Eléments d`une stratégie scientifique d`exploration du système solaire

Eléments d’une stratégie
scientifique d’exploration
du système solaire
L
e chantier de la prospective
spatiale en planétologie au
CNES, entrepris en septembre
2001 avec le lancement d’un
appel à idées, a connu un
parcours
cahoteux,
voire
chaotique dans les deux années suivantes.
Le Groupe Thématique « système solaire »
du C NES, a poursuivi ses travaux avec
constance, jusqu’à l’annulation du
séminaire de prospective par décision du
CNES en novembre 2002. Il a au passage
discuté de nombreuses idées qui
alimentent ce rapport d’étape, dans
l’attente d’un redémarrage de la prospective
du CNES, telle qu’elle a été recommandée
par
le
Comité
des
Programmes
Scientifiques pour 2004.
Etapes de la prospective au CNES
L
’appel à idées du CNES
(septembre 2001), proposait
comme échéance de missions la
période 2006-2008 , laissant de
côté la programmation à plus
long terme. Les réponses reçues
se classaient en différentes catégories :
le programme martien (en particulier
pour l’atterrisseur N ASA/2009), hors
programme Mars/CNES dont le déroulement
est décrit à part ;
l’exploration de Vénus (hors mission
Venus Express, dont la charge utile est figée
par un revol d’instruments existants) ;
la mission ESA /BepiColombo vers
Mercure, sur ses trois composantes (MMO,
MPO et MSE, respectivement orbiteurs
magnétosphérique et planétaire, et
atterrisseur) ;
les bases de données planétaires ;
des propositions d’instrumentations non
spécifiquement dédiées à une mission.
Ces réponses expriment la vitalité de la
communauté planétaire spatiale en France,
et son enthousiasme à préparer les
missions futures. La redéfinition des
objectifs scientifiques de la prospective en
avril 2002 a cette fois tracé pour objectif de
définir les enjeux de la décennie 2010-2020 ;
la mise en place de groupes de travail
mixtes techniques et scientifiques a conduit
a des rapports intermédiaires par
thématiques, publiés en septembre 2002,
qui constitueront une base solide pour un
redémarrage de la prospective spatiale. Ces
documents,
qui
concerneront
la
préparation de missions de l’après 2010, ne
seront pas discutés ici, les besoins pour la
prospective en astronomie de l’INSU
obéissant à des échéances plus
rapprochées.
Situation internationale
U
n état des lieux de
l’exploration planétaire en
2003
conduit
à
la
constatation
que
ses
objectifs se sont dispersés
vers de nombreux objets, au
fur et à mesure que les premières missions
pionnières ont abouti. Dans l’exploration
des planètes et petits corps du système
solaire, toutes les catégories d’objets ont
été au moins une fois survolées, à
l’exception notable de Pluton et des objets
de Kuiper apparentés (K BO), qui font l’objet
d’un projet de mission NASA (New
Horizons/Pluto). Les questions posées
aujourd’hui en planétologie sont d’évidence
Groupe « Groupe
Thématique Système
Solaire » pour la
prospective du C NES.
Composition : Président :
P. Drossart, A. Barucci,
M. Chaussidon, P. Coll,
Cl. d’Uston, F. Forget,
O. Forni, Ph. Lognonné,
G. Manhes, S. Maurice,
B. Mosser, P. Pinet,
F. Robert,
F. Rocard (secrétaire).
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• Spatial : le système solaire
beaucoup plus complexes qu’en phase de
découverte,
et
nécessitent
des
moyens
d’investigation toujours plus élaborés, ce qui conduit
aussi à définir des missions plus ciblées, à l’exception
de quelques missions généralistes engagées ou près
de l’être (Cassini, Rosetta, BepiColombo).
