Contexte

Depuis l'annonce en octobre 1995 de la découverte de 51 Pegasi b, la première planète située hors du Système solaire, la quête de nouvelles exoplanètes n'a jamais cessé. Aujourd'hui, on en compte plus de 5000.

Depuis 1995, ce domaine a suscité l’intérêt d’une très large communauté scientifique et les moyens d’étude au sol et les missions spatiales se sont multipliés. Ariel s’insère dans cet ensemble d’études destinées à dénombrer et caractériser ces exoplanètes.

Ariel (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey) est la mission Medium numéro 4 du programme COSMIC VISION de l’ESA qui a pour objectif la caractérisation des atmosphères d’exoplanètes de toutes tailles transitant devant leur étoile.

Des atmosphères à la loupe

En prenant en compte la température de l'atmosphère et sa composition ainsi que sa densité, il sera possible de déduire la composition des cœurs planétaires : planète rocheuse ou géante de glace par exemple 

Ainsi, Ariel tentera de répondre aux grandes questions scientifiques suivantes :

• De quoi est composée l’enveloppe gazeuse de ces exoplanètes ?
• Comment se forment-elles ?
• Comment ces planètes et leur atmosphère évoluent-elles au cours du temps?

De la météo à très grande distance

Dans certains cas, Ariel pourrait étudier la dynamique de l'atmosphère, voir s'il y a un point chaud et mesurer la vitesse des vents par exemple. De toutes ces informations, seront ainsi déduits les processus physiques clés qui influencent la composition et structure d'une atmosphère planétaire (impacts, radiations, volcanisme…). Il sera même possible d’observer les variations journalières et saisonnières de température, d’identifier les processus chimiques à l’œuvre dans ces atmosphères (thermochimie, photochimie, etc.) et de quantifier les échanges énergétiques comme albédo. 

Ariel permettra également d’étudier les exoplanètes dans leur globalité en s’intéressant à l’évolution du système exoplanétaire et à l’impact de l’étoile et des planètes environnantes sur les caractéristiques de l’exoplanète. 

Déroulé du projet

Ariel est actuellement en phase C, c’est-à-dire en phase de confirmation du design. Les premiers modèles sont en cours de développement : modèle mécanique, modèle ingénierie, modèle avionique, etc. Ils permettront, en fin de phase C, de déterminer le design du modèle de vol. Après le lancement en 2029, 3 mois seront dédiés à la recette en vol, puis 3 mois de plus début 2030 pour la vérification des instruments et la démonstration des objectifs scientifiques. La durée prévue de la mission est de 4 ans, avec la possibilité d’une prolongation de 2 ans.

Pendant les phases opérationnelles scientifiques, le taux d’observation attendu est de plus de 85%, ce qui est très élevé. En effet, sur l’orbite L2, peu de manœuvres sont prévues : des modes survie éventuels, les manœuvres mensuelles de “maintenance” et les pointages de cibles. Le reste du temps satellite est donc disponible pour les observations scientifiques, y compris les calibrations.

Les contacts avec les stations sol ne dégradent pas le taux d’observation : l’envoi de télémesure au sol et les observations peuvent en effet se faire en parallèle grâce à un mécanisme d’antenne spécifique.

En fin de vie, une manœuvre de désorbitage est prévue afin que le satellite ne pollue pas les orbites LEO (orbites basses entre 700 et 1 000 km d’altitude utilisées pour les observations de la Terre) et GEO (36 000km d’altitude, utilisée pour les télécommunications, la météorologie et la défense) et ne retombe pas sur Terre.

Ainsi, le satellite Ariel est en conformité avec la Loi sur les Opérations Spatiales afin de limiter les débris spatiaux.

