Le 30 juillet dernier, un nouveau rover a quitté la Terre, direction la planète Mars ! Baptisé Perseverance d’après la proposition soumise par un collégien à un concours organisé par la Nasa, maître d’œuvre de la mission Mars 2020, il sera largué en février 2021 sur le sol martien. Il rejoindra alors sur Mars son collègue Curiosity, star des médias et des réseaux sociaux. Mais comment les scientifiques communiquent-ils avec ces rovers ?
Ils prennent des « selfies », possèdentleur compte sur les réseaux sociaux, et pourtant, discuter avec eux n’est pas chose aisée pour les scientifiques : mais comment parle-t-on à Curiosity et Perseverance?
Patience et longueur de temps…
Discuter avec un robot martien, c’est tout d’abord une histoire de fuseaux horaires et de synchronisation. Pour commencer, il faut savoir que les échanges avec la planètes Mars, comme avec n’importe quel endroit du Système solaire et au-delà, se font par le moyen de signaux électromagnétiques (de la lumière non visible). Les échanges avec Mars ne sont donc ni instantanés, ni même légèrement décalés comme ceux des astronautes des missions Apollo avec les équipes à Houston, le centre des opérations des missions Apollo pour la Nasa. Les messages échangés entre Terriens et Martiens se propagent en effet à la vitesse de la lumière que chacun sait finie et constante. La lumière met environ huit minutes à parvenir du Soleil à la Terre, parcourant ce qu’on appelle une « unité astronomique », ou « UA ». Mars orbite autour du Soleil à une distance moyenne de 1,5 UA. Ainsi, en fonction de la position relative des deux planètes par rapport à notre étoile, la distance entre Mars et la Terre varie entre 0,5 UA et 2,5 UA. Un calcul au premier ordre permet donc d’estimer qu’un message voguant entre les deux astres a une durée de voyage comprise entre quatre minutes et une vingtaine de minutes. C’est une chose que tout astronaute en herbe rêvant de fouler le sol martien doit garder en tête : pour dire « Salut ! Ça va ? », entendre « Oui, bien, et toi ? », et répondre « Bien ! Merci! » à un Martien, il faut prévoir entre douze minutes et une heure, en fonction des éphémérides !
Figure 1 – Schématisation de l’organisation d’une journée martienne pour les opérations de Curiosity, le rover de la mission MSL (Mars Science Laboratory), et exemple d’horloge présentant l’heure sur Terre en Temps Universel, puis l’heure locale à Toulouse, l’heure « universelle » sur Mars, puis l’horloge locale des différentes missions martiennes à ce moment-là.
Synchronisation des horloges
Et encore, même avec beaucoup de patience, ce n’est pas facile de donner des instructions à un rover martien, car il faut aussi tenir compte du décalage horaire. Ou plutôt, devrions-nous parler des décalages horaires, au pluriel ! « On peut s’imaginer qu’on peut utiliser toute la journée martienne pour échanger des informations avec un rover, mais c’est bien plus compliqué », explique Olivier Gasnault, chargé de recherche au Centre national de la Recherche scientifique (CNRS) à l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) de Toulouse, responsable adjoint de ChemCam (Curiosity) et qui est, chargé des opérations scientifiques de l’instrument SuperCam de Perseverance. « On pourrait croire que le rover a huit heures d’activité par jour, comme les scientifiques qui le pilotent, mais non, il faut prendre en compte les contraintes de satellites relais, de l’’énergie disponible, et des décalages entre les fuseaux horaires martiens et terrestres ! ». En effet, la durée de la journée martienne, qui dure vingt-quatre heures terrestres et quarante minutes (appelée sol), est divisée par les scientifiques en vingt-quatre « heures martiennes » qu’il faut répartir entre les différentes phases d’opérations : la génération des instructions, leur validation, leur transmission entre la Terre et Mars, les opérations sur Mars, quand le rover peut profiter au maximum de l’éclairage solaire pour faire des photos très utilisées en géologie martienne, l’envoi des données enregistrées sur Terre, leur analyse par les scientifiques, plus la création d’un nouveau plan d’activité pour la journée suivante. Ce schéma idéal ne prend pas en compte les difficultés liées à la position de Mars par rapport au Soleil et à la Terre (l’année martienne dure près de 690 jours terrestres), ou encore de la disponibilité des satellites artificiels qui tournent autour de Mars et permettent de relayer les messages de Curiosity ,et dans le futur de Perseverance, aux antennes des centres d’opérations de la Nasa. Une difficulté supplémentaire repose sur la taille des équipes scientifiques qui sont aux commandes et leur dimension internationale : les différents laboratoires américains sont répartis sur plusieurs fuseaux horaires, sans oublier ensuite le « jetlag » avec les laboratoires français, où sont basés les chercheurs, ingénieurs et techniciens qui analysent les données de composition des roches mesurées par les tirs laser de l’instrument ChemCam, dont la contribution française est sous la responsabilité de l’IRAP, en particulier de Sylvestre Maurice (le chercheur à l’origine des deux projets, instigateur de ces instruments, et le responsable de SuperCam) et d’Olivier Gasnault (voir photographie ci-contre). Pour SuperCam, le petit frère de ChemCam à bord de Perseverance, il faudra en plus se coordonner avec deux fois plus de laboratoires français (14) qui ont participé à la construction de l’instrument ou qui participeront à la science de SuperCam.
