La première mission double satellite vers une autre planète, ESCAPADE (Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers) de la NASA, devrait être lancée au plus tôt le dimanche 9 novembre depuis Cap Canaveral, en Floride. Les deux vaisseaux spatiaux identiques sont gérés et exploités par l'Université de Californie à Berkeley et voleront en formation pour cartographier les champs magnétiques, la haute atmosphère et l'ionosphère de Mars en 3D, offrant ainsi la première vue stéréo de l'environnement proche de l'espace unique de la planète rouge.
Ce qu’ils découvriront aideront les scientifiques à comprendre comment et quand Mars a perdu son atmosphère et fourniront des informations clés sur les conditions sur la planète qui pourraient affecter les personnes qui atterrissent ou s’installent sur Mars.
« Comprendre comment l'ionosphère varie sera un élément très important pour comprendre comment corriger les distorsions des signaux radio dont nous aurons besoin pour communiquer les uns avec les autres et pour naviguer sur Mars », a déclaré Robert Lillis, chercheur principal de l'ESCAPADE, du laboratoire des sciences spatiales (SSL) de l'UC Berkeley.
La paire de satellites, qui arriveront sur Mars en 2027, a été surnommée Blue and Gold en l'honneur des couleurs de l'école de l'UC Berkeley. Ils seront exploités depuis le centre d'opérations de mission (MOC) de SSL situé dans les collines au-dessus du campus de Berkeley. Les instruments scientifiques, les flèches déployables et les ordinateurs de traitement de données ont été construits par l'UC Berkeley et ses partenaires, tandis que le vaisseau spatial ESCAPADE a été construit par Rocket Lab US, dont le siège est à Long Beach, en Californie. La mission de la NASA sera transportée dans l'espace par une fusée New Glenn construite par Blue Origin, dont le siège est à Kent, Washington.
Il est important de cartographier les champs magnétiques de la planète et leur réponse aux conditions météorologiques spatiales, car Mars ne possède ni un champ magnétique global comme la Terre, ni une atmosphère épaisse pour protéger la surface des tempêtes solaires dommageables. En conséquence, toute personne vivant à la surface devra se protéger des rayonnements de particules à haute énergie qui endommagent l’ADN, augmentant ainsi le risque de cancer.
Un niveau de rayonnement de fond provenant de notre galaxie, la Voie lactée, est toujours présent sur Mars, a déclaré Lillis, mais l'année dernière, le rover Curiosity de la NASA a documenté une intense tempête solaire qui a produit en une journée l'équivalent de 100 jours de ce fond « normal ».
« Nous effectuerons les mesures de météorologie spatiale dont nous avons besoin pour bien comprendre le système afin de prévoir les tempêtes solaires dont le rayonnement pourrait nuire aux astronautes à la surface de Mars ou en orbite », a déclaré Lillis.
Outre ses missions principales, ESCAPADE sera également pionnière d’une nouvelle route ou trajectoire vers Mars. En règle générale, les missions vers Mars sont lancées dans une fenêtre étroite – quelques semaines seulement tous les 26 mois – qui permet au vaisseau spatial d'emprunter la route la plus économe en carburant : une trajectoire elliptique qui permet au vaisseau spatial de quitter l'orbite terrestre et de s'insérer dans l'orbite de Mars juste au bon moment pour attraper la planète rouge alors qu'elle se précipite. Les parcours durent généralement entre sept et 11 mois. Jusqu'à présent, toutes les missions sur Mars ont utilisé cette route, appelée transfert Hohmann, qui limitait les lancements à cet alignement tous les deux ans entre la Terre et Mars.
ESCAPADE se dirigera d'abord vers un point de Lagrange – un endroit où l'attraction gravitationnelle du Soleil et de la Terre est égale – et fera une boucle autour de lui sur une orbite paresseuse en forme de haricot de 12 mois qui le ramènera finalement vers la Terre début novembre 2026. À son approche la plus proche, ESCAPADE allumera ses moteurs pour lancer une fronde autour de la Terre et se dirigera vers Mars lors de son alignement semestriel avec la Terre.
