Impression d’artiste du vaisseau spatial MMX descendant à la surface de Phobos (basé sur la conception du vaisseau spatial en FY2019). Crédit : JAXA
Dr. Ryuki Hyodo partage la science derrière JAXA la prochaine mission MMX de sur les lunes martiennes, et les caractéristiques uniques de ce voyage vers Mars domaine de.
En février de cette année, le monde a regardé avec émerveillement trois missions spatiales arriver sur Mars en succession rapide. Les deux premiers étaient des orbiteurs ; les La mission Hope des Emirats Arabes Unis qui capturera une vue globale du climat de Mars, et Tianwen-1 de la Chine avec un accent sur la géologie martienne et la sortie prévue d’un atterrisseur et d’un rover à la surface martienne. Le troisième du trio était le rover Perseverance de la NASA, qui a effectué un atterrissage époustouflant dans le cratère Jezero de Mars, où il cherchera des preuves de la vie passée et rassemblera des échantillons pour un futur retour sur Terre.
Docteur Ryuki Hyodo Crédit : JAXA
À l’ISAS, les chercheurs ont observé les progrès avec une attention particulière. Dans quelques années à peine, nous allons tenter exactement le même exploit de visiter la sphère martienne. Mais pour nous, la destination n’est pas la planète rouge mais ses deux petites lunes. Les Mission d’exploration des lunes martiennes (MMX) Le lancement est prévu au cours de l’exercice 2024. Ignorant largement la présence imminente de Mars, le vaisseau spatial concentrera sa suite d’instruments d’observation sur les lunes, Phobos et Deimos. La mission prévoit d’atterrir sur Phobos et de collecter des échantillons pour revenir sur Terre en 2029. Ce sont ces lunes stériles qui, selon les scientifiques, contiennent des preuves des premiers jours du système solaire et de la façon dont l’habitabilité a pu prospérer et mourir dans le monde d’en bas.
Le docteur Ryuki Hyodo est chercheur dans la division des sciences du système solaire à l’ISAS, travaillant sur des simulations de la formation des lunes. Hyodo occupe l’un des postes indépendants ITYF (International Top Young Fellowship) de l’institut ; un programme conçu pour soutenir et promouvoir les chercheurs talentueux du monde entier au début de leur carrière. Qu’il explique que le tout premier mystère entourant Phobos et Deimos est de savoir comment ils sont apparus là-bas. En fait, il existe deux principales théories concurrentes sur la formation des lunes.
“Il y a l’origine de la capture, par laquelle un petit objet qui passe est capturé gravitationnellement par Mars”, explique Hyodo. “Ceci a été historiquement proposé et est soutenu par les similitudes spectrales des lunes avec les astéroïdes de type D. ”
Les astéroïdes résident en grande partie dans la « ceinture d’astéroïdes » ainsi nommée qui orbite les rayons du soleil entre Mars et Jupiter . Au sein de cette population, les astéroïdes peuvent être divisés en différents types en fonction des similitudes dans les longueurs d’onde de la lumière qui se reflètent sur leur surface. Ce « spectre » est lié à la composition de l’astéroïde. Les astéroïdes de type D se distinguent par leur couleur très foncée. Le peu de lumière réfléchie par les types D est à des longueurs d’onde rouges et infrarouges plus longues.
Alors que de nombreux astéroïdes différents orbitent désormais dans la ceinture d’astéroïdes, leurs compositions différentes indiquent des emplacements de formation répartis sur le système solaire primitif. Ceci est intéressant pour les scientifiques qui essaient de cartographier la création et le mouvement des ressources, en particulier celles telles que par exemple l’eau et les matières organiques qui sont nécessaires à la vie.
Si Phobos et Deimos sont des exemples d’astéroïdes de type D qui se sont balancés près de Mars et ont été attirés en orbite, alors un échantillon de Phobos pourrait nous renseigner sur la formation et le transport des toutes premières molécules organiques à créer dans le système solaire. Mais tout le monde ne croit pas à ce scénario de formation.
“La deuxième option pourrait être l’origine de l’impact géant”, explique Hyodo. « Un impact important avec Mars qui a éjecté de la matière pour former un disque de débris autour de la planète. ”
Cet impact pourrait être à la base du bassin Boréalis ; la plus grande dépression sur Mars qui couvre 40% de la surface de la planète. Des bassins plus petits, tels que le bassin Utopia ou Hellas, pourraient également avoir généré suffisamment de débris pour former les lunes.
