Lorsque le vaisseau spatial OSIRIS-REx de la NASA descend vers la surface de Bennu le 20 octobre, ce sera la première fois qu'une mission dirigée par les États-Unis tentera de prélever un échantillon de matériau vierge d'un astéroïde. Bennu est probablement une accumulation extraterrestre des restes originaux de la formation de notre système solaire.

La mission dirigée par l'Université d'Arizona pour échantillonner un astéroïde à plusieurs millions de kilomètres de la Terre est tout sauf une promenade sur la plage. En réalité, Bennu " n'est pas près de la plage de sable que nous espérions et attendions, " a déclaré Thomas Zurbuchen, administrateur associé de la Direction des missions scientifiques de la NASA, lors d'un événement médiatique le 24 septembre. Une fois que le vaisseau spatial s'est rapproché et a commencé à renvoyer les premières images détaillées de la surface de Bennu, il a surpris l'équipe de la mission et le public en révélant une surface rocheuse jonchée de rochers de la taille d'une maison.

Depuis son arrivée le 3 décembre, 2018, le vaisseau spatial OSIRIS-REx a passé son temps à voler autour de l'astéroïde en scannant, photographier, mesurer et étudier l'obscurité, tas de gravats rocheux ci-dessous - de loin au début, puis de près. A l'aide de son altimètre laser, ou OLA, combiné avec les données d'images prises avec l'instrument PolyCam du vaisseau spatial, la mission a produit des cartes d'une précision sans précédent, meilleurs que ceux de n'importe quel corps planétaire visité par un vaisseau spatial. Le site d'échantillonnage principal de la mission, qui se trouve à l'intérieur d'un cratère surnommé Nightingale, a été sélectionné sur la base de ces cartes.

"Nous avons choisi Nightingale parce que, de loin, il a le matériau le plus fin des quatre sites d'échantillons candidats, " dit Dante Lauretta, chercheur principal de la mission et professeur au laboratoire lunaire et planétaire de l'UArizona, lors de la conférence de presse. "Nous avons passé début 2020 à faire des passes de reconnaissance à basse altitude sur ce site, en fin de compte image à environ un huitième de pouce par pixel. Nous avons essentiellement des images incroyablement détaillées couvrant l'ensemble du cratère, et nous avons compté tous ces rochers."

Peu avant 11 h, heure de l'Arizona, le 20 octobre, les propulseurs du vaisseau spatial tireront et pousseront doucement OSIRIS-REx hors de son orbite autour de Bennu et le dirigeront vers la surface accidentée. Cette brûlure déclenchera une séquence d'événements qui a été planifiée méticuleusement par l'équipe de la mission.

Que se passe-t-il si tout se passe comme prévu ? Et si ce n'est pas le cas ?

Une fois que le vaisseau spatial a entamé la descente vers sa cible, il s'appuiera sur ce que l'équipe de la mission appelle une « carte des risques », une représentation détaillée des zones du site d'échantillonnage qui peuvent présenter un risque pour le vaisseau spatial en raison de la présence de gros rochers ou d'un terrain accidenté.

Juste avant de toucher la surface, le vaisseau spatial comparera les images de l'une de ses caméras avec la carte des dangers stockée dans la mémoire du vaisseau spatial. Si la trajectoire de descente entraîne l'atterrissage du vaisseau spatial dans un endroit potentiellement dangereux, le système déclencherait automatiquement la marche arrière du vaisseau spatial, un scénario dont la probabilité est inférieure à 6 % sur la base de simulations.

Si tout va bien, le vaisseau spatial étendra son mécanisme d'acquisition d'échantillons Touch-and-Go, ou TAGSAM, qui est suspendu au bout d'un bras de 11 pieds de long. Rappelant un filtre à air utilisé dans une vieille voiture, il est conçu pour collecter des matériaux à grain fin, mais est capable d'ingérer des matériaux jusqu'à environ trois quarts de pouce.

L'échantillon sera prélevé lors d'une manœuvre de "touch-and-go", ou TAG, pendant laquelle la tête de prélèvement entrera en contact avec la surface de Bennu pendant environ 10 secondes. Lorsque le vaisseau spatial détecte un contact, il déclenchera l'une des trois bouteilles de gaz d'azote, et un peu comme un aspirateur inversé, remuer le matériau de surface - appelé régolithe - à l'intérieur de la tête de l'échantillonneur, avant que le vaisseau spatial ne recule.

En guise de sauvegarde, la tête d'échantillonnage comporte une série de petits disques conçus pour ramasser la poussière comme des tampons collants, au cas où quelque chose se passerait mal avec le processus d'échantillonnage à essence.

L'équipe examinera les images prises par la caméra d'échantillonnage du vaisseau spatial, ou SamCam, de la tête de prélèvement lorsqu'elle entre en contact avec la surface. SamCam est l'une des trois caméras à bord du vaisseau spatial qui ont été construites à UArizona.