L’identification de « niches » scientifiques
d’excellence pour la science planétaire française est
donc cruciale pour favoriser les recherches
planétaires au plus haut niveau, dans un contexte
français ou européen. La NASA a publié en 2002 un
rapport très exhaustif (N RC planetary decadal report),
qui comprend pour l’exploration planétaire une liste
de questions clés, ainsi que des propositions de
priorités de missions dans différentes catégories
budgétaires. Ce travail, qui a mobilisé une
importante communauté scientifique (avec quelques
scientifiques étrangers), est d’une ampleur sans
commune mesure avec les efforts réalisés en France,
et mérite d’être étudié de près, même si les priorités
technologiques et politiques de la NASA nécessitent
une lecture prudente des conclusions en termes de
programmation de missions. Sur le plan scientifique,
les questions importantes qui guident aujourd’hui
l’exploration font ainsi l’objet d’un consensus dans la
communauté scientifique :
le premier milliard d’années du système solaire ;
les éléments volatils et organiques, à l’origine du
vivant ;
l’origine et l’évolution des mondes habitables ;
le fonctionnement des systèmes planétaires.
En ce qui concerne les missions ESA, définies dans le
programme « Cosmic Vision » jusqu’en 2012, elles
concernent l’ensemble des planètes telluriques, ainsi
que Titan et Saturne via la collaboration avec la NASA
sur la mission Cassini/Huygens. Le programme
planétaire de l’ESA auquel participe une importante
communauté française remplit les objectifs de la
communauté sur le court terme (à l’exception notable
de la communauté des géophysiciens, comme il sera
discuté plus loin). Cependant, ce satisfecit ne doit
pas faire oublier que la plupart de ces missions sont
lancées ou en cours de réalisation, et que le maintien
de cette position pour la planétologie française
nécessitera la mise en route, pour la décennie
suivante, de nouvelles missions.
Un dernier point à mentionner est l’importance
prévisible de nations « émergentes » dans le
domaine spatial, comme le Japon dont plusieurs
sondes couvrent, avec des moyens modestes, des
objectifs scientifiques de premier plan, dont la
mission Muses C qui doit réaliser une première avec
un retour d’échantillons d’astéroïdes. D’autres pays
aux capacités spatiales encore modestes (Inde,
Taïwan, Chine, …) pourraient à l’avenir participer à
des coopérations en matière planétaire.
Les thématiques scientifiques
C
’est dans ce cadre de questions clés que
l’on peut définir deux thématiques pour
les recherches en planétologie.
La planétologie comparée
Des liens entre sciences de la Terre et planétologie
ont été tissés depuis le colloque d’Arcachon entre
planétologues et géochimistes, dans la perspective
d’un retour d’échantillons martiens. Ces relations
doivent être cultivées, même si le retour
d’échantillons martiens est aujourd’hui repoussé à
des échéances plus lointaines. Cette question couvre
tant les planètes telluriques avec les relations dans
l’évolution de Mars, Vénus ou Mercure à la Terre, que
les études des astéroïdes, avec les rapports
météorites/astéroïdes qui restent fort mal compris.
Les études d’astéroïdes (mission japonaise Muses C),
ou de mesures d’échantillons du vent solaire
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(NASA/Genesis) rapprocheront encore les deux
communautés dans les prochaines années. Les liens
entre Astronomie et Planétologie sont bien sûr fort
anciens : l’étude des comètes et de leur origine
probable comme « condensat » du milieu
interstellaire d’une part, des planètes géantes et de
leur cousinage avec les planètes extrasolaires
nouvellement détectées d’autre part, sont deux sujets
qui rapprochent les communautés. Enfin les relations
entre études magnétosphériques et planétologiques
(séparées en deux groupes ad hoc au CNES) restent
fortes, dans le cadre de diverses missions, dont en
particulier la mission BepiColombo vers Mercure.
La question des origines : système(s)
solaire(s), objets primitifs (comètes, K BO,
astéroïdes), atmosphères planétaires
Ces questions recouvrent d’une part l’origine
physique des corps du système solaire : formation
des planètes géantes et telluriques, des comètes et
astéroïdes, et évolution durant le premier milliard
d’années (formation des atmosphères des planètes
telluriques en particulier). Elles incluent aussi le
domaine de l’exobiologie, avec la recherche des
éléments clés nécessaires à la biologie des origines
(sources d’oxygène, de carbone), l’environnement
planétaire primitif, et les mécanismes chimiques
analogues aux mécanismes prébiotiques (étude de
Titan, des objets primitifs comme les comètes ou
certains astéroïdes).