“Les vitesses d’impact sont similaires même dans le cas des événements de formation de bassin plus petits”, note Hyodo. « La différence est simplement la masse d’impact. Cela conduit à des résultats thermodynamiques similaires pour les éjectas d’impact. ”
La thermodynamique fait référence à l’énergie thermique dans le disque de débris et détermine des propriétés telles que simplement la quantité de matériau du disque fondu et la quantité qui se vaporisera. Le matériau résultant devient l’inspiration de Phobos et Deimos, car il entre en collision et fusionne avec les deux lunes.
La formation dans un simple disque peut expliquer les orbites quasi circulaires de Phobos et Deimos dans exactement le même plan autour de l’équateur de Mars. On pense également qu’un impact géant a créé notre Lune, mais les preuves y sont certainement plus claires, grâce aux échantillons de la surface lunaire retournés par les missions Apollo.
« Dans le cas de notre Lune, l’échantillon d’Apollo a fortement indiqué que la Lune était autrefois en fusion et que la Lune et la Terre sont isotopiquement très similaires », explique Hyodo.
Les isotopes sont des atomes d’exactement le même élément qui ont des poids légèrement différents en raison des quantités de neutrons dans le atome ‘s noyau. Deux corps qui se composent non seulement de substances similaires, mais du même équilibre d’isotopes, sont très susceptibles de partager des blocs de construction communs, soutenant un scénario d’impact où des matériaux de notre planète ont formé la Lune. L’énergie d’un impact énorme conduirait également à un matériau en fusion.
L’astronaute de la NASA Harrison Schmitt, pilote du module lunaire d’Apollo 17, utilise une pelle d’échantillonnage réglable pour récupérer des échantillons lunaires. Le vaisseau spatial MMX devra le faire de manière robotique. Crédit : NASA
« Dans le cas des lunes martiennes, leur dynamique (orbites) prend en charge une formation d’impact géant », poursuit Hyodo. “Cependant, sans un échantillon comme celui d’Apollo, nous ne pouvons pas être sûrs de ce qui s’est passé sur Mars et ses lunes. ”
Ce n’est pas seulement la première formation des lunes qui est débattue mais ce qui s’est passé ensuite. Une rafale d’articles récents a proposé différents scénarios sur la façon dont une lune peut s’être développée après un impact géant.
« Il est important de noter que ces travaux supposent tous le scénario d’impact », commence Hyodo. “La différence entre eux est quels sont les résultats après que l’impact géant se produise et affecte l’évolution de la marée de Phobos. ”
L’intérieur des deux lunes de Mars, Phobos est lentement attiré vers l’intérieur de la surface de la planète. Cela est dû à la gravité de Mars qui déforme la lune en soulevant des renflements de marée qui entraînent une force de traînée qui tire la lune vers l’intérieur. L’évolution de la conclusion est susceptible de voir Phobos mis en pièces avant qu’il n’entre en collision avec le sommet. Dans un scénario possible, cette scène de mort inévitable pour la lune a été rejouée plusieurs fois au cours de l’histoire de Mars. La première lune intérieure créée lors de l’impact géant a rapidement tourné en spirale vers l’intérieur et a été déchiquetée par la gravité de Mars. Cela a formé un tout nouvel anneau de débris à partir duquel une lune de deuxième génération est née. Les recherches suggèrent que jusqu’à cinq incarnations de Phobos pourraient avoir eu lieu avant la lune que nous voyons aujourd’hui.
Comment Mars a pu avoir des épisodes d’anneaux qui ont finalement formé Phobos et Deimos. Crédit : JAXA
Une autre idée encore est que les Phobos et les Deimos étaient autrefois un seul corps qui a lui-même été soumis à un effet direct qui l’a divisé en deux il y a quelques milliards d’années. Ce scénario suggéré dépend de la façon dont les orbites des lunes ont pu changer en raison des marées de Mars, et des simulations détaillées doivent encore être effectuées.
“L’accumulation de particules est un processus chaotique”, note Hyodo en décrivant des simulations informatiques des lunes se formant dans le disque de débris de l’impact géant. « Parfois, nous ne formons qu’une seule lune ou parfois trois lunes. Si une seule lune a été initialement formée à partir d’un impact géant et ensuite détruite pour se scinder en deux, alors cette histoire est peut-être possible. ”
L’échantillon de matériau Phobos collecté par le vaisseau spatial MMX fournira aux boffins de retour sur Terre l’opportunité d’analyser les lunes de Mars de la même manière que l’histoire de notre propre Lune a été dépouillée des échantillons d’Apollo. Ceci, confirme Hyodo, aidera à résoudre la dégénérescence entre les théories.
