(abrégé MMX) est une mission spatiale japonaise en cours de développement dont l'objectif principal est de ramener sur Terre un échantillon de sol de Phobos, un des deux satellites naturels de Mars. Au cours de la mission, la sonde spatiale doit effectuer une étude détaillée de cette lune et Déimos à la fois à distance et in situ (pour Phobos uniquement). La mission doit être lancée en et ramener les échantillons de sol sur Terre vers 2031.

Si la plupart des missions précédentes n'ont fait que survoler les lunes martiennes MMX n'est pas la première à tenter d'effectuer une étude détaillée et de ramener un échantillon de celles-ci sur Terre. Mais les deux missions ayant eu cet objectif , les missions soviético-russes Phobos et Phobos-Grunt, ont été victimes d'anomalies de fonctionnement avant d'atteindre leur but. Le principal objectif scientifique de la mission japonaise est de déterminer si les lunes martiennes sont des astéroïdes capturés par Mars ou s'ils se sont formés par agrégation de matériaux éjectés par la planète à la suite d'un impact géant dans le cadre d'un processus analogue à celui ayant abouti à la formation de notre Lune. Les données collectées pour répondre à cette question permettront par ailleurs d'affiner le scénario de formation des planètes telluriques du système solaire.

Pour accomplir sa mission, MMX comprend un module d'atterrissage emportant un système de prélèvement d'échantillon du sol et un petit astromobile fourni par les agences spatiales française et allemande. La sonde spatiale, dont la masse au lancement dépasse les quatre tonnes, dispose d'une dizaine d'instruments dont plusieurs caméras, un lidar, un spectromètre gamma, un imageur hyperspectral fonctionnant en proche infrarouge et un spectromètre Raman.

Contexte

Lunes de Mars : Phobos et Déimos

Parmi les très nombreux satellites naturels du système solaire, seuls trois d'entre eux orbitent autour de planètes telluriques : la Lune et les satellites de la planète Mars Phobos et Déimos. Ces deux derniers sont des corps célestes de forme irrégulière et de petite taille : le diamètre moyen de Phobos est de tandis que celui de Déimos est de . Alors que Déimos orbite autour de Mars à une distance de son centre de (période orbitale de ), Phobos rase la surface de Mars (distance de soit de la surface ou 1/ de la distance Terre-Lune) ce qui impose une vitesse orbitale très élevée pour le maintien en orbite (période orbitale de ). Elle devrait d'ailleurs s'écraser à la surface de la planète dans une centaine de millions d'années. Les deux lunes sont fortement influencées par les forces de marée exercées par Mars : elles présentent toujours le même hémisphère tourné vers Mars (rotation synchrone) et elles sont déformées par celle-ci. Leur densité est faible. La présence de vides représentant 25 à 35 % du volume ont permis de déduire qu'elles sont constituées d'un amoncellement de blocs. La surface de Phobos est fortement cratérisée et est dominée par le cratère Stickney de de large. Deux autres cratères font de large. Des stries parallèles rayonnant depuis Strickney, longues de et profondes de 5 à , sont peut-être les conséquences de l'impact ayant créé Stickney. D'autre part des sillons rectilignes larges de sont peut-être le résultat des forces de marée ou d'impacts secondaires. Déimos pour sa part comporte plusieurs petits cratères partiellement comblés (les plus importants sont Voltaire et Swift) mais sa surface est nettement plus lisse que celle de Phobos. Les forces de marée et les grands impacts ont moins marqué son évolution.

L'exploration de notre Lune par des engins spatiaux (programme Apollo, Lunokhod) et l'analyse des échantillons de son sol ramenés sur Terre ont permis d'obtenir un grand nombre d'informations et de fixer des contraintes sur le processus de formation et l'évolution de ce satellite mais également de la Terre. Il est probable qu'une étude détaillée de Phobos et de Déimos fournisse des informations tout aussi importante pour notre compréhension du système martien.

Origine non élucidée vignette|Photographie couleur de Phobos. Cliché réalisé par Mars Reconnaissance Orbiter (NASA) le 23 Mars 2008.

L'origine des deux petits satellites de la planète Mars reste à déterminer. Deux théories, basées sur des indices qui se contredisent, s'affrontent. : Selon la première de ces théories les deux satellites sont des astéroïdes qui ont été capturés par la gravité martienne au début de l'histoire du système solaire. Le spectre électromagnétique de la surface des satellites (reflétant la composition de celle-ci), proche de celui des astéroïdes de type C et D, ainsi que l'albédo très faible de ces deux corps vont dans le sens de cette hypothèse. Deux sous-scénarios sont envisagés : ces petits corps sont originaires du système solaire interne et sont à ce titre pauvre en volatils (carbone, hydrogène) ou ils proviennent du système externe auquel cas ils sont riches en volatils ; Selon l'autre théorie ces satellites se sont formés sur place soit en même temps que la planète Mars soit à partir des débris créés par l'impact d'un corps de grande taille sur la surface de la planète. La très faible inclinaison et excentricité des orbites des deux satellites appuient cette interprétation.

Les réponses aux questions soulevées par les scénarios de formation des satellites de Mars peuvent permettre d'améliorer notre compréhension du mode de distribution et de transport des matériaux aux limites extérieures du système solaire interne ainsi que de la formation des planètes : si les satellites sont des astéroïdes capturés, comment les matériaux formant Mars ont été transportés au début de l'histoire du système solaire ? si les satellites se sont formés sur place, quelle est la nature de l'impact géant et quelle influence a eu cet impact sur les débuts de l'évolution de Mars ? est-ce que Déimos a les mêmes origines que Phobos ?

