Mars Express

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Mars Express est une sonde spatiale de l'Agence spatiale europeenne (ESA) lancee le 2 juin 2003 pour etudier la planete Mars. Il s'agit de la premiere mission d'exploration d'une autre planete du systeme solaire lancee par l'Agence europeenne. Sa mission est de recueillir des donnees sur la surface, l'atmosphere, l'ionosphere et le sous-sol de la planete. La sonde comprend un orbiteur et un petit atterrisseur, Beagle 2, charge de se poser sur la surface et de deceler d'eventuelles traces de vie.

Mars Express est developpee dans un laps de temps relativement court en reprenant en partie l'architecture de la sonde Rosetta tandis que cinq des sept instruments ont ete developpes pour la sonde russe Mars 96. Elle est lancee le 2 juin 2003 par une fusee Soyouz et se place en orbite autour de Mars le 25 decembre de la meme annee. Toute trace de Beagle 2 est perdue peu apres sa separation avec la sonde principale.

Mars Express a obtenu de nombreux resultats scientifiques : determination de la nature des calottes polaires et estimation du volume d'eau stockee, composition de l'atmosphere martienne et interactions de celle-ci avec le vent solaire, observation du cycle saisonnier de l'eau, cartographie tridimensionnelle des reliefs, detection de mineraux hydrates prouvant la presence par le passe d'eau sur de longues periodes a la surface et cartographie des regions concernees, detection de presence d'eau a l'etat liquide sous la calotte glaciaire du pole sud. La mission, d'une duree initiale de 23 mois, a ete prolongee a plusieurs reprises.

Principales caracteristiques de Mars Express comparees a celles de Venus Express^[1]

	Mars Express	Venus Express
Masse au lancement	1 042 kg	1 270 kg
Masse a vide	680 kg	730 kg
Cout	280 millions EUR	220 millions EUR
Instruments scientifiques	7	7
Masse instruments scientifiques	116 kg	93 kg
Duree de la mission primaire	689 j.	500 j.
Volume de donnees produit	0,5-5 gigaoctets/jour

La mission spatiale martienne russe Mars 96 est realisee en 1996 avec une forte participation europeenne concretisee par la realisation de cinq des instruments scientifiques. La destruction de la sonde spatiale a la suite d'une defaillance de son lanceur Proton est un coup dur pour les scientifiques europeens. La Russie, en pleine crise financiere, n'a pas les moyens de construire une copie de Mars 96 et il n'est pas envisageable d'embarquer un nombre aussi important d'instruments a bord des missions americaines en developpement. Fin 1996, l'agence spatiale francaise, le CNES, etudie la realisation d'un orbiteur de petite taille reposant sur l'utilisation de sa plateforme Proteus pour mini-satellite capable d'embarquer environ 100 kg de charge utile, les cinq experiences scientifiques (spectrometre et experience d'occultation francaise, camera a haute resolution allemande, spectrometre de Fourier italien et spectrometre a ions suedois). Cette mission baptisee Mars 2001 est initialement un projet des agences spatiales francaise et allemande. L'Agence spatiale europeenne, influencee par la mise en place des missions d'exploration du systeme solaire a bas cout de la NASA (programme Discovery) decide de s'en inspirer avec la creation des missions "flexi" (flexibles) a petit prix. La reduction des couts repose sur une structure de management simplifiee, la selection en amont d'instruments scientifiques deja existants et la delegation aux industriels de responsabilites plus importantes^[2].

Le cout des missions "flexi" est plafonne a 175 millions d'euros, mais est reduit a 150 millions pour la mission martienne car tous les instruments scientifiques sont deja disponibles. Le projet, baptise Mars Express, est la premiere mission spatiale a destination de Mars de l'Agence spatiale europeenne. Mars Express doit emporter les cinq instruments de Mars 96 ainsi que deux petits atterrisseurs de 150 kg. L'un des deux est finalement abandonne au profit d'un radar italo-americain qui doit etudier les couches de glace enfouies dans le sous-sol. Debut 1997, le conseil scientifique de l'agence approuve le developpement de la mission. A l'issue d'une phase d'etude, le projet est confirme par ce conseil scientifique en novembre 1998 sous reserve que les moyens budgetaires necessaires ne soient pas obtenus au detriment des autres missions en cours de developpement. La fabrication de l'orbiteur est confiee a l'industriel Matra Marconi Space (devenu par la suite Astrium) pour un cout de 60 millions EUR. En decembre 1997, l'ESA lance un appel d'offres pour la conception de l'atterrisseur. Trois projets sont proposes respectivement par le Royaume-Uni, l'Allemagne et la Russie, la France et la Finlande (NetLander). Au cours de l'ete 1998, la proposition britannique est retenue : l'atterrisseur est baptise Beagle 2 en hommage au navire de Charles Darwin. Le projet Mars Express est definitivement approuve le 19 mai 1999 avec un objectif de lancement en 2003. A cette date, les positions respectives de la Terre et de Mars permettent de realiser le transit dans des conditions exceptionnellement favorables qui ne se reproduisent que tous les quelques milliers d'annees^[3].

