thumb|upright=1.5|Schéma des trois composants de la SuperCam : partie optique (en haut à gauche), spectromètres (à droite) et cibles utilisées pour l'étalonnage.
SuperCam est un des sept instruments scientifiques équipant l'astromobile américain Perseverance (mission Mars 2020) qui depuis début 2021 explore la surface de la planète Mars. L'objectif principal de cette mission est de collecter des échantillons du sol susceptibles d'avoir conservé des traces de forme de vie. Les carottes seront ramenées sur Terre pour analyse dans le cadre d'une mission ultérieure. Le rôle de SuperCam est d'effectuer une première analyse à distance (jusqu'à ) de la composition du sol et des roches avoisinantes pour identifier les cibles présentant un intérêt scientifique et fournir le contexte géologique.
SuperCam met en œuvre quatre différentes techniques pour déterminer à distance la composition du sol, des roches et de l'atmosphère : les spectroscopie LIBS et spectroscopie Raman qui déterminent la composition élémentaire et moléculaire en analysant la lumière résultant du bombardement par un laser, la spectroscopie de réflectance visible et infrarouge qui contribue à identifier les minéraux et une caméra couleur qui fournit des informations sur la texture et la morphologie des roches. Enfin SuperCam comprend un microphone.
Supercam est l'héritier de l'instrument ChemCam installé à bord de l'astromobile Curiosity (mission Mars Science Laboratory) qui explore le sol martien depuis 2012. Comme ChemCam il est développé conjointement par l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie (France), qui fournit la tête optique, le laser et le spectromètre infrarouge et le Laboratoire national de Los Alamos (États-Unis) qui fournit les spectromètres Raman et LIBS.
Historique vignette|Positions respectives de la partie optique et du spectromètre infrarouge en tête de mât et des trois autres spectromètres situés dans le corps de l'astromobile.
Le développement de SuperCam débute en lorsque l'instrument est retenu pour faire partie de la charge utile de l'astromobile américain Perseverance (mission Mars 2020) qui doit explorer la surface de la planète Mars à compter de 2021. L'instrument SuperCam est une version fortement améliorée de l'instrument franco-américain ChemCam embarqué sur l'astromobile Curiosity qui explore la surface de Mars depuis 2012. Comme ce dernier SuperCam utilise un laser pour vaporiser à distance la couche superficielle des roches ciblées et générer un plasma. Celui-ci est analysé pour déterminer la composition élémentaire des roches. Mais alors que ChemCam disposait de deux fonctionnalités (spectroscopie LIBS et un imageur noir et blanc) SuperCam comporte cinq fonctionnalités : spectroscopie LIBS, spectroscopie Raman, spectroscopie infrarouge passive, imageur couleur et microphone. Comme pour ChemCam l'instrument est conçu et réalisé conjointement par le LANL américain responsable de trois des spectromètres (Body Unit) et l'institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP) de l'université Paul Sabatier de Toulouse en France qui est le chef de file du sous-ensemble porté par le mât (Mast Unit) comprenant le laser, la partie optique, l'imageur, le spectromètre infrarouge et le micro. La maîtrise d'ouvrage de la participation française est prise en charge par l'agence spatiale française (CNES)... Le responsable scientifique est Roger Wiens de Los Alamos et son adjoint Sylvestre Maurice de l'IRAP.
Le développement de l'instrument et l'analyse des données produites implique environ en France (répartis dans et ), aux États-Unis ainsi que plusieurs personnes en Espagne. Les principaux laboratoires français impliqués sont l'IRAP chef de file et le LESIA. Les deux principaux intégrateurs industriels sont Thales pour le laser et 3D PLUS pour l'imageur. Le cout de la participation française de la conception à l'exploitation des données est d'environ d'euros (coût global de la mission ~ d'euros).
Les concepteurs du Mast Unit confié à la France doivent satisfaire les mêmes contraintes de volume, masse et consommation électrique que pour ChemCam alors que SuperCam comporte de nombreuses fonctionnalités supplémentaires. Les caractéristiques héritées de l'instrument précédent sont finalement réduites. La revue critique de conception de l'instrument (CDR ) est franchie avec succès et la construction du modèle de vol débute. En à un mois de la livraison du Mast Unit au JPL (NASA), le modèle de vol est rendu inutilisable à la suite d'un incident techniqueLors d'une opération de séchage d'un collage de la partie optique dans une étuve de l'IRAP, la température dépasse accidentellement les 50°C autorisés pour ce composant.. Les équipes doivent reconstruire et tester un nouveau modèle de vol en six mois. Celui-ci s'avère plus performant que le premier exemplaire grâce à des modifications dans le traitement du miroir qui permettent d'améliorer ses performances au froid. Le modèle de vol est livré au Jet Propulsion Laboratory (établissement de la NASA chargé de la mission) en . Les tests d'intégration qui ont lieu d'abord au JPL puis au centre spatial Kennedy s'achèvent en . L'astromobile est lancé dans l'espace le et atterrit sur le sol de Mars le . Après une recette qui va de février à , l'astromobile commence sa mission scientifique..
Principes de fonctionnement
La caractéristique la plus notable de SuperCam est l'utilisation d'un laser pour analyser à distance (jusqu'à ) la composition du sol et des roches situées à proximité de l'astromobile. Le faisceau laser envoie de brèves impulsions de lumière d'une durée de sur une petite fraction du sol. Leur énergie vaporise la roche et produit un plasma dont la lumière est recueillie par le télescope de l'instrument doté d'une optique de . Cette technique active est utilisée pour effectuer de la spectroscopie LIBS et Raman. Par ailleurs l'instrument permet des observations passives grâce à un spectromètre de réflectance en lumière visible et proche infrarouge et un imageur disposant d'un fort pouvoir de grossissement qui fournit le contexte de l'analyse effectuée. La lumière produite par les trois méthodes de spectroscopie est analysée par quatre spectromètres qui fournissent un spectre pouvant s'étendre selon les méthodes de l'ultraviolet () à l'infrarouge proche ().
