Fig.1 La suite de chimie atmosphérique comprend quatre unités :le NIR, MIR, et les spectromètres TIRVIM et le bloc électronique (EB). Image reproduite avec l'aimable autorisation des chercheurs. Crédit :Chercheurs 10.1007/s11214-017-0437-6
En 2013, l'Agence spatiale européenne et Roscosmos - l'organisme gouvernemental russe responsable de la recherche spatiale - ont convenu de coopérer sur ExoMars, la première mission interplanétaire conjointe entre l'ESA et la Russie. Ce projet implique désormais des scientifiques de 29 organismes de recherche, dont le MIPT et l'Institut de recherche spatiale de l'Académie des sciences de Russie, qui est le principal fournisseur de matériel et d'équipement du côté russe. A présent, le premier ensemble d'instruments d'observation a été livré sur l'orbite de Mars pour rechercher des composants chimiques mineurs de l'atmosphère de la planète qui pourraient être des traces de vie primitive.
Même si les nouvelles données s'avèrent peu concluantes, ils vont certainement raviver la discussion sur la question de savoir s'il y a déjà eu de la vie sur la planète rouge. Début 2018, le satellite ExoMars avec des instruments de recherche à bord descendra dans son orbite opérationnelle et commencera les observations de l'atmosphère martienne. Un article récent dans Space Science Reviews décrit la composition et les objectifs de l'un des deux instruments de construction russe transportés par l'orbiteur.
La mission spatiale conjointe ExoMars de l'ESA et de Roscosmos comporte deux phases. Le premier a commencé le 14 mars, 2016, avec le lancement d'un propulseur Proton-M depuis le complexe spatial russe de Baïkonour, Kazakhstan. La fusée a lancé deux modules :l'atterrisseur Schiaparelli et le Trace Gas Orbiter (TGO). Les deux ont été livrés sur Mars en 226 jours, un voyage de 500 millions de kilomètres.
Schiaparelli était destiné à tester la technologie pour les futurs atterrissages. Il a tenté un atterrissage, mais s'est écrasé à la surface. Les objectifs de TGO sont de détecter les gaz traces dans l'atmosphère, cartographier la distribution de la glace d'eau sous la surface, et réaliser une imagerie haute résolution, y compris l'imagerie de surface stéréo.
Les fenêtres de lancement favorables pour les trajectoires de Mars se produisent une fois tous les deux ans environ, et la deuxième phase de la mission ExoMars est prévue pour 2020. Un nouvel atterrisseur déploiera un rover pour naviguer de manière autonome à travers la surface martienne, transmettre les données qu'il collecte via TGO. L'objectif principal de la mission ExoMars est d'explorer si la vie a déjà existé sur Mars.
Fig. 2. Trois modes d'observation du Trace Gas Orbiter :les mesures dites d'occultation solaire (en haut à droite) de la lumière traversant l'atmosphère et le nadir martien, ou « directement », ” mesures de la lumière solaire réfléchie et du propre rayonnement de Mars depuis son côté jour (à gauche) et côté nuit (à droite). Crédit :Chercheurs 10.1007/s11214-017-0437-6
Le satellite TGO embarque quatre instruments scientifiques :un système d'imagerie couleur haute résolution, un détecteur de neutrons à haute résolution, et deux suites de spectromètres. Le détecteur épithermique de neutrons et la suite de chimie atmosphérique (ACS) ont été construits à l'Institut de recherche spatiale de Moscou.
L'objectif scientifique premier de TGO est d'étudier le climat, atmosphère, et la surface de Mars. Grâce à ses détecteurs embarqués, assez sensible pour repérer des traces de gaz, l'orbiteur devrait régler les doutes concernant la présence de méthane atmosphérique sur Mars. Ce gaz avait déjà été détecté par des télescopes terrestres et le rover Curiosity de la NASA.