Les objectifs de la mission sont^[4] :

• dresser une carte en couleur et en relief de la surface de la planete avec une resolution de 10 metres par pixel et pour des zones choisies de 2 metres par pixel ;
• realiser une carte fournissant la composition mineralogique de la surface avec une resolution de 100 metres par pixel ;
• localiser a l'aide d'un radar la presence d'eventuelles poches d'eau ou de glace dans le sous-sol de Mars ;
• determiner la composition de l'atmosphere et les processus en jeu : echanges avec la surface, le vent solaire et le milieu interplanetaire ;
• determiner le champ de gravite de la planete et les proprietes dielectriques de la surface de la planete ;
• identifier des traces de vie passees ou presentes (atterrisseur Beagle 2).

La sonde a ete lancee en 2003 pour profiter d'une configuration particulierement propice qui ne se reproduit que tous les 15 a 17 ans et qui permet a la sonde de rejoindre Mars en 7 mois au lieu des 9 a 12 mois habituels. Cinq jours avant de manoeuvrer pour s'inserer en orbite autour de Mars, l'atterrisseur Beagle 2 est largue sur une trajectoire qui doit lui permettre d'effectuer une rentree atmospherique dans la planete. La sonde utilise peu apres son moteur principal pour s'inserer apres plusieurs manoeuvres sur une orbite polaire elliptique (250 x 10 142 km) d'inclinaison 86deg35' qu'elle parcourt en 6,75 heures^[5]. Il aurait ete preferable que l'orbite soit circulaire pour etablir des cartes. Pour cela, il aurait fallu soit embarquer beaucoup plus de carburant avec une augmentation sensible du cout de la mission ou avoir recours a l'aerofreinage mais seule la NASA maitrise cette technique tres delicate mise en oeuvre par Mars Global Surveyor et Mars Odyssey^[6].

La duree nominale de la mission de l'orbiteur etait d'une annee martienne, soit 687 jours terrestres, et elle devrait ainsi prendre fin le 30 novembre 2005. La prolongation de la mission d'une annee martienne jusqu'au 31 octobre 2007 est prevue des le depart car un surplus de carburant a ete emporte^[7].

L'atterrisseur Beagle 2 doit se poser sur Isidis Planitia, un bassin sedimentaire qui pourrait avoir preserve les traces d'une eventuelle vie. Le lieu d'atterrissage (11,6degN, 90,75degE) a ete egalement choisi car il est situe a une altitude suffisamment basse pour permettre de limiter l'epaisseur de l'isolation thermique necessaire, donc sa masse, et assez dans une atmosphere assez dense pour que les parachutes le freinent efficacement. Le site n'est pas trop rocheux et comporte peu de deniveles importants ce qui limite le nombre de rebonds qu'aura a subir Beagle 2 sur ses coussins gonflables (<< airbags >>). Le tout reduit les risques a l'atterrissage^[7].

Ventilation de la masse de Mars Express par composant^[8]

Abreviation	Composant	Masse (kg)
Masse seche		493
HRSC	Camera stereoscopique	21,2
PFS	Spectrometre infrarouge	33,4
OMEGA	Spectro-imageur	28,8
MARSIS	Radar	12
ASPERA	Analyseur gaz rares et ionises	?
SPICAM	Spectrometre ultraviolet et infrarouge	4,9
Masse instruments scientifiques		113
Atterrisseur		60
Ergols		457
Masse totale		1 120

Le corps de la sonde spatiale a la forme d'un parallelepipede de 1,5 x 1,8 x 1,4 m, sur lequel se greffent les differents equipements externes. Sur une de ses faces est placee une antenne parabolique grand gain et sur deux autres, les deux panneaux solaires. La structure est realisee en nid d'abeille d'aluminium. Sa masse au decollage etait de 1 052 kg, dont 427 kg de carburant et 60 kg pour l'atterrisseur Beagle 2. Le contractant principal de Mars Express est la societe EADS Astrium, a Toulouse. Le lancement a ete effectue par la societe russo-europeenne Starsem, chargee de la commercialisation des lanceurs Soyouz.

L'energie electrique est fournie par deux panneaux solaires qui se deploient peu apres que la coiffe du lanceur Soyouz a ete ejectee. Ils ont une surface totale de 11,42 m² et fournissent 650 watts lorsque Mars se trouve a son point le plus eloigne du Soleil. Cette capacite est suffisante pour la consommation de l'instrumentation scientifique et des equipements charges de maintenir la sonde en etat de marche, qui culmine a 500 watts durant les echanges de donnees avec la Terre. Les panneaux solaires sont orientables pour maintenir leur surface perpendiculaire aux rayons du Soleil. En parcourant son orbite, la sonde subit periodiquement des eclipses de Soleil d'une duree de 90 minutes, durant lesquelles trois batteries lithium-ion, d'une capacite totale de 67,5 Ah prennent le relais^[9].