Si les humains envisagent de s'installer sur Mars à l'avenir, des centaines, voire des milliers de navires, avec ou sans équipage, devront partir à chaque alignement, a déclaré Lillis. Étant donné que la Terre dispose d'un nombre limité de rampes de lancement et que les retards météorologiques et techniques sont fréquents, la trajectoire flexible dont ESCAPADE sera le pionnier pourrait permettre à tous ces engins spatiaux de se lancer sur plusieurs mois, en « faisant la queue » avant de se diriger vers Mars pendant l'alignement planétaire.
« Pouvons-nous nous lancer sur Mars lorsque les planètes ne sont pas alignées ? ESCAPADE ouvre la voie à cela », a déclaré Jeffrey Parker d'Advanced Space LLC, l'un des partenaires de la NASA sur ESCAPADE, lors d'une conférence plus tôt cette année.
Objectifs scientifiques
Les expériences construites à l'UC Berkeley se rendent sur Mars depuis près de 60 ans, dévoilant son atmosphère, ses champs magnétiques et la météo spatiale pour comprendre ce qui a façonné la planète que nous voyons aujourd'hui. Berkeley a construit des instruments pour la mission Mars Global Surveyor de la NASA, lancée en 1996 et qui a découvert que Mars avait perdu son champ magnétique global il y a environ 4 milliards d'années.
Berkeley dispose désormais d'instruments sur deux missions en cours – MAVEN de la NASA, lancée en 2013, et la sonde Emirates Mars Mission Hope, lancée en 2020 – qui continuent de surveiller l'atmosphère de Mars et de découvrir de nouveaux types d'aurores boréales.
Ces missions ont montré que, même si Mars ne dispose pas d'un champ magnétique global comme celui de la Terre, elle possède néanmoins des champs magnétiques localisés provoqués par sa croûte fortement magnétisée. Ces « champs crustaux » sont les vestiges d'un champ magnétique mondial disparu depuis longtemps qui magnétisait les roches lorsqu'elles se refroidissaient ou étaient altérées par l'eau.
« Mars a ce magnétisme crustal inégal qui se traduit par des champs magnétiques localement forts, bien que généralement beaucoup plus faibles que le champ terrestre », a déclaré Lillis. « Ils sont efficaces pour repousser le vent solaire jusqu'à 1 500 km de la surface. »
En tant que nouvelle mission dirigée par Berkeley, les deux sondes ESCAPADE voleront sur différentes orbites autour de la planète, fournissant une vue 3D de la façon dont l'atmosphère martienne réagit aux changements du vent solaire, un flux de particules chargées en rafales d'un million de kilomètres par heure en provenance du soleil. L’objectif est de mieux comprendre comment le vent solaire dynamise les particules et les aide à s’échapper dans l’espace. La fuite d'eau et d'autres gaz atmosphériques au cours des 4 derniers milliards d'années a conduit à une atmosphère mince et vaporeuse, représentant moins de 1 % de la densité de celle de la Terre.
« Comprendre comment le vent solaire entraîne différents types d'évasion atmosphérique est une pièce clé du puzzle de l'évolution climatique de Mars. ESCAPADE nous offre ce que l'on pourrait appeler une perspective stéréo : deux points de vue différents simultanément », a déclaré Lillis.
Les données pourraient aider à déterminer ce qui est arrivé à l'eau qui remplissait autrefois les lacs et les rivières de Mars, au moins épisodiquement, jusqu'à il y a 2 milliards d'années, et si elle est toujours disponible sous terre pour être exploitée par les futurs colons martiens.
« Les preuves géologiques montrent qu'il y avait autrefois de l'eau sur Mars et que pour retenir l'eau, il faut une atmosphère épaisse », a déclaré le physicien spatial Shaoxui Xu, chercheur principal adjoint de la mission.
« Nous savons donc qu'il y avait autrefois une atmosphère assez épaisse sur Mars, mais elle est maintenant très ténue. L'atmosphère n'a que deux façons de s'échapper : soit entrer dans le sol, soit s'échapper dans l'espace, et de nombreuses études montrent que la fuite a contribué de manière très significative à l'évolution de l'atmosphère. »
Comprendre comment le vent solaire affecte la haute atmosphère, ou ionosphère, a également des implications pour les communications à la surface de la planète, puisque le rebond des signaux radio sur l'ionosphère permet la communication au-delà de l'horizon.