L'ACS de construction russe (fig. 1) comprend trois spectromètres infrarouges. Il est suffisamment sensible pour détecter et mesurer des traces de gaz atmosphériques tels que le méthane, ce qui pourrait être le signe d'une activité géologique ou biologique sur Mars. Les spectromètres ont un pouvoir de résolution de 10, 000 ou plus et une large couverture spectrale de 0,7 à 17 micromètres. Avec leur aide, TGO clarifiera le rôle des principaux constituants atmosphériques martiens :le dioxyde de carbone, vapeur d'eau, et les aérosols—dans le climat de la planète.
Le canal proche infrarouge (NIR) est hébergé par un spectromètre échelle polyvalent couvrant la gamme spectrale entre 0,7 et 1,6 micromètres avec un pouvoir de résolution d'environ 20, 000. Cet appareil se concentrera principalement sur les mesures de vapeur d'eau, aérosols, les lueurs diurnes de l'oxygène moléculaire, et les lueurs nocturnes causées par les processus photochimiques dans l'atmosphère martienne. Les observations dans le proche infrarouge seront conduites selon trois modes principaux (fig. 2). À savoir, les mesures d'occultation solaire de la lumière traversant l'atmosphère martienne et les mesures au nadir - ou "directement" - de la lumière solaire réfléchie par la planète et son propre rayonnement. Les mesures des membres sont également prises en charge.
Le canal moyen infrarouge (MIR) est un spectromètre échelle à dispersion croisée dédié aux mesures d'occultation solaire dans la gamme 2,2-4,4 micromètres. Il a un pouvoir de résolution de plus de 50, 000. Par conception, ACS-MIR effectuera des mesures de haute sensibilité de la teneur en gaz traces, y compris les concentrations de méthane et d'aérosols, et le rapport deutérium/hydrogène. La réalisation des objectifs clés de la mission ExoMars dépendra des observations dans la bande infrarouge moyen. C'est en grande partie ce canal qui promet une percée scientifique.
Fig. 3. Les principales voies photochimiques connues ou attendues sur Mars et leur relation avec les capacités de mesure de l'ACS. Crédit :Chercheurs 10.1007/s11214-017-0437-6
"Il permet des mesures de l'atmosphère martienne qui sont des centaines de fois plus précises que jamais auparavant, " dit l'ingénieur en chef Alexander Trokhimovskiy de l'Institut de recherche spatiale, RAS, qui a dirigé les travaux sur ACS-MIR. "Aussi, la sonde est liée à une orbite qui permet des observations d'occultation solaire assez fréquentes."
"MIPT a développé des algorithmes de traitement des données et conçu un modèle de circulation générale de l'atmosphère martienne, nécessaire à la planification des expériences et à l'interprétation de leurs résultats, " ajoute Alexandre Rodin, le chef du laboratoire de spectroscopie infrarouge appliquée au MIPT.
Connu sous le nom de TIRVIM, le troisième instrument ACS est un spectromètre à transformée de Fourier fonctionnant dans la plage de 1,7 à 17 micromètres avec une résolution de 0,2 à 1,3 pour cent. Il est chargé de collecter les données sur le climat martien :profils de température atmosphérique, teneur en poussière, et la température de surface. Les mesures infrarouges thermiques devraient cartographier les températures de la surface de la planète jusqu'à une altitude d'environ 60 kilomètres. L'instrument permettra également d'estimer les profondeurs optiques des poussières et nuages martiens avec une précision inégalée, permettant de détecter l'ozone et le peroxyde d'hydrogène, deux gaz fondamentaux pour la photochimie martienne (fig. 3).
Le détecteur TIRVIM doit la première moitié de son nom à l'infrarouge thermique, ou TIR, bande spectrale, mais les trois dernières lettres de l'acronyme honorent Vasily Ivanovich Moroz, fondateur de la spectrométrie infrarouge russe et chef de longue date du Département de physique planétaire de l'Institut de recherche spatiale de l'Académie des sciences de Russie.