Le moteur-fusee principal de Mars Express est utilise pour placer la sonde sur son orbite martienne. Il consomme des ergols liquides contenus dans deux reservoirs de 267 litres. Le melange est mis sous pression grace a un reservoir d'helium pressurise de 35 litres, et fournit une poussee de 400 newtons. Pour les corrections de trajectoire, la sonde dispose de huit petits moteurs-fusees pouvant delivrer une poussee de 10 newtons, et qui sont fixes aux quatre coins de la plateforme de la sonde. Ils utilisent les memes carburants que le moteur principal. En cas de defaillance du propulseur principal, ces petits propulseurs pouvaient egalement etre utilises pour placer Mars Express en orbite autour de Mars, sans toutefois lui permettre d'atteindre son orbite de travail. Le developpement de ces moteurs d'appoint a ete realise dans le cadre de la mission Cluster^[9].

Mars Express est stabilise 3 axes. Pour ses communications avec les stations sur Terre, la precision du pointage doit etre de 0.15deg. Celle-ci est obtenue a l'aide de plusieurs equipements :

• deux senseurs stellaires, dont les capteurs sont analogues a de petits telescopes, qui permettent de determiner l'orientation de la sonde en identifiant automatiquement les configurations d'etoiles visibles ;
• trois gyrometres a fibre optique (un pour chaque axe de la sonde), developpes pour la sonde Rosetta et qui determinent les vitesses de rotation radiales de la sonde ;
• deux senseurs solaires, egalement developpes pour Rosetta, qui sont utilises par la sonde pour s'orienter par rapport au Soleil, juste apres le lancement et si la sonde subit une desorientation importante.

Les petites corrections d'orientation sont effectuees a l'aide de roues de reaction : ces equipements sont utilises pour controler l'orientation lorsque la sonde fait fonctionner ses moteurs ou pour maintenir l'antenne ou les instruments scientifiques pointes vers leur cible tout au long de l'orbite^[10].

Lorsque la sonde spatiale Mars Express entame son transit vers Mars, elle utilise une antenne faible gain de 40 cm de diametre, placee sur l'une des faces de la plateforme. Pour ses echanges de donnees avec la Terre, la sonde dispose d'une antenne parabolique grand gain de 1,6 metre de diametre. Lorsqu'elle circule sur son orbite autour de Mars, sa periode orbitale est de 7,5 heures. La sonde spatiale pointe son antenne durant 6 heures vers la Terre, ce qui lui permet d'envoyer et de recevoir des donnees. Durant l'heure et demie restante, la sonde pointe son antenne vers la surface de Mars, ce qui permet aux instruments scientifiques de collecter leurs donnees. Durant cette phase, elle peut relayer vers la Terre des donnees venues du sol martien, qu'elle recueille grace a deux antennes UHF. Ce dispositif, prevu pour recuperer les donnees scientifiques de Beagle 2, a ete utilise pour communiquer avec les rovers MER de la NASA. Le systeme de telecommunication utilise la bande X (7,1 GHz) pour envoyer des donnees vers la Terre, avec un debit qui peut atteindre 230 kbit/s, et la bande S pour recevoir des instructions. Lorsque les donnees ne peuvent pas etre envoyees immediatement aux stations terrestres, elles sont stockees provisoirement dans une memoire d'une capacite de 12 gigabits^[10].

La majeure partie des composants internes de Mars Express doivent etre maintenus a une temperature comprise entre 10 et 20 degC. Cette temperature est obtenue grace aux couches de materiau isolant, realise en alliage d'aluminium recouvert d'une mince couche d'or, qui entourent le corps de la sonde spatiale. Certains equipements, tels que les panneaux solaires et l'antenne grand gain, ne peuvent pas etre proteges et sont portes a des temperatures de 150 degC, lorsqu'ils sont exposes au Soleil, et a -100 degC lorsqu'ils se trouvent a l'ombre. Dans ces conditions, il est important qu'ils ne se deforment pas lorsque la temperature varie : a cet effet, ils sont realises en composite carbone. Les instruments PFS et OMEGA doivent etre maintenus a une temperature de -180 degC, et les capteurs des cameras doivent egalement rester a une temperature extremement basse. Ces equipements sont isoles du reste de la sonde et sont relies a des radiateurs situes sur une face qui n'est pas exposee au Soleil, ce qui permet d'evacuer la chaleur dans l'espace, dont la temperature est de -270 degC^[11].