État des lieux de l'exploration spatiale des lunes de Mars

L'étude des satellites de Mars par des missions spatiales s'est limité jusque là dans la majorité des cas à des survols par des engins se plaçant en orbite autour de Mars et dont l'objectif principal était l'étude de cette planète. Les premières images détaillées de Phobos et Déimos ont été réalisées par les sondes spatiales Viking. Celles-ci ont révélé la forme irrégulière de ces petits satellites et leur albédo aussi faible que celui des astéroïdes. Ces observations sont à l'origine de la théorie selon laquelle les satellites de Mars seraient des corps capturés par Mars.

Néanmoins MMX n'est pas la première mission à tenter d'effectuer une étude détaillée des lunes martiennes à distance et in situ et de ramener un échantillon de celles-ci sur Terre. Deux missions soviético-russes ont par le passé tenté de remplir ces objectifs mais se sont toutes deux soldées par un échec partiel ou total : Les deux sondes spatiales du programme Phobos lancées en 1988 comprenaient chacune un orbiteur, un atterrisseur et un petit astromobile. Les deux derniers devaient se poser à la surface de Phobos pour réaliser une étude in situ de la géologie de Phobos. Les deux sondes spatiales seront victimes d'anomalies fatales avant d'avoir pu remplir les objectifs principaux de leur mission : durant son transit entre la Terre et Mars, durant la phase d'atterrissage à la surface de la lune. La sonde spatiale Phobos-Grunt lancée en 2011 devait ramener un échantillon du sol de Phobos sur Terre après une phase d'étude poussée de cette lune. Phobos-Grunt est victime d'une défaillance avant même d'avoir entamé son transit vers Mars .

Le programme spatial japonais d'exploration du système solaire

Au cours des décennies 2000 et 2010 l'agence spatiale japonaise (la JAXA) a acquis une solide expérience dans l'étude des petits corps célestes avec les missions Hayabusa (2003-2010) et (2014-2020) qui ont toutes deux ramené des échantillons du sol d'astéroïdes. Les deux missions ont fourni des informations importantes sur le processus de formation de cette catégorie d'objets célestes et le rôle qu'elles ont pu jouer vis à vis de la Terre en tant que source en eau et matériaux organiques. La mission MMX s'inscrit dans la continuité de ces missions.

En tant qu'orbiteur martien, la mission MMX doit contribuer à accroître l'expérience acquise par l'agence spatiale japonaise dans l'exploration des grands corps célestes avec les missions Kaguya (orbiteur lunaire lancé en 2007), Akatsuki (orbiteur vénusien lancé en 2010). La seule mission japonaise à destination de Mars, Nozomi lancée en 1998, a été victime d'une défaillance avant même d'atteindre la planète.

Architecture de la mission

Pour déterminer l'origine des lunes martiennes et affiner les théories concernant l'évolution de Mars et plus généralement des planètes terrestres situées dans la zone habitable du Système solaire, les concepteurs de la mission MMX ont choisi de privilégier l'étude de Phobos et de ramener des échantillons du sol de cette lune sur Terre. Dans l'idéal, il aurait été souhaitable d'étudier avec le même niveau de détail les deux lunes, mais l'agence spatiale japonaise ne disposant pas du budget pour une telle mission, Phobos a été choisie et ce pour plusieurs raisons : la surface de Phobos a une composition beaucoup plus diversifiée que Déimos ; on y trouve probablement des matériaux éjectés de la surface de Mars par des impacts récents qui pourrait fournir des informations sur l'historique de la formation du socle rocheux de Mars avant la création du cratère ; par ailleurs on dispose de beaucoup plus d'informations sur Phobos, recueillies par les missions précédentes, ce qui a permis d'optimiser les stratégies d'atterrissage et le déroulement des opérations avant le lancement de la sonde spatiale..

Par rapport aux deux missions japonaises précédentes ayant étudié des petits corps célestes et ramené un échantillon de leur sol, Hayabusa et , MMX doit faire face à des conditions très différentes. La sonde spatiale doit effectuer ses observations en subissant à la fois les forces gravitationnelles de Mars et celle beaucoup plus importante de l'objet céleste qu'elle étudie (les astéroïdes étudiés par les missions Hayabusa ont seulement quelques centaines de mètres de diamètre et aucune planète n'est située dans leur voisinage). Au lieu de se maintenir en position au-dessus de la surface en utilisant très peu d'ergols, la sonde spatiale doit se placer autour de Phobos sur une orbite dite de quasi-satellite (QSO)..

Pour réaliser les différents types d'observation de Phobos, la sonde spatiale va circuler successivement sur cinq orbites caractérisées par des altitudes au-dessus du sol de Phobos, décroissantes et situées généralement dans le plan équatorial de cette lune. : QSO-H () ; QSO-M () ; et trois otbites destinées principalement à sélectionner un site d'atterrissage en collectant les données topographiques et la composition du sol : QSO-LA (), QSO-LB () et QSO-LC ().

Objectifs de la mission MMX

Objectifs scientifiques

La mission MMX doit étudier à la fois les lunes de Mars et la planète Mars elle-même. La mission doit ramener sur Terre un échantillon représentant au minimum (plus de ) du sol de Phobos prélevé à une profondeur de sous la surface. L'objectif est d'en collecter au moins .

Les deux objectifs scientifiques de la mission MMX sont : Déterminer l'origine des lunes de Mars et en déduire les contraintes sur le processus de la formation des planètes et le transport des matériaux entre le système solaire interne et externe. Cet objectif se décline de la manière suivante :