Pour les articles homonymes, voirOsiris (homonymie).
| Organisation | NASA et l'université de l'Arizona |
|---|---|
| Constructeur | Lockheed Martin |
| Programme | New Frontiers |
| Domaine | Retour d'échantillons d'astéroïde. |
| Statut | Mission primaire achevée : échantillons de(101955) Bénou ramenés sur Terre le Mission étendue en cours : en route vers(99942) Apophis |
| Lancement | |
| Lanceur | Atlas V 411 |
| Fin de mission | (mission primaire) |
| Identifiant COSPAR | 2016-055A |
| Site | Site officiel |
| Masse au lancement | 2 110 kg |
|---|---|
| Ergols | Hydrazine |
| Masse ergols | 1 230 