La charge utile de l'orbiteur est constituee de sept instruments, d'une masse totale de 116 kg :

1. ASPERA (Analyser of Space Plasmas & EneRgetic Atoms) est un instrument qui permet d'analyser les particules chargees et neutres autour de la planete Mars. L'objectif est de comprendre comment les particules du vent solaire interagissent avec l'atmosphere martienne, et par quel mecanisme le vent solaire ejecte les particules de l'atmosphere dans le milieu interstellaire. Il est developpe par l'Institut suedois de physique spatiale de Kiruna^[12], avec une participation francaise ;
2. HRSC (High Resolution Stereo Camera) est une camera produisant des images en trois dimensions en couleur a haute resolution (de 10 metres par pixel pouvant aller jusqu'a 2 metres par pixel). Elle est fabriquee par l'Universite libre de Berlin et la DLR. HRSC cartographie la surface de Mars. Par stereographie, la camera est egalement capable de fournir des donnees topographiques et ainsi permettre la realisation de Modeles Numeriques de Terrain (MNT) avec une precision superieure a celle de Mola, le laser altimetre americain embarque sur MGS^[13] ;
3. OMEGA (Observatoire pour la Mineralogie, l'Eau, les Glaces et l'Activite) est un spectrometre operant dans le proche infrarouge et les micro-ondes (gamme de longueurs d'onde de 350 um a 5,1 um). Il etudie la composition mineralogique de la surface et la distribution de certains composes de l'atmosphere, et a ete concu par l'Institut d'astrophysique spatiale d'Orsay^[14] ;
4. PFS (Planetary Fourier Spectrometer) est un spectrometre infrarouge developpe par l'Institut de physique de l'espace interplanetaire de Rome (Italie), optimise pour l'etude des differents composants de l'atmosphere martienne que sont le dioxyde de carbone (95 %), l'eau, le monoxyde de carbone, le methane et le formaldehyde^[15] ;
5. MaRS (Mars Radio Science) est un instrument de l'universite de Cologne de radioscience, utilisant le systeme radio de l'orbiteur pour etudier par occultation radio l'ionosphere, l'atmosphere, la surface et le sous-sol de Mars^[16] ;
6. MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding) est un radar destine a la detection de presence d'eau sous forme liquide ou solide sous la surface martienne, jusqu'a une profondeur de 3 a 4 km. Il est realise par l'universite de Rome << La Sapienza >>^[17] ;
7. SPICAM (SPectroscopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere of Mars) est un spectrometre operant dans l'ultraviolet et l'infrarouge, mesurant le taux d'ozone et de vapeur d'eau de l'atmosphere. Il est concu par le service d'aeronomie du CNRS de Verrieres-le-Buisson en France^[18].

Le controle de la mission est assure par le Centre europeen d'operations spatiales (ESOC). La salle de controle, nommee << salle de controle des missions planetaires >> (en anglais Planetary missions control room), est partagee avec les missions Rosetta et Venus Express. L'equipe de controle est constituee d'un manager des operations (Spacecraft Operations Manager), de 8 ingenieurs d'operations (Spacecraft Operations Engineers), de 3 planificateurs (Mission Planners), d'un analyste (Spacecraft Analyst) et de 5 controleurs (Spacecraft Controllers) ; formee 4 ans avant le lancement, elle utilise le logiciel SCOS-2000. Celle-ci est secondee par plusieurs autres equipes, chargees par exemple du support informatique ou du calcul de la trajectoire.

L'atterrisseur est controle par l'agence spatiale Britannique au LOCC (Lander Operations Control Centre), depuis Leicester.

La sonde passe une partie de chaque orbite tournee vers Mars et une partie tournee vers la Terre, pour transmettre a 230 kbit/s les informations collectees (entre 0,5 et 5 Go par jour), comme Venus Express^[19]. Apres 6 mois environ, les donnees scientifiques sont transmises au Centre europeen d'astronomie (ESAC) et stockees dans le Mars Express science data archive. Les antennes utilisees pour communiquer avec la sonde sont celles de New Norcia, en Australie, et de Cebreros en Espagne^[20] ; toutes deux mesurant trente-cinq metres de haut et etant concues pour pouvoir communiquer avec les sondes les plus eloignees.

Beagle 2 est un atterrisseur de tres petite taille (68,8 kg) pour pouvoir etre lance par le lanceur Soyouz avec la sonde Mars Express. Il a la forme d'une soucoupe de 92,4 cm de diametre et de 52,4 cm de haut^[21]. Il comporte^[22] :

• un bouclier avant et arriere charge de le proteger durant la rentree atmospherique a grande vitesse ;
• un parachute et des coussins gonflables (<< airbags >>) qui doivent lui permettre de se poser intact sur le sol martien ;
• la capsule destinee a arriver sur le sol qui renferme les instruments scientifiques et l'equipement qui doit permettre de survivre et de transmettre les donnees recueillies.

Cette derniere a un diametre de 64 cm pour une hauteur de 23 cm et pese 33,2 kg^[21]. Elle renferme un bras mobile sur lequel sont fixes les instruments : une meuleuse, une foreuse qui permet de prelever un echantillon de sol jusqu'a 3 metres de l'atterrisseur, une paire de cameras, un microscope, un spectrometre Mossbauer et un spectrometre a rayons X. Un spectrometre de masse installe au sein de la capsule est charge de mesurer les proportions des differents isotopes de carbone dans l'echantillon de sol ramene par le bras : ces analyses doivent permettre de determiner si l'echantillon contenait les restes d'organismes vivants. Enfin, plusieurs capteurs doivent permettre de mesurer les caracteristiques de l'environnement : temperature, pression, vent, poussiere, flux ultraviolet. La charge utile est extremement miniaturisee puisque sa masse totale est de 11,4 kg^[23].