Le cas de Mars
L
’exploration de Mars est un cas à part
dans le cadre de l’exploration planétaire,
en raison des enjeux scientifiques, mais
aussi de politique spatiale que recouvre la
poursuite de ce programme d’exploration
en compétition internationale. La mission
ESA/Mars Express, qui a été lancée en juin 2003
représente, pour les planétologues français très
impliqués, une étape importante de cette
exploration. Des observations de l’atmosphère, de la
minéralogie de surface, de l’environnement plasma
seront obtenues pour la première fois sur cette
mission. Cependant, si Mars Express n’était pas suivi
d’autres missions martiennes européennes,
l’exploration de Mars reviendrait à l’avenir quasiexclusivement à la NASA. Même si des scientifiques
français sont associés dans des expériences spatiales
à de futures missions NASA, il paraît donc judicieux de
recommander de construire l’exploration martienne
sur un partenariat équilibré entre N ASA et ESA (via les
agences spatiales nationales). La priorité de la
prospective du CNES en planétologie définie à
Arcachon proposait un programme ambitieux, dans
un partenariat CNES/NASA vers un retour
d’échantillons martiens (à l’époque prévu en 2008 !).
Que reste-t-il de ce programme après cinq ans ? Un
bilan factuel des événements qui se sont déroulés ces
dernières années parle de lui-même :
2000 : Report par la NASA de la mission de retour
d’échantillons, suite à la perte de Mars Polar Lander ;
2001 : définition des objectifs d’une mission CNES
(Mars Premier 07) comportant un orbiteur testant un
élément de capture des capsules d’échantillons en
orbite martienne, la mise à poste des quatre
atterrisseurs Netlander et d’un satellite en orbite
martienne, avec un instrument orbital de premier
plan, un sondeur millimétrique atmosphérique ;
printemps 2002 : lancement des appels d’offres
scientifiques et industriels pour la mission Mars
Premier ;
automne 2002 : annulation de la mission Mars
Premier par le CNES; recherche d’une solution de
secours pour le lancement des Netlander ;
printemps 2003 : annulation par la N ASA du
soutien au programme Netlander ;
30 avril 2003 : recommandation par le Conseil
d’Administration du CNES (sur recommandation du
Comité des Programmes Scientifiques) de placer le
programme Netlander dans une perspective
européenne.
Mars Express.© ESA.
69
• Spatial : le système solaire
L’élément le plus accessible pour la science
européenne dans ce programme reste la science de
réseau sur Mars (sismologie et météorologie),
aboutissement de 15 ans de stratégie scientifique.
Elle devra être reprise dans un cadre international,
probablement européen, qui reste à définir
(recommandation du CPS du 10 avril 2003 et du C A du
30 avril). L’intérêt scientifique pour cette science de
réseau reste aujourd’hui majeur, aucune des
expériences en cours par la NASA n’ayant jusqu’ici
abordé ce créneau scientifique. Dans le cadre de
l’ESA, dont le programme scientifique principal n’offre
pas d’opportunité de mission avant 2012, la meilleure
opportunité serait la première mission (Exomars) du
programme AURORA, le programme dédié à la future
exploration humaine de Mars à l’ESA. Ce programme
à vocation technologique doit être budgétisé en 2004,
et une action pour y inclure le programme Netlander
(comme dans le cadre de la mission CNES/Mars
Premier abandonnée) est fortement soutenue par le
Groupe Système Solaire du C NES.
Un autre élément à préserver est l’implantation
d’expériences françaises sur les atterrisseurs
NASA/2009 (Mars Science Laboratory, ou MSL), où
l’expertise des laboratoires français permet d’espérer
un retour scientifique majeur. L’appel d’offres MSL est
attendu en 2004 et un engagement du CNES sur le
soutien aux propositions françaises y est souhaité.
Dans l’immédiat, la mission Mars Express, doit
permettre aux scientifiques français de rester au
premier plan des études martiennes.
Exploration planétaire (hors Mars) :
implication au niveau français
L
a table des missions donnée à la fin donne
une idée de la large couverture
scientifique réalisée par les missions
planétaires de la décennie. La présence de
missions européennes dans chaque
catégorie de cibles, avec une implication
de laboratoires soutenus par le CNES sur ces
missions, assure de la présence des scientifiques
français sur les objectifs planétaires majeurs actuels.
