Contexte

Depuis des décennies, les scientifiques s’intéressent à la « planète rouge », qui présente plusieurs similitudes avec la Terre. Dans le Système solaire, elle est la plus à même d’avoir réuni les conditions propices à la vie. Depuis le programme Mariner, en 1965, une quarantaine de missions spatiales ont été lancées pour tenter de percer ses secrets, parmi lesquelles Viking, Sojourner, Opportunity ou encore la sonde européenne Mars Express. Toutes ces missions ont apporté des connaissances précieuses sur le sol martien, montrant notamment que de l’eau liquide a coulé en abondance sur la planète.

La mission Mars Science Laboratory a été imaginée pour aller plus loin, afin d’apporter la preuve de cette présence passée d’eau liquide et d’approfondir la connaissance de la géologie martienne. À cet effet, le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA a mis sur pied au début des années 2000 un programme impliquant plusieurs pays, dont la France, pour faire entrer l’exploration martienne dans une nouvelle ère. Il s’agissait d’envoyer sur Mars un rover, c’est-à-dire un véhicule robotisé autonome, de capacités et de dimensions inédites, emportant 10 instruments scientifiques pour un total de 80 kg de charges utiles, communiquant en permanence avec la Terre et doté d’une grande autonomie de fonctionnement. D’une durée initiale de 687 jours, soit une année martienne, la mission MSL poursuit ses opérations depuis 13 ans.

À la recherche de la vie

MSL recherche des traces de la présence d’eau à l’état liquide qui aurait perduré plusieurs millions d’années après la formation de la planète. Il recherche également des éléments chimiques qui auraient pu se combiner pour conduire à l’apparition de la vie, dont les principaux sont le carbone, l’hydrogène, l’azote, l’oxygène, le phosphore et le soufre. D’autres éléments chimiques impliqués dans les formes de vie que nous connaissons sont également recherchés : fer, sodium, calcium, manganèse, etc.

La vie a aussi besoin de sources d'énergie et de conditions environnementales suffisamment stables. La mission étudie les cycles du carbone et de l'eau sur la planète au cours du temps, afin de déterminer sous quelle forme et en quelle quantité le carbone et l'eau sont stockés sur la planète et dans l'atmosphère.

Étude de l’atmosphère martienne

MSL cherche à caractériser le climat passé de Mars ainsi que les processus climatiques de la basse et de la haute atmosphère. Dans le passé, si Mars a été plus chaude, alors son atmosphère devait être plus dense et plus humide, et ainsi avoir fourni des conditions environnementales plus favorable à la vie microbienne.

La mission étudie précisément la composition de l'atmosphère martienne en recherchant les éléments nécessaires à la vie (dioxyde de carbone, méthane, azote, hydrogène) et en essayant de comprendre comment cet état passé s’est modifié. L’analyse de la composition des roches, sols et structures de la surface peuvent aussi donner des informations sur les changements dans l'atmosphère de la planète au cours du temps. MSL mesure aussi les radiations à la surface de la planète, incluant les rayons cosmiques, les protons solaires et les neutrons.

Géologie de Mars

MSL étudie les roches et le sol pour comprendre les processus géologiques qui ont créé et modifié la croûte martienne et la surface dans le temps. En particulier, la mission recherche des preuves de la formation des roches en présence d'eau.

Exploration humaine

En démontrant la possibilité de faire atterrir des charges imposantes sur la surface de Mars (un véhicule de 900 kg), MSL a ouvert la voie à l'envoi d'équipements nécessaires aux futurs explorateurs humains. L'expérience acquise en techniques d'atterrissage précis constitue aussi un premier pas vers le développement de capacités d'envoi d'astronautes vers une destination précise de façon sûre et fiable.

Déroulé du projet

MSL est une mission du programme d'exploration de Mars de la NASA, initié en 2004. Le programme, d’un montant de 2,5 milliards de dollars, présente un niveau de sophistication inédit. Le rover, baptisé Curiosity, a été développé et assemblé au Jet Propulsion Laboratory (JPL) situé à Pasadena, aux États-Unis, avec la participation de plusieurs pays : Canada, Espagne, France et Russie. Curiosity, qui emporte 10 instruments scientifiques, se distingue des précédents rovers martiens par ses dimensions (900 kg, soit la taille d’une petite voiture, et 80 kg de charge utile, 10 fois plus que ses prédécesseurs) et par sa batterie à énergie nucléaire qui lui permet d’opérer de jour comme de nuit.