Une fois la capsule parvenue sur le sol martien, la capsule s'ouvre comme une huitre et deploie quatre panneaux solaires a l'arseniure de gallium qui fournissent 87 watts lorsque le Soleil est au plus haut. L'energie electrique est stockee dans une batterie lithium-ion^[24]. Une antenne installee dans le couvercle de la capsule permet de communiquer avec un debit de 2 a 128 kbit par seconde avec la Terre par l'intermediaire de l'orbiteur^[25].

Mars Express est lancee le 2 juin 2003 a 17 h 45 UTC par un lanceur Soyouz dote d'un 4^e etage superieur Fregat depuis le Cosmodrome de Baikonour au Kazakhstan. La sonde et l'etage superieur sont places d'abord sur une orbite d'attente de 200 km puis 1 heure 20 plus tard l'etage Fregat est rallume et injecte la sonde sur une orbite de transfert vers Mars. Mars Express entame un periple de 400 millions de km en s'eloignant de la Terre a 3 km/s mais avec une vitesse de 32,4 km/s dans le referentiel heliocentrique. La trajectoire de la sonde et sa vitesse sont alors etablies avec precision en mesurant le temps mis par des signaux emis par plusieurs stations au sol pour etre renvoyes. Deux jours apres le lancement, le 4 juin, les petits moteurs-fusees de Mars Express sont utilises pendant quelques minutes pour affiner la trajectoire. Au cours du premier mois du transit vers Mars, le fonctionnement des instruments scientifiques est verifie puis ceux-ci sont eteints. Durant le reste du transit vers Mars, la sonde poursuit sa route en envoyant regulierement des donnees permettant au controle au sol de verifier son fonctionnement. A deux reprises, la camera HSRC est activee pour prendre en photo la Terre et la Lune puis de Mars a chaque fois a une distance de 5,5 millions de km. Une deuxieme manoeuvre de correction a lieu en septembre. En novembre, un mois avant le rendez-vous avec Mars, la sonde utilise ses petits moteurs-fusees pour modifier sa trajectoire de maniere que l'atterrisseur Beagle qui est depourvu de propulsion puisse atteindre Mars et se poser sur le site vise. Le 19 decembre 2003, cinq jours avant le rendez-vous avec Mars, le module Beagle 2 est desolidarise de la sonde par un dispositif pyrotechnique et s'eloigne, repousse par un mecanisme qui comprend un ressort et qui met l'atterrisseur en rotation pour stabiliser sa trajectoire^[8],[26].

Le 20 decembre, la sonde effectue une petite correction de trajectoire. Le 25 decembre, la propulsion principale est utilisee durant 37 minutes et freine la sonde de 1,3 km/s pour l'inserer sur une orbite elliptique de 250 x 150 000 km avec une inclinaison de 25deg. Les jours suivants, de petites corrections sont apportees a cette orbite puis le 30 decembre, une correction plus importante place la sonde sur son orbite de travail : c'est une orbite polaire avec une inclinaison de 86deg, un perigee de 298 km et un apogee de 10 107 km. Sur l'orbite choisie, la sonde effectue un passage proche de Mars en longeant la surface d'un pole a l'autre durant lequel elle fait fonctionner ses instruments scientifiques puis elle s'eloigne de Mars et apres avoir tourne son antenne vers la Terre, envoie les donnees recueillies. La premiere phase dure de 0,5 a 1 heure tandis que la periode de communications avec la Terre s'etale sur 6,5 a 7 heures. A chaque nouvelle passe, la sonde longe une latitude legere differente : la distance entre les traces au sol de deux passages est legerement inferieure a la largeur du balayage de la camera haute definition^[8],[27].

L'atterrisseur Beagle 2 ne dispose pas pour des raisons de poids d'equipements radio lui permettant d'envoyer des donnees sur sa situation apres sa separation avec l'orbiteur. La premiere emission radio doit etre emise apres son atterrissage sur le sol martien qui doit se produire le 25 decembre a 3 h 40. La sonde Mars Odyssey qui doit survoler le site vers 5 h 30 dispose d'un equipement de reception radio lui permettant de recevoir le signal de Beagle 2. Aucun signal ne sera capte par Mars Odyssey lors de son passage ni plus tard^[28],[29].

Le 23 janvier 2004, la sonde confirme l'existence d'eau sous forme de glace au pole sud grace aux instruments << Omega >> et << Spicam >>.

