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

e chantier de la pro s p e c t i v e
spatiale en planétologie au
CN E S, entrepris en septembre
2001 avec le lancement d’un
appel à idées, a connu un
p a rcours cahoteux, voire
chaotique dans les deux années suivantes.
Le Groupe Thématique « système solaire »
du CN E S, 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 Pro g r a m m e s
Scientifiques pour 2004.
L
Eléments d’une stratégie
scientifique d’exploration
du système solaire
Etapes de la prospective au CNES
Situation internationale
67
Groupe « Groupe
Thématique Système
Solaire » pour la
prospective du CNES.
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).
’appel à idées du CN E S
( s e p t e m b re 2001), pro p o s a i t
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 part i c u l i e r
pour l’atterrisseur NA S A/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 ES A/BepiColombo vers
Mercure, sur ses trois composantes (MMO,
MP O et MS E, 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 interm é d i a i res par
thématiques, publiés en septembre 2002,
qui constitueront une base solide pour un
redémarrage de la prospective spatiale. Ces
documents, qui concern e ront la
préparation de missions de l’après 2010, ne
seront pas discutés ici, les besoins pour la
p rospective en astronomie de l’IN S U
obéissant à des échéances plus
rapprochées.
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 (KBO), qui font l’objet
d’un projet de mission NA S A ( N e w
Horizons/Pluto). Les questions posées
aujourd’hui en planétologie sont d’évidence
L
U

’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 re t o u r
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 rapport s
météorites/astéroïdes qui restent fort mal compris.
Les études d’astéroïdes (mission japonaise Muses C),
ou de mesures d’échantillons du vent solaire
( NA S A /Genesis) rappro c h e r ont 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
p robable comme « c o n d e n s a t » du milieu
interstellaire d’une part, des planètes géantes et de
leur cousinage avec les planètes extrasolaire s
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, KBO,
astéroïdes), atmosphères planétaires
Ces questions re c o u v rent d’une part l’origine
physique des corps du système solaire: formation
des planètes géantes et telluriques, des comètes et
Les thématiques scientifiques
beaucoup plus complexes qu’en phase de
d é c o u v e rte, 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 « n i c h e s » scientifiques
d’excellence pour la science planétaire française est
donc cruciale pour favoriser les re c h e rc h e s
planétaires au plus haut niveau, dans un contexte
français ou européen. La NASA a publié en 2002 un
rapport très exhaustif (NRC planetary decadal report),
qui comprend pour l’exploration planétaire une liste
de questions clés, ainsi que des propositions de
priorités de missions dans diff é rentes catégories
b u d g é t a i res. 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 pro g r a m m e
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’import a n c e
prévisible de nations « é m e rg e n t e s » 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.
68
• Spatial : le système solaire
C

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 re c h e rche des
éléments clés nécessaires à la biologie des origines
( s o u rces d’oxygène, de carbone), l’enviro n n e m e n t
p l a n é t a i re primitif, et les mécanismes chimiques
analogues aux mécanismes prébiotiques (étude de
Titan, des objets primitifs comme les comètes ou
certains astéroïdes).
69
Le cas de Mars
’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
s e ront obtenues pour la pre m i è re fois sur cette
mission. Cependant, si Mars Express n’était pas suivi
d ’ a u t r es missions martiennes euro p é e n n e s ,
l’exploration de Mars reviendrait à l’avenir quasi-
exclusivement 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 NASA et ESA (via les
agences spatiales nationales). La priorité de la
p rospective du CN E S en planétologie définie à
Arcachon proposait un programme ambitieux, dans
un partenariat CN E S / NA S A vers un re t o u r
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 NA S A d u
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
p rogramme Netlander dans une perspective
européenne.
L
Mars Express.© ESA.

L’élément le plus accessible pour la science
européenne dans ce programme reste la science de
réseau sur Mars (sismologie et météoro l o g i e ) ,
aboutissement de 15 ans de stratégie scientifique.
Elle devra être reprise dans un cadre international,
p robablement européen, qui reste à définir
(recommandation du CPS du 10 avril 2003 et du CAdu
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 CN E S/ M a r s
Premier abandonnée) est fortement soutenue par le
Groupe Système Solaire du CNES.
Un autre élément à préserver est l’implantation
d’expériences françaises sur les atterr i s s e u r s
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
p e rm e t t re aux scientifiques français de rester au
premier plan des études martiennes.
a table des missions donnée à la fin donne
une idée de la large couvert u r e
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 CN E S 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
p rogramme scientifique de l’ES A 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 fort e
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
compléter la connaissance des planètes telluriques,
et est soutenue conjointement par les scientifiques
planétologues et magnétosphéristes.
La cohérence dans les actions entre p r i s e s
recommande qu’un soutien soit accordé aux
dépouillements associés à ces missions (c’est le rôle
du CN E S), ainsi qu’un soutien à l’enviro n n e m e n t
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 pro g resser 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’eff o r t 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
70
• Spatial : le système solaire
Exploration planétaire (hors Mars) :
implication au niveau français
L

71
Résumé des recommandations
(prospective à court terme < 2012)
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).
L’exploitation des données de missions
planétaires en cours (Cassini) ou prochainement
lancées (Mars-Express, Rosetta, Smart-1, Ve n u s -
Express) 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
e u ropéennes (ou autres). L’implication de la
communauté des géochimistes dans la planétologie,
une avancée des dern i è r es années grâce au
programme martien, doit être soutenue en dépit des
retards pris par ce programme au niveau européen.
La mission vers MercureBepiColombo 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
a s t r onomie, 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 instru m e n t s
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’ES A , 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 euro p é e n n e :
l’excellence des re c h e rches planétaires françaises
reste le meilleur atout pour que les laboratoires
français y participent.