Organisation

Contributions de l’Agence Spatiale Européenne (ESA)

L’ESA est responsable de la mission Ariel. Plus précisément, l’ESA prend les responsabilités suivantes :

• Développement du satellite, confié à ADS France, le maître d'œuvre industriel
• Fourniture des détecteurs de l'instrument AIRS (contrat avec la société Teledyne US)
• Développement du segment sol opération (MOC et SOC)
• Lancement
• Opérations satellite
• Archivage des produits scientifiques et mise à disposition de la communauté scientifique

Contributions du consortium Ariel

Le consortium Ariel est chargé de la fourniture à l'ESA de la charge utile incluant les instruments.
Il est également responsable de l’IOSDC (Instrument Operation Science and Data Center) du segment sol scientifique.
L’IOSDC, fournira l’outil de planning mission qui permettra de choisir les cibles et d’optimiser les pointages pour accéder au plus grand nombre de données. Il fournira également à la communauté scientifique (via le SOC) les données de haut niveau (spectres) prêtes pour les analyses scientifiques.

Le consortium Ariel est constitué des membres des laboratoires et agences spatiales contribuant à la mission. Il est dirigé par le RAL (Rutherford Appleton Laboratory, UK) et présidé par la PI (Principal Investigator) de cette mission : Giovanna Tinetti de l’University College of London (UCL).

Les pays contributeurs au consortium Ariel et l'ESA se sont engagés sur leurs fournitures respectives au travers d'un accord multilatéral. Ce sont les agences spatiales, signataires de l'accord, qui sont garantes des contributions de leur pays.

Au sein du consortium Ariel, le CNES a la responsabilité de la fourniture de l’instrument AIRS.
La Pologne fournira l’instrument FGS.

Contributions françaises

La contribution française est développée sous la maîtrise d’ouvrage du CNES. Le CNES est garant des fournitures françaises vis-à-vis de l’ESA et des autres agences concernées. À ce titre :

• Il finance les contributions françaises des laboratoires,
• Il finance l’accompagnement scientifique de chercheurs français contribuant à la mission
• Il supervise les développements des contributions françaises
• Il assure l’interface avec l’ESA, ainsi qu’avec les organismes partenaires CNRS-INSU et CEA-AIM, pour les aspects programmatiques.

Le CNES contribue également au financement du projet Ariel à travers sa contribution au programme scientifique obligatoire de l'ESA et sa forte participation au consortium Ariel.

Outre la maîtrise d’ouvrage, le CNES peut apporter à la demande des laboratoires des expertises techniques dans les domaines assurance qualité et ingénierie ou de l’aide au management.
Les laboratoires apportent leur expertise scientifique, leurs ressources humaines et moyens techniques propres (ingénieurs, techniciens, moyens d’essai).

Jean Philippe Beaulieu, de l’Institut d'Astrophysique de Paris (IAP, université Pierre et Marie Curie/CNRS) et Pierre Olivier Lagage du CEA Astrophysique Instrumentation et Modélisation (université Paris Diderot /CEA-Irfu/CNRS) sont Co-PIs de la mission et à ce titre ont un rôle majeur au sein du consortium et de l’équipe scientifique ESA.

• Le département d’astrophysique du CEA (DAp) est maître d’œuvre de l’instrument AIRS.
• L’IAS est responsable de l’architecture optique, thermique et mécanique de l’instrument et fournira les éléments optiques.
• Le LESIA fournit les moyens de calibration de l’instrument et prend la responsabilité de cette activité.
• L’IAP est impliqué dans des lots de travaux en relation avec le traitement des données.

Tous ces laboratoires sont également activement impliqués dans les activités relatives à la performance mission, au choix des cibles, au traitement des données…

Les laboratoires français participant au consortium Ariel sont les suivants :

• CEA AIM (Astrophysique Instrumentation et Modélisation, université Paris Diderot /CEA-Irfu/CNRS)
• IAP (Institut d'Astrophysique de Paris, université Pierre et Marie Curie/CNRS)
• IAS (Institut d'Astrophysique Spatiale, université Paris-Sud/CNRS)
• LESIA (Département d'Astronomie Solaire de l'Observatoire de Paris, Laboratoire de Physique du Soleil et de l'Héliosphère)
• LAB (Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux, université de Bordeaux)
• LISA (Laboratoire Inter-Universitaire des Systèmes Atmosphériques, université Paris Est Creteil/CNRS)