La mission Cassini/Huygens, qui arrive dans le
système de Saturne en 2004, va fournir une masse de
données sans précédent sur une planète géante,
Saturne, et sur son satellite, Titan. Les avancées
attendues devraient constituer une révolution dans
les connaissances de ces deux types d’objets, très
imparfaitement compris l’un et l’autre.
La mission Venus Express, entrée par surprise dans le
programme scientifique de l’ESA en 2002 sur un
créneau de mission Flexi, a pour objectif
l’atmosphère de Vénus, délaissée par les programmes
spatiaux depuis les missions soviétiques Vega en
1985. Son lancement en 2005, avec une forte
implication française sur l’instrumentation doit
permettre des mesures originales sur l’atmosphère de
cette planète encore largement méconnue, et dont
l’évolution comparée à celle de Mars et la Terre est un
enjeu majeur de la compréhension de l’origine et de
la stabilité des atmosphères des planètes telluriques.
La mission BepiColombo vers Mercure est encore en
phase de définition ; l’étude de Mercure permettra de
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compléter la connaissance des planètes telluriques,
et est soutenue conjointement par les scientifiques
planétologues et magnétosphéristes.
La cohérence dans les actions entreprises
recommande qu’un soutien soit accordé aux
dépouillements associés à ces missions (c’est le rôle
du CNES), ainsi qu’un soutien à l’environnement
scientifique autour de ces missions, notamment les
expériences de laboratoire associées à ces missions
(c’est le rôle du PNP). L’implication de planétologues
sur de nombreuses missions vers des cibles variées
est aussi une condition du maintien d’une activité
scientifique de premier plan dans tous les domaines.
Les critiques parfois émises sur une dispersion des
missions méconnaissent la réalité de la complexité
du système solaire, qui nécessite des avancées sur
plusieurs fronts pour progresser dans nos
connaissances. Les objectifs scientifiques en
planétologie sont plus que jamais à large spectre, et
l’atout des scientifiques français pour la décennie
reste leur présence sur des objectifs diversifiés, plutôt
qu’une trop grande spécialisation qui conduirait
inéluctablement à leur marginalisation.
C’est aussi vrai pour les objectifs planétologiques de
chercheurs en sciences de la Terre, qui ont fait à la
suite du séminaire d’Arcachon l’effort de
réorientation thématique vers les sciences
planétaires, dans la perspective du programme de
retour d’échantillons martiens. En dépit de
l’effondrement du programme Mars actuel au CNES,
cet élément doit être préservé, pour maintenir cette
communication entre communautés planétaires qui
trouvera d’autres implications à plus court terme
(missions Genesis, voire Muses C ou autres missions
de retour d’échantillons précédant les missions vers
Mars).
Résumé des recommandations
(prospective à court terme < 2012)
L’exploitation des données de missions
planétaires en cours (Cassini) ou prochainement
lancées (Mars-Express, Rosetta, Smart-1, VenusExpress) va occuper la communauté planétologique
de manière importante dans les prochaines années
(Rosetta grâce aux survols d’astéroïdes, en attendant
le survol cométaire en 2014), en saturant en quelque
sorte les capacités de traitement. L’exploitation de
ces données, dont la préparation a demandé de
longues années de travail technique et
d’investissement, est bien évidemment la priorité.
Sur Mars, un soutien au projet Netlander reste
une priorité, à réaliser dans des collaborations
européennes (ou autres). L’implication de la
communauté des géochimistes dans la planétologie,
une avancée des dernières années grâce au
programme martien, doit être soutenue en dépit des
retards pris par ce programme au niveau européen.
La mission vers Mercure BepiColombo a prouvé
le soutien dont elle dispose dans la communauté
planétaire (en liaison avec la communauté de la
physique des plasmas, dont c’est une mission clé). Il
s’agit là aussi d’un domaine relativement préservé, où
une mission européenne pourra apporter des
avancées de premier plan.
Dans le domaine des planètes extrasolaires, la
mission Corot concerne également les planétologues
(même si cette mission est du ressort du groupe
astronomie, et n’a pas été incluse dans les
discussions directes du groupe système solaire), par
les implications sur les détections des planètes
extrasolaires et les modèles impliqués.