"Nous pourrons dire si nous avons été inclinés, si le gaz a soufflé sur le côté, si le matériau a été suffisamment agité, " Lauretta a déclaré. "Nous aurons également une très bonne indication de l'emplacement exact à Nightingale où nous avons pris contact et nous pouvons comparer cela à notre carte d'échantillonnabilité, pour évaluer si nous avons atterri dans une zone où il y a du matériel échantillonnable abondant ou dans l'un des endroits les plus rocheux. »

SamCam pourra également prendre des images de la tête d'échantillonnage une fois que le vaisseau spatial aura quitté le cratère Nightingale et se trouvera à une distance de sécurité de l'astéroïde. Étant donné que la tête de prélèvement est montée sur une articulation du poignet, l'équipe pourra l'examiner sous différentes orientations par rapport au soleil et à la caméra d'échantillonnage. L'équipe verra également toute poussière ou matière sur toute autre zone du TAGSAM, sur le bras ou sur la couverture sur les bouteilles de gaz, Lauretta a expliqué.

« Cela nous dira si nous avons déplacé suffisamment de matériel lorsque nous avons pris contact, et peut-être, juste peut-être, nous pourrons voir certaines des particules à l'intérieur de TAGSAM, si les particules sont au bon endroit à l'intérieur de la tête et si nous obtenons les bonnes conditions d'éclairage."

Après TAG, l'équipe passera ensuite une semaine à évaluer la quantité d'échantillons collectés. Il utilisera plusieurs méthodes pour estimer la quantité d'échantillon, en commençant par l'imagerie de la tête de prélèvement d'échantillon pour une inspection visuelle. L'équipe effectuera également des vérifications du vaisseau spatial et des instruments pour vérifier que cela n'a pas entraîné de dégradation pour l'un ou l'autre.

Une pirouette dans l'espace

Prochain, le vaisseau spatial est prêt à effectuer une manœuvre conçue pour donner aux scientifiques au sol une estimation de la quantité d'échantillons collectés. Avec son bras de prélèvement étendu, il tournera lentement autour d'un axe perpendiculaire à TAGSAM pour mesurer le changement de masse attribuable à l'échantillon prélevé par rapport à une mesure précédente prise avec la tête de prélèvement vide.

En raison de l'incertitude de la technique, le résultat de la mesure doit dépasser la masse d'échantillon requise pour avoir une certitude élevée qu'un échantillon adéquat est présent.

« Nous chercherons 90 % de chances d'avoir 60 grammes réels ou plus, " Lauretta a dit. " N'importe quoi en dessous de cela, nous aurons des conversations avec la NASA pour évaluer l'état du vaisseau spatial, sa capacité à entrer pour un deuxième TAG, et de décider si nous voulons revenir avec ce que nous avons ou faire une deuxième tentative de TAG."

Le vaisseau spatial peut faire plusieurs tentatives d'échantillonnage, car il est équipé de trois bouteilles d'azote gazeux. Par exemple, s'il devait atterrir dans un endroit sûr mais ne parvenait pas à trouver un bon échantillon, l'équipe a développé des mesures d'urgence pour s'assurer que la mission atteint toujours son objectif scientifique principal :collecter au moins 60 grammes (un peu moins de 2 onces) de matériau de surface et le renvoyer sur Terre.

"Au cas où la décision serait prise, nous devrons y retourner, nous devons remettre le vaisseau spatial en orbite et effectuer une série de brûlures pour aligner sa position en orbite pour la prochaine tentative de balise, " a déclaré Mike Moreau, chef de projet adjoint au Goddard Space Flight Center de la NASA dans le Maryland.

Alors que Nightingale a été identifié comme le meilleur endroit pour obtenir un échantillon de tout Bennu, il présente encore beaucoup de défis, dit Laurette.

"De loin, le résultat le plus probable que nous aurons le 20 octobre est que nous entrerons en contact avec la surface et repartirons avec un grand échantillon qui dépasse nos exigences. Mais Bennu nous a déjà lancé un certain nombre de balles courbes, c'est pourquoi nous sommes tout à fait prêts à marquer à Osprey (le site de sauvegarde) si cela devient nécessaire, " il a dit.

Une fois la décision prise de ranger l'échantillon, l'équipe va placer la tête à l'intérieur de la capsule de retour d'échantillon et la sceller pour un retour sur Terre en 2023. Et quand ce moment viendra, il y a de fortes chances qu'il rapporte encore plus que le minimum de 60 grammes, comme TAGSAM a été conçu pour capturer au moins 150 grammes, et dans des conditions optimales jusqu'à 4 livres, de quoi occuper des générations de chercheurs dans les laboratoires sur Terre.