Lors de la conception de SHARAD, une version amelioree du radar MARSIS qui sera embarque a bord de Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), des simulations informatiques ont mis en evidence que le deploiement de MARSIS pourrait endommager la sonde en se deployant trop rapidement. Il a donc ete decide en avril 2004 de reporter la mise en service de MARSIS. Apres enquete, le deploiement des 3 antennes radar constituant MARSIS se fait avec plus d'un an de retard, le 17 juin 2005. Mais apres l'echec de nombreuses missions martiennes (Mars 96, Mars Climate Orbiter, Mars Polar Lander et Nozomi), l'ESA ne voulait prendre aucun risque avec une mission qui avait fait jusque-la un quasi-sans faute. Le radar a ete mis en fonction le 19 juin et, apres une periode de tests, il devrait^{[Quoi ?]} commencer ses premieres veritables observations scientifiques le 4 juillet.

Le 13 septembre 2005, une commission d'enquete est creee pour faire la lumiere sur la cause du mauvais fonctionnement du spectrometre PFS depuis plusieurs mois. Des vibrations de la sonde dues a son activite ont ete avancees pour expliquer la cause du mauvais fonctionnement, sans pouvoir en determiner l'origine avec precision.

Le 3 mars 2010, la sonde europeenne est passee a 67 km de Phobos. L'objectif de ce passage a basse altitude etait la mesure precise du champ de gravite tres faible de Phobos.

La mission de Mars Express d'une duree de 2 ans, ce qui correspond a une annee martienne, a ete prolongee a plusieurs reprises du fait du bon etat du satellite et de ses instruments ainsi que de la qualite des donnees scientifiques produites. Le 28 septembre 2005, l'ESA annonce une premiere prolongation de 687 jours^[30]. Une deuxieme prolongation est annoncee le 28 fevrier 2007^[31], ce qui porte la fin de la mission a mai 2009. Une nouvelle prolongation est decidee en fevrier 2009 jusqu'a la fin de cette meme annee mais le 2 octobre 2009, le Comite de Programme Scientifique de l'ESA prolonge la mission MARS EXPRESS jusqu'au 31 decembre 2012 puis en novembre 2012 de deux nouvelles annees. Le 19 novembre 2014, la mission est de nouveau prolongee avec 5 autres missions scientifiques de 2 ans jusqu'au 31 decembre 2016^[32]. Le 22 novembre 2016, la mission est de nouveau prolongee avec 9 autres missions scientifiques de 2 ans jusqu'au 31 decembre 2018^[33]. Fin 2017, la mission devait s'achever fin 2020^[34]. Fin 2018 est annoncee une nouvelle extension de la mission jusque 2022^[35]. En mars 2023, est annoncee une nouvelle extension de la mission jusqu'en 2026, voire possiblement jusqu'en 2028.

Malgre la modicite du cout de la mission, Mars Express a produit un grand nombre de resultats significatifs sur le plan scientifique. Les plus accessibles sont les photos en trois dimensions spectaculaires des canyons, anciennes vallees fluviales, crateres d'impact et des calottes polaires.

Le spectrometre OMEGA est le premier instrument a avoir detecte la presence de mineraux hydrates a la surface de la planete. Ces mineraux prouvent que, non seulement l'eau a circule a la surface de la planete comme on le savait deja a travers differents indices comme la presence de chenaux et de deltas, mais que l'eau a ete presente sur des periodes suffisamment longues pour permettre la formation de roches minerales. L'instrument qui dispose d'une resolution de 5 a 10 km a detecte au cours des 10 premieres annees de la mission la presence de larges surfaces separees les unes des autres recouvertes de deux types de mineraux hydrates^[36] :

• des phyllosilicates (comme l'argile) resultant de la decomposition de roches a la suite de contacts prolonges avec de l'eau. Ce type de terrain a ete cartographie principalement dans les regions d'Arabia Terra, de Terra Meridiani, de Syrtis Major, de Nili Fossae et Mawrth Vallis sous la forme de depots de couleur sombre et de reliefs erodes ;
• des sulfates hydrates qui se forment au contact d'eaux acides. Les regions recouvertes de ce type de mineral se situent a Valles Marineris, sur de grandes surfaces situees a Terra Meridiani et dans les dunes sombres de la calotte polaire nord.

La camera HRSC a mis en evidence des formations geologiques d'origine glaciaire recentes situees aux latitudes moyennes et dans les regions tropicales : ces cones de dejection ont ete formes par l'ecoulement de materiaux fluides riches en glace^[37].

Les mesures effectuees par les engins spatiaux jusqu'a l'arrivee de Mars Express avaient permis de determiner que la calotte polaire nord etait composee principalement de glace d'eau tandis que la calotte polaire sud, plus froide, etait composee principalement de glace de dioxyde de carbone avec peut-etre de la glace d'eau. L'instrument OMEGA de Mars Express, en mesurant la proportion de la lumiere du Soleil et de la chaleur reflechie par la calotte, a permis d'evaluer que celle-ci etait composee a 85 % de dioxyde de carbone et a 15 % de glace d'eau. Les flancs escarpes de la calotte qui marquent la limite avec les plaines environnantes sont faites de glace pure. OMEGA a egalement permis de decouvrir que les couches superficielles des plaines environnantes etaient un melange de glace d'eau et de sol (pergelisol). Il se pourrait qu'une quantite d'eau beaucoup plus importante que prevu soit ainsi stockee dans le sol de Mars. Le radar MARSIS de la sonde spatiale a permis d'evaluer l'epaisseur des deux calottes polaires qui est evaluee a environ 3,5 km^[38].