« Si l’échantillon comporte une grande quantité de matière martienne ainsi qu’un épuisement volatil, la réponse est l’origine de l’impact géant, peut-être pas la capture », affirme-t-il.
Les simulations effectuées par Hyodo confirment que tout débris résultant d’un impact énorme devrait inclure environ 50% de matière martienne, les autres provenant de l’impacteur. L’impact produira même un fort échauffement (environ 2000 Kelvin ou 1730°C), de sorte que les éléments pouvant facilement se transformer en gaz (volatiles) se vaporiseront et s’échapperont.
« La partie délicate est l’évolution à long terme de Phobos », admet Hyodo. « Une mesure détaillée du champ de gravité de la lune ainsi que des observations pour clarifier la structure interne seront essentielles pour contraindre la façon dont les marées de la gravité de Mars ont tiré sur la lune. Il est également important de contraindre l’âge de surface, car chaque histoire suggère un moment différent pour l’accumulation finale du Phobos que les individus connaissent aujourd’hui. ”
Vue d’artiste du vaisseau spatial MMX explorant les lunes martiennes. Crédit : JAXA
Hyodo met l’accent sur ce scénario de capture ou d’impact géant, l’échantillon de Phobos en révélera beaucoup sur la formation des planètes.
« Si le scénario de capture est correct, nous obtiendrons du matériel primitif qui améliorera notre compréhension de leur composition, peut-être comme les premiers produits organiques », dit-il. « Si le scénario d’impact géant s’avère correct, nous rassemblerons un exemple de l’ancienne Mars ; à partir du moment où l’impact géant sur Mars s’est produit. ”
Il semble beaucoup d’apprendre de ce genre de corps aussi petit qu’une lune.
« Avec le MMX, nous étudierons une toute petite lune », dit Hyodo. «Mais ce n’est pas plus que la lune, il s’agit aussi de la matière du système solaire et de la matière de Mars. ”
Peut-être étonnamment, l’échantillon de Phobos contiendra inévitablement des parties du passé de Mars. Cela signifie que peu importe la façon dont les lunes se sont formées, l’échantillon coupé de MMX sera en réalité le premier échantillon de retour de Mars.
« Heureusement pour les humains, Phobos orbite très près de Mars ! ” explique Hyodo. “Les impacts d’astéroïdes sur Mars éjectent en continu des matériaux de partout sur terre et cela peut facilement être transféré à la surface de Phobos sans dommages importants par les chocs. ”
Cette illustration représente le rover Perseverance de la NASA opérant à la surface de Mars. Crédit : NASA
Les météorites martiennes collectées sur Terre sont formées à partir de roches ignées dures alors qu’un fort lancement accompagné d’un choc depuis Mars, le voyage interplanétaire et l’entrée atmosphérique sur Terre détruit toute autre chose plus délicate. Mais les grains éjectés de Mars pour atterrir sur Phobos ont eu un lancement et un trajet beaucoup plus faciles, et même les matières organiques délicates sont censées être en mesure de survivre au voyage. On pense que même les ions de l’ancienne atmosphère de Mars se sont retrouvés piégés du côté de Phobos qui fait face à la planète rouge.
Les éléments radioactifs présents dans les grains martiens pourront dater l’heure à laquelle ces grains se sont formés à la surface de Mars. Cela fournit à MMX un échantillon unique qui est collecté sur toute la surface martienne et daté pour la durée de son histoire ; un véritable journal de l’habitabilité et du déclin possibles de la planète. La possibilité de ce type de collecte est l’une des explications raisonnées pour lesquelles la mission MMX se concentre sur les lunes plutôt que sur la planète elle-même.
” Nasa ‘s Perseverance étudiera le cratère Jezero avec des détails étonnants », déclare Hyodo. « Mais les informations sont limitées à Jezero. Ce n’est peut-être pas typique de toute l’évolution de Mars. En revanche, les éjectas collectés par MMX proviendront de partout à la surface de Mars sans ce biais, mais au prix que seul un petit pourcentage de l’échantillon MMX proviendra de Mars. MMX et Persévérance joueront donc les rôles complémentaires de la diversité par rapport au détail et ensemble, nous pouvons progresser pour comprendre pleinement l’évolution de Mars. ”