Figure 2 – L’équipe des opérations des instruments ChemCam et sAm photographiée au Cnes en 2014. Pendant que les ingénieurs (au premier plan) – qui sont au total une quarantaine rien qu’en France à contribuer aux opérations – préparent les instructions à envoyer aux équipes de MSL aux États-Unis, Olivier Gasnault (en chemise blanche) et quatre chercheurs (au fond à droite) discutent des objectifs scientifiques à privilégier après avoir analysé les données du jour.
(S. Girard/Cnes)
Des stratégies différentes pour Curiosity et Perseverance
Les opérations de Curiosity sont organisées grâce à des décisions collégiales de type « discovery driven », c’est-à-dire motivées par les découvertes effectuées. Les tâches du rover sont donc planifiées sur différentes échelles de temps, en gardant des objectifs scientifiques à long terme suffisamment larges pour que le plan d’action du mois suivant puisse tenir compte des découvertes faites sur un site donné à un instant « t ». Par exemple, si Curiosity détecte des propriétés inattendues sur une cible particulièrement intéressante, les chercheurs peuvent demander que le rover y reste quelques jours ou quelques semaines de plus afin d’effectuer des mesures supplémentaires. En effet, le rover se déplace tellement lentement (en moyenne, Curiosity se déplace à une vitesse de croisière de trente mètres à l’heure) qu’il serait difficile d’envisager de « revenir en arrière » si les opérations étaient fixées à l’avance sur périodes trop longues. (lire l’Astronomie,
Pour Perseverance, la stratégie sera différente, notamment à cause des exigences de la Nasa en matières d’objectifs pour la mission Mars2020 et d’efficacité (le calendrier à tenir est plus strict). Perseverance devra non seulement récolter des échantillons et en faire une analyse scientifique très poussée, mais également les déposer en différents sites stratégiques au cas où une future mission conjointe de retour d’échantillons serait financée par la Nasa et l’Esa. La mission de retour d’échantillons n’aurait pour but que de récolter les échantillons extraits et préparés par Perseverance pour les rapporter sur Terre, le seul endroit où l’on peut trouver des laboratoires suffisamment complets et performants (et des humains pour y travailler) pour que les échantillons soient décortiqués en détail, afin, principalement, de rechercher des traces de vie martienne. La liberté de décision des chercheurs et chercheuses sera inévitablement bien plus réduite que pour Curiosity, puisque les opérations seront organisés sur des périodes plus longues et contraintes par la préparation des échantillons. « L’exploration scientifique de Mars est en quelque sorte assujettie à la très grande popularité des projets d’exploration de la planète et à la puissance des campagnes de communication des agences », souligne Olivier Gasnault. Il semble en effet que les résultats de Mars 2020 sont annoncés avant même que l’on ait envoyé le rover sur Mars : maintenant qu’on y a découvert de l’eau liquide, il faut déceler des traces de vie !
Le chercheur est tout de même très enthousiaste, notamment quand on aborde la question de la grande taille et de la grande diversité des équipes impliquées dans les opérations de Curiosity et Perseverance : « Ce que je trouve intéressant dans cet aspect des opérations des rovers martiens, c’est qu’elles nécessitent une plus grande implication des chercheurs auprès des ingénieurs en charge des opérations. C’est un peu comme pour les missions Apollo, en remplaçant les astronautes par des robots ! »
SuperCam, les « yeux » de Perseverance, largement conçu et fabriqué en France.
SuperCam est la petite sœur de ChemCam, proposée par le même consortium franco-américain et acceptée par la Nasa après le grand succès de l’instrument de Curiosity. Le consortium SuperCam compte, en plus du Cnes et de l’Irap, une dizaine d’acteurs en France*. On voit ici l’instrument déshabillé lors de derniers tests à l’Irap en 2019 (aucun risque que SuperCam ait attrapé la Covid-19 avant son départ pour Mars, il est toujours manipulé par des scientifiques bien protégés, voir l’Astronomie no 137). SuperCam a pour mission de mesurer la composition chimique des roches en tirant dessus au laser (technique LIBS)2 et d’en faire des images en couleur (et non en noir et blanc comme son prédécesseur ChemCam). SuperCam pourra aussi détecter les minéraux et éventuellement de la matière organique par spectroscopie Raman et infrarouge (IR). Les différentes techniques fonctionnent à distance : 7 m pour le LIBS, 12 m pour le Raman, et jusqu’à l’horizon pour la spectroscopie IR et l’imagerie. L’instrument a été livré au Jet Propulsion Laboratory l’été dernier, au terme de quatre années de travail qui ont mobilisé près de 240 personnes.
Figure 3 – SuperCam est un instrument franco-américain proposé par le lANl (É.-U.) et l’IRAP (France). le Cnes assure la maîtrise d’ouvrage de la contribution française et s’appuie sur des laboratoires du CNRS et des universités (irap, lesia, lAB, OMp, latmos, iSAE, iAS pour l’instrumentation et aussi pour la science iMpMC, ipag, lGl, Celia, lpG, GeoRessources, iSterre). le projet Mars 2020 de la Nasa est sous maîtrise d’œuvre du Caltech/Jpl.
Léa GRITON, Institut de recherche en astrophysique et planétologie, Toulouse