Une nouvelle façon de faire les choses
Lillis et ses collègues travaillent sur ESCAPADE depuis 2016, lorsque la NASA a fourni un financement de démarrage pour une étude conceptuelle. Cela a abouti à la proposition du programme SIMPLEx de la NASA, ou programme Small Innovative Missions for Planetary Exploration, en 2018, qui visait à financer des missions pour une fraction du coût des missions typiques.
Tandis que les ingénieurs de SSL concevaient et construisaient les expériences, Rocket Lab US, leader mondial des services de lancement et des systèmes spatiaux, concevait et construisait le vaisseau spatial destiné à transporter les instruments, puis les intégrait et les testait dans le complexe de l'entreprise à Long Beach. Le coût de livraison du vaisseau spatial sur la rampe de lancement en 2024 était de 49 millions de dollars.
« ESCAPADE représente une nouvelle façon de faire les choses, avec des coûts bien inférieurs, une plus grande implication commerciale et une tolérance au risque légèrement plus élevée », a déclaré Lillis. « La fiabilité des composants et sous-systèmes individuels s'est améliorée, il est donc possible d'envoyer deux vaisseaux spatiaux sur Mars pour environ un dixième de ce que cela aurait coûté il y a 10 ou 15 ans. »
La mission devait initialement être lancée lors d’une fenêtre d’alignement planétaire à l’automne 2024 à bord du lancement inaugural de la fusée New Glenn. Lorsque cela a été retardé au-delà de la brève fenêtre d'alignement planétaire, ESCAPADE a été reprogrammé pour le deuxième vol de New Glenn cet automne et une toute nouvelle trajectoire vers Mars.
Une fois que les satellites arriveront sur Mars, il leur faudra environ sept mois pour s'installer sur des orbites inférieures synchronisées « de sorte qu'ils soient essentiellement sur la même orbite, se suivant comme une paire de perles sur un fil », a déclaré Lillis.
« C'est important sur le plan scientifique car cela nous permet de surveiller la variabilité à courte échelle du système. Nous ne savons pas de quoi il s'agit pour le moment car les missions précédentes, comme MAVEN et Mars Express en Europe, ont dû attendre l'orbite suivante, environ quatre ou cinq heures plus tard, pour voir quelles sont les conditions dans une région particulière », a déclaré Lillis.
« Lorsque deux engins spatiaux traversent ces régions en succession rapide, nous pouvons surveiller la façon dont ces régions varient sur des échelles de temps aussi courtes que deux minutes et jusqu'à 30 minutes. Avant, nous devions attendre plusieurs heures. Cela nous permettra donc de vraiment faire des mesures que nous n'avons jamais faites auparavant et de caractériser un système très dynamique d'une manière que nous ne pouvions pas caractériser auparavant. «
Les instruments de l'UC Berkeley à bord comprennent deux analyseurs électrostatiques pour mesurer le flux et les énergies des particules (atomes ionisés et électrons) qui s'échappent de Mars.
« Nous saurons dans quelle direction (les particules) vont et quelles énergies elles ont, ce qui nous dira si elles reviennent sur Mars ou si elles peuvent quitter Mars », a déclaré Gwen Hanley, membre de l'équipe scientifique de SSL.
« Nous pouvons en apprendre beaucoup sur la manière dont les particules circulent et sur les champs électriques qui accélèrent les ions et les électrons ainsi que sur l'environnement local de Mars », a ajouté Phyllis Whittlesey, responsable scientifique de l'analyseur électrostatique électronique.
Les scientifiques du Goddard Space Flight Center de la NASA ont fourni un détecteur de champ magnétique, tandis que des chercheurs de l'Université aéronautique Embry-Riddle de Floride ont construit un appareil pour mesurer les particules chargées, ou plasma, autour du vaisseau spatial. Une caméra embarquée de la Northern Arizona University photographiera la poussière et les aurores boréales de la planète.
Malgré tout son intérêt pour Mars, Lillis admet qu’il ne voudrait pas la visiter. Avec une pression atmosphérique extrêmement basse, votre sang bouillirait sans combinaison pressurisée, a-t-il déclaré. Et les gens devraient probablement vivre et travailler sous terre une grande partie de la journée pour minimiser l’exposition au rayonnement cosmique frappant la surface.
« Établir une colonie humaine sur Mars sera certainement un défi », a-t-il déclaré. « Mais tu sais, les humains sont tenaces, non ? »