Fonctionnalités de SuperCam vignette|upright=1.5|Utilisation successive sur Mars des spectromètres LIBS (rayon laser rouge) et RAMAN (rayon laser vert) de l'instrument SuperCam (vue d'artiste).
Spectroscopie LIBS
Le spectromètre LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) est une version améliorée du LIBS de ChemCam. L'instrument utilise le laser dans la longueur d'onde (laser rouge) pour, in fine, identifier et quantifier les éléments chimiques présents dans la roche à une distance allant jusqu'à . Le spectromètre analyse la lumière de l'excitation rayonnée, dans la gamme du visible, débordant largement dans l'ultraviolet d'un côté, et de l'autre, dans la gamme dite du proche infra-rouge, au total, une bande spectrale allant de (UV) à (proche infra-rouge), et ce avec une résolution variable allant de 0,09 à . À l'issue de la mesure physique, une chaîne de traitement des données spectrales fournit une composition dite élémentaire, le plus souvent en termes de pourcentages pondéraux des divers oxydes d'éléments chimiques, selon l'usage en pétrologie.
Cette technique de spectroscopie permet de déterminer les éléments chimiques majeurs (oxygène, sodium, magnésium, aluminium, silicium, potassium, calcium, fer) ainsi que certains éléments mineurs ou sous forme de trace (soufre, phosphore, hydrogène, azote, titane, chrome, nickel, cuivre, zinc, rubidium, arsenic, cadmium, plomb, fluor , chlore, lithium, strontium, baryum.
Spectroscopie de réflectance visible et infrarouge VISIR vignette|Gros plan sur la tête de mât et la partie optique de l'instrument SuperCam. vignette|Boitier situé dans la tête de mat contenant la partie optique de l'instrument : laser, le télescope et la caméra.
Le spectromètre infrarouge passif VISIR () fourni par le Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique n'analyse pas le plasma généré par les impacts laser mais exploite la lumière réfléchie par la lumière sur le terrain. Il fournit des spectres en lumière visible-proche infrarouge (400-) et en proche infrarouge (1,3-) qui permettent d'identifier en particulier les argiles. Le spectre est obtenu à l'aide d'un filtre à dispersion acousto-optique dérivé des instruments CRISM (Mars Reconnaissance Orbiter) et OMEGA (Mars Express). La portée de l'instrument est de .
les minéraux détectés par cette technique de spectroscopie sont des silicates (pyroxènes, olivine, serpentines, smectite, talc, kaolinite, zeolites), des sulfates (mono et poly-hydratés), des carbonates, des composés d’intérêt astrobiologique (borates, nitrates et phosphates), des molécules d’eau (adsorbées, interstitielles, glaces) et des sels hydratés.
Spectroscopie Raman / fluorescence
Le spectromètre Raman / Fluorescence TRR/L () utilise le laser dans la longueur d'onde (vert) pour faire vibrer les molécules. Une faible fraction de la lumière interagit avec les molécules et change de longueur d'onde. Ce « signal Raman » est très faible et il faut l'intensifier. Il est analysé par le spectromètre et permet d'identifier les minéraux et les molécules présentes dans la cible. L'information fournie est complémentaire de celle produite par le spectromètre infrarouge décrit ci-dessous. Pour ce type d'analyse la portée du laser est de .
Les minéraux détectés par cette technique de spectroscopie sont les mêmes que ceux observés en infrarouge de réflectance avec toutefois une meilleure sensibilité aux organiques et une zone analysée beaucoup plus petite.
Micro-imageur couleur RMI
Le micro-imageur RMI (Remote Micro-Imager) est une caméra en couleurs à résolution spatiale élevée, placée derrière le télescope Schmidt-Cassegrain (ouverture de et longueur focale de ), qui peut produire une image microscopique centrée sur la zone visée par le laser en fournissant des éléments de contexte géologique : texture de la roche et dans le cas d'un sol, des caractéristiques comme son hétérogénéité, sa structure et sa cohésion. La caméra est également utilisée pour effectuer des mesures des caractéristiques de l'atmosphère : profils verticaux, propriétés de la vapeur d'eau en suspension ainsi que d'autres gaz, poussière et particules de glace d'eau en suspension. Le champ de vue est de et la résolution spatiale qui est supérieure à couvre et permet de distinguer des détail de à une distance de . RMI permet de prendre des images jusqu'à l'infini. La caméra dispose d'un autofocus qui peut utiliser une des deux techniques suivantes : détection par une photodiode de la réflexion sur la cible à photographier du rayon laser fonctionnant en continu ou, méthode privilégiée, prise de plusieurs photos successives de la cible avec des ouvertures différentes et détermination de l'ouverture optimale par un logiciel analysant le contraste des images résultantes. Plusieurs fonctions peuvent être mises en œuvre lors de la prise d'image : réalisation de quatre images avec des ouvertures différentes, fusion d'images prises avec des distances focales différentes, fusion de photos prises avec des temps d'exposition différentes pour améliorer la plage dynamique (HDR). L'image panchromatique est obtenue par la caméra CASPEX () comprenant un détecteur CMOS CMV4000 de de la société AMS CMOSIS équipé de filtres colorés et de micro-lentilles au-dessus de chaque pixel L'ensemble de l'électronique et le détecteur sont empilés dans un ensemble cubique compact réalisé par la société 3D PLUS.
Microphone