Le Programme National de Planétologie est un
outil essentiel des relations entre la communauté
planétologique spatiale et les laboratoires extérieurs,
en particulier pour l’aide à l’exploitation des données
spatiales des missions en cours.
La mise en place de bases de données
planétaires est d’une importance majeure pour la
mise en place pérenne d’un accès français (ou
européen pour les missions ESA) aux données des
sondes planétaires. Plusieurs groupes en France ont
avancé des propositions concrètes, et un démarrage
rapide de cette activité est une nécessité pour la
planétologie.
Enfin, le maintien des activités de développement
instrumental dans les laboratoires spatiaux est un
élément crucial d’une politique scientifique spatiale
en France ; c’est vrai de toutes les disciplines
spatiales, mais la spécificité des instruments
planétaires, bien plus prononcée que pour tout autre
observatoire spatial, les rend plus dépendants de la
recherche de base.
Les missions planétaires principales de la décennie
impliquant les laboratoires français sont
principalement des missions de l’ESA, les
collaborations bilatérales avec la NASA ou d’autres
agences étant aujourd’hui moins favorisées. Ce
constat implique qu’une coordination renforcée entre
les groupes d’experts du CNES et de l’ESA serait
souhaitable, en particulier pour la préparation des
prochaines échéances de prospective. A plus long
terme, l’exploration planétaire se poursuivra dans des
directions différentes : des missions ciblées (type
NASA/Discovery ou ESA/Flexi), sur les objets variés, et
aisément accessibles du système solaire interne, et
des missions de grande ampleur, utilisant
probablement la propulsion électrique nucléaire, vers
les planètes géantes dans la prochaine décennie.
L’exploration de Mars devrait enfin voir aboutir le
retour
d’échantillons.
L’implication
des
planétologues européens dans un tel programme
d’exploration nécessitera une stratégie adaptée aux
moyens disponibles à l’échelle européenne :
l’excellence des recherches planétaires françaises
reste le meilleur atout pour que les laboratoires
français y participent.
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• Spatial : le système solaire
Missions spatiales engagées ou en service (décennie 2003/2013)
Mercure
Messenger
NASA
Discovery
2004
BepiColombo
ESA, JAXA, Russie?
Pierre Angulaire
2011 - 2013
Venus Express
ESA
Mission Flexi
Planet C
JAXA
Vénus
2005 - 2007
2009
Lune
Lunar-A (*)
JAXA
SMART-1
ESA
SELENE
JAXA/NASA
2002
Technologique
2003
2005
Mars
Mars Global Surveyor (*)
NASA
En service
1999
Mars Odyssey (*)
NASA
En service
2001
Nozomi
JAXA
«échec»
Mars Rovers 03
NASA
Mars Express
ESA
Mission Flexi
MRO (*)
NASA
Mars Reconnaissance Orbiter
Scouts
NASA
2007
Mars Science Laboratory
Système solaire extérieur
NASA
2009
1998
2003
2003-2005
2005
GALILEO (*)
NASA
Achevée en septembre 2003
1989-2003
Cassini-Huygens
NASA /ESA
Arrivée à Saturne en 2004
1997-2005
Pluto Kuiper Express
NASA
New Horizons
2006 ?
Europa Orbiter
Petits corps, comètes
NASA
Programme long terme
> 2010
Stardust
NASA
Discovery
1999
Rosetta
ESA
Pierre Angulaire
Muses C
JAXA
Deep Impact
NASA
Discovery
2004
Dawn (*)
NASA
Discovery
2006
Discovery
2002
2004 - 2015
2003
Milieu interplanétaire / vent solair e
Genesis (*)
NASA
(*) mission non européenne, mais avec co-investigateurs français (liste probablement incomplète).
Sites Nasa/Esa/Cnes des différentes missions spatiales :
Nasa decadal study : http://www.aas.org/~dps/decadal/
Missions Nasa : http://spacescience.nasa.gov/missions/index.htm
Missions Esa : http://sci.esa.int/home/ourmissions/index.cfm
Missions Cnes : http://www.cnes.fr/
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