En 2011, la NASA sélectionne parmi 100 sites potentiellement intéressants le cratère Gale comme site d’atterrissage. Les scientifiques l’ont choisi pour ses caractéristiques géologiques, notamment la présence d’argile, signe que de l’eau liquide y a coulé dans un passé lointain. Au milieu du cratère, s’élève le mont Sharp, culminant à 5 500 m, dont l’empilement des couches géologiques doit permettre de retracer l’histoire de la planète.

Le lancement a lieu le 26 novembre 2011, à bord d’une fusée Atlas V. Après un voyage de 60 millions de km d’une durée de 8 mois, MSL se pose sur le sol martien le 6 août 2012, au terme d’une descente de 7 minutes extrêmement périlleuse. Quelques jours plus tard, le spectromètre ChemCam effectue son premier tir au laser sur une roche martienne. 

Conçu au départ pour une mission primaire d'une durée d'une année martienne, correspondant à 687 jours terrestres, Curiosity était censé parcourir une distance de 5 à 20 kilomètres depuis son site d'atterrissage. En réalité, il atteint en 2025 les 13 ans d’activité et a parcouru plus de 34 km. En août 2024, ChemCam a programmé depuis le centre toulousain FOSCE (French Operating Center for Science and Exploration) au CNES, son millionième tir laser.

Organisation

Le JPL est maître d'œuvre du programme. Les 10 instruments scientifiques, constituant la charge utile du rover Curiosity, ont été développés et fournis au JPL sous la responsabilité de « Principaux Investigateurs » (PI) appartenant à des laboratoires scientifiques américains, européens et russes. Chaque PI était responsable des interfaces avec le JPL, de l'intégration et de la recette de son instrument ainsi que de sa fourniture au JPL pour intégration sur le rover Curiosity. Il était aussi responsable des opérations de son instrument, du traitement et de la mise à disposition des données pour la communauté scientifique.

Le CNES assure, pour le compte de l'ensemble des partenaires nationaux (CNRS, Université), la maîtrise d'ouvrage de la contribution française à Curiosity. Celle-ci concerne deux instruments : ChemCam (réalisé par l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie – IRAP à Toulouse en collaboration avec le LANL aux Etats-Unis) et SAM (réalisé par le Laboratoire Atmosphères, observations spatiales – LATMOS Paris en collaboration avec le Goddard aux États-Unis). Le CNES a financé et supervisé les développements des contributions françaises et apporté un support matériel et humain. Il est également l'interlocuteur des PI américains, de la NASA et du JPL pour des aspects managements et techniques.

Le schéma suivant montre l'ensemble des coopérations et partenariats mis en place dans le cadre du développement des contributions françaises à la mission MSL.

Le Centre spatial de Toulouse accueille au sein du FOCSE (Centre français d'opérations des missions scientifiques et d’exploration), le centre d'opérations de la mission MSL.

Il permet aux ingénieurs, techniciens et scientifiques du CNES et des laboratoires partenaires d'opérer les instruments ChemCam et SAM. L'équipe du FOSCE assure la surveillance et la programmation des instruments, la récupération et le traitement des données scientifiques.

La mission MSL implique des contraintes opérationnelles. Concernant ChemCam, l’analyse des données scientifiques et la préparation du plan de travail de l’instrument suivant une chronologie d'activités très précise, se fait quotidiennement, sous la responsabilité du JPL. Les opérations sont réalisées en alternance avec le LANL (Los Alamos National Laboratory, responsable de l'instrument ChemCam) une semaine sur deux.

Les opérations de SAM sont réalisées depuis le FOCSE une semaine sur 4. En fonction de la récupération d'échantillons, les analyses peuvent mobiliser durant plusieurs jours les équipes techniques et scientifiques.

En tout, le FOCSE réunit 9 ingénieurs pour les opérations des 2 instruments, une trentaine de scientifiques pour ChemCam et une dizaine de scientifiques pour SAM.