apparence (albédo) semblent indiquer que les roches qui forment Ryugu sont issues des couches internes d'un astéroïde de grande taille qui auraient subi un métamorphose thermique tout en étant infiltré par de l'eau. Pour que ce processus se déclenche il fallait que cet astéroïde fasse quelques centaines de kilomètres de diamètre. Le réchauffement très important généré a pu l'être soit par la décomposition radioactive de l'aluminium 26 soit par un impact violent avec un autre astéroïde[57].

Les photos prises par le petit rover Mascot ont permis de constater que la surface de l'astéroïde était recouverte par deux types de roches présentes dans des proportions pratiquement égales. Le premier type est caractérisé par un albédo relativement élevé avec des faces aux formes douces et des arêtes aiguisées. La deuxième catégorie de roche est plus sombre avec une surface friable en forme de chou-fleur. On y observe des inclusions de petits grains riches en calcium et en aluminium. Ces roches ressemblent à un type de météorite rare : la chondrite carbonée. Ces roches ont été créées il y a 4,5 milliards d'années soit pratiquement au moment de la formation du système solaire. Elles n'ont jamais fondues et n'ont jamais subi d'impacts d'autres objets mais elles ont pu être chimiquement modifiées par la présence d'eau à l'état liquide. Deux scénarios peuvent expliquer la présence de ces deux types de roches. Selon le premier scénario l'astéroïde a été formé à la suite de la collision de deux corps composés de matériaux d'origine différente. Les débris résultants sous l'influence de leur gravité ont formé un nouvel astéroïde à la structure hétérogène. Selon le deuxième scénario, l'astéroïde serait issu d'un corps céleste dont la structure interne aurait subi des conditions de pression et de température non homogènes[58].

Absence de régolitheModifier

Les photos prises par le petit rover Mascot ont également permis de constater qu'il n'y avait ni régolithe ni poussière à la surface de l'astéroïde. Or le bombardement continuel de l'astéroïde par les micrométéorites devrait produire du régolithe. Cette absence serait due à la gravité très faible qui empêche les débris produits par les impacts de se déposer à la surface. Le régolithe pourrait également s'infiltrer entre les roches très poreuses qui forment l'astéroïde[58].

Les chondrites : un matériau très friableModifier

Les astéroïdes de type C comme Ryugu représentent 75% de l'ensemble des astéroïdes. La proportion de météorites de ce type sur Terre, très faible, ne reflète pas cette abondance. L'étude par Hayabusa 2 des propriétés thermiques des chondrites qui forment le matériau de base de ces astéroïdes, fournit une explication à ce phénomène. Le petit rover franco-allemand MASCOT a utilisé le radiomètre MARA pour mesurer l'évolution de la température de roches de ce type en fonction de l'éclairement. Les scientifiques ont pu en déduire que les chondrites étaient extrêmement friables. Durant la rentrée atmosphérique d'un astéroïde de ce type, il est probable que seuls les corps les plus massifs atteignent la surface de la Terre, les autres brûlant entièrement dans l'atmosphère[59].

Notes et référencesModifier

NotesModifier

  1. La sonde spatiale se présente en étant pratiquement sur la ligne reliant l'astéroïde d'une part et la Terre et le Soleil d'autre part. La valeur de l'inclinaison dépend donc de la pente locale et de la latitude (plus celle-ci est élevée plus l'inclinaison est importante)
  2. Le cornet d'échantillonage dépasse de un mètre le corps de la sonde spatiale mais celle-ci n'est pas parallèle au sol et ses panneaux solaires d'une envergure de 5 mètres pourraient toucher un rocher d'une hauteur supérieure à 50 centimètres
  3. Ce métal a été choisi parce que, lorsque le prélèvement sera analysé sur Terre, les scientifiques pourront isoler sans ambiguité les éclats de la balle du reste de l'échantillon.

RéférencesModifier

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Voir aussiModifier

BibliographieModifier

  • (en) Hayabusa2 Project Team, Hayabusa2 Information Fact Sheet, JAXA, , 136 p. (lire en ligne)
    Description de la mission publiée par l'agence spatiale japonaise à l'arrivée de Hayabusa 2 à proximité de Ryugu
  • (en) Paolo Ulivi et David M. Harland, Robotic exploration of the solar system : Part 4 : the Modern Era 2004-2013, Springer Praxis, , 567 p. (ISBN 978-1-4614-4811-2)

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Articles connexesModifier

Liens externesModifier