Des observations effectuees entre 2012 et 2015 a l'aide du radar embarque MARSIS ont ete longuement analysees. En juillet 2018 l'equipe scientifique de Mars Express annonce, en se basant sur ces donnees, qu'un lac d'eau a l'etat liquide d'environ 20 km de diametre a ete decouvert sous une couche de glace de Planum Australe^[39],[40]. Malgre la temperature tres basse (-74 degC), l'eau serait maintenu a l'etat liquide grace a sa saturation en sel. Toutefois la resolution spatiale du radar MARSIS (5 kilometres) semble un peu juste a certains scientifiques pour permettre d'etre completement affirmatif quant a la presence d'eau liquide^[41].

Le volcanisme a joue un role majeur dans l'evolution de la surface de Mars. Jusqu'a recemment^{[C'est-a-dire ?]}, les specialistes estimaient que l'activite volcanique avait cesse il y a 500 a 600 millions d'annees. Des images detaillees prises par la camera HRSC de Mars Express ont montre que certains des volcans les plus massifs de Mars etaient encore en activite il y a quelques millions d'annees. Les volcans concernes sont Olympus Mons ainsi que trois volcans geants situes dans la region de Tharsis : Arsia Mons, Pavonis Mons et Ascraeus Mons. Leurs calderas centrales montrent que leur surface a ete refaconnee au cours des 20 derniers millions d'annees. Certains flots de lave auraient pu avoir ete emis il y a deux millions d'annees. Ces donnees suggerent qu'une activite volcanique a petite echelle pourrait encore se produire de nos jours telles que des systemes hydrothermaux a l'origine de reservoirs souterrains d'eau chaude. La methode utilisee pour determiner la date de cette activite volcanique consiste a denombrer les crateres d'impact visibles en surface ; l'absence de crateres est synonyme d'un terrain forme recemment. Les images prises par HRSC ont egalement confirme que les volcans des regions de Tharsis et Elysium sont en activite de maniere sporadique depuis des milliards d'annees et que l'activite a leur sommet est periodique. Le volcan de Tharsis Montes est celui dont l'activite est la plus recente et il pourrait entrer de nouveau en activite dans un futur proche. Une activite volcanique s'etalant sur une aussi longue periode implique que des points chauds se sont maintenus sur des periodes particulierement longues. Les scientifiques n'ont pas a ce jour^{[Quand ?]} trouve d'explication a ce phenomene^[42].

Il existe de nombreux indices qui prouvent que Mars possedait au debut de son existence une atmosphere epaisse, etait plus chaude et comportait de grandes quantites d'eau a sa surface. Aujourd'hui, l'eau a disparu et l'atmosphere est devenue extremement tenue. Plusieurs theories ont ete proposees pour expliquer cette transformation. Parmi celles-ci figure l'echappement atmospherique, un processus par lequel le vent solaire, en ionisant les couches superieures de l'atmosphere, arrache les atomes presents qui sont ejectes dans l'espace. L'instrument ASPERA-3 a ete specifiquement concu pour quantifier ce phenomene. Il a permis de demontrer que ce processus etait efficace pour les atomes d'hydrogene et d'oxygene composant les molecules d'eau mais qu'il etait peu efficace pour le dioxyde de carbone, composant majoritaire de l'atmosphere martienne. D'autres processus ont du donc contribuer a la transformation de l'atmosphere martienne^[43].

Sur Terre, le phenomene des aurores polaires s'observe dans les regions des poles lorsque les particules electriquement chargees du vent solaire canalisees par les lignes du champ magnetique terrestre entrent en collision avec les molecules de gaz de la haute atmosphere. La planete Mars ne possede aucun champ magnetique global. Mais l'orbiteur de la NASA Mars Global Surveyor a decouvert qu'il subsistait un champ magnetique residuel dans certaines portions de la croute planetaire. Les scientifiques soupconnaient que ce champ magnetique residuel pouvait etre a l'origine de phenomenes similaires aux aurores polaires terrestres. L'instrument SPICAM a confirme cette hypothese en detectant des emissions de lumiere sur la face nocturne de Mars. Les phenomenes detectes s'etendaient au-dessus d'une region d'une trentaine de km de diametre et debutaient a une altitude evaluee a 150 km. Les regions ou se manifestent ces aurores correspondent bien aux zones ou subsiste un champ magnetique local^[44].

Des experiences d'occultation radio ont ete menees par Mars Express (Experience MaRS) pour sonder l'atmosphere martienne. Deux couches avaient ete jusque-la identifiees dans l'ionosphere de Mars. Une troisieme couche a ete detectee grace a cette experience. Elle est situee entre 65 et 110 km d'altitude alors que les deux autres se trouvent respectivement a 110 et 135 km d'altitude. Cette nouvelle couche se caracterise par une densite d'electrons 10 fois plus faible que la densite moyenne de l'ionosphere martienne. Elle n'est pas continue et sa localisation varie en fonction de l'heure de la journee. Cette couche serait similaire a une couche de l'ionosphere terrestre, dite couche meteoritique, creee par la destruction des meteorites penetrant dans l'atmosphere terrestre. Ce processus entraine la production d'atomes de magnesium et de fer qui interagissent avec le rayonnement ultraviolet du Soleil et l'ionosphere en creant une couche atmospherique particuliere. La faible densite de l'atmosphere martienne fait que le processus de destruction des meteorites est moins efficace et est a l'origine du caractere discontinu de cette couche sur Mars^[45].

Le principal composant de l'atmosphere tenue de Mars est le dioxyde de carbone. Les variations saisonnieres du climat de Mars se traduisent principalement par des cycles de vaporisation et de transformation en glace de ce gaz. On connaissait l'existence de nuages de glace de dioxyde de carbone mais c'est Mars Express qui a pu realiser les premieres observations directes de ces formations nuageuses. Plusieurs instruments (OMEGA, SPICAM, HRSC et PFS) ont pu etudier differents aspects de ces nuages situes a haute altitude dans l'atmosphere martienne en particulier au-dessus de l'equateur. Ces mesures ont permis de constater que la presence de nuages de dioxyde de carbone variait d'une annee sur l'autre. En mesurant les ombres projetees sur le sol, il a pu etre determine que ces nuages se situaient a une altitude moyenne de 80 km. SPICAM a meme observe une couche de nuages de ce type formee de cristaux particulierement petits (100 nanometres de diametre) a une altitude de 100 km^[46].

Mars Express a effectue a de nombreuses reprises des survols a faible distance de la lune martienne Phobos. Ces passages rapproches ont permis de realiser une cartographie tres precise du satellite martien. Le passage le plus proche a ete realise le 3 mars 2010 lorsque la sonde spatiale est passee a 67 km de sa surface permettant d'effectuer une mesure du changement de vitesse induit par sa gravite. Cette variation, bien que de tres faible ampleur (quelques millimetres par seconde), a pu etre calculee en mesurant la variation de l'onde porteuse de son signal radio. La masse de Phobos a pu etre ainsi evaluee avec une precision 100 fois plus grande que precedemment. En effectuant des calculs du volume de la lune a partir des photos detaillees prises par la camera de Mars Express, les scientifiques ont pu deduire que la densite de Photos etait de seulement 1,86 g/cm³. Cette valeur particulierement faible semble indiquer que Phobos est un empilement de roches comportant des espaces vides. Si ces roches sont des chondrites primitives, les espaces vides devraient representer environ 15 % du volume. Si Phobos est constituee de roches d'origine martienne, plus denses, la proportion de vide monterait a 45 %^[47].

La theorie la plus courante en ce qui concerne l'origine des lunes de Mars est que celles-ci sont des asteroides captures par la planete Mars. Mais un objet aussi poreux n'aurait sans doute pas survecu a un tel processus de capture. Par ailleurs, le spectrometre PFS a permis de detecter la presence de mineraux de type phyllosilicate a la surface de Phobos en particulier pres de Stickney, le plus grand des crateres d'impact. La faible densite de Phobos et la presence a sa surface de mineraux formes en presence d'eau permettent de penser que Phobos est en realite le resultat de l'accretion de materiaux rocheux ejectes de la surface de Mars par un impact geant^[47].

En mars 2004, le spectrometre FPS detecte la presence de petites quantites de methane dans l'atmosphere. La presence de ce gaz, qui a une duree de vie de 440 ans s'il n'est pas renouvele, ne peut avoir qu'une origine volcanique ou bacterienne. Il subsiste toutefois une certaine incertitude sur cette decouverte car la quantite tres faible de methane detecte se situe a la limite de la sensibilite de l'instrument^[48].

• (en) Paolo Ulivi et David M Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 3 Wows and Woes 1997-2003, Springer Praxis, 2012, 529 p. (ISBN 978-0-387-09627-8, lire en ligne)
  Description detaillee des missions (contexte, objectifs, description technique, deroulement, resultats) des sondes spatiales lancees entre 1997 et 2003.

• Exploration de la planete Mars
• Venus Express et Rosetta

Autres missions martiennes

• Mariner 4 (NASA)
• Viking 1 et Viking 2 (NASA)
• Mars Pathfinder (NASA)
• Mission Mars Exploration Rover (NASA)
• Mission Mars Reconnaissance Orbiter (NASA), lancee le 12 aout 2005

• (en) Site officiel de l'Agence Spatiale europeenne
• Page dediee sur le site de l'agence spatiale francaise CNES
• Dossier sur la mission sur le site nirgal.net de Philippe Labrot
• Notices dans des dictionnaires ou encyclopedies generalistes :

  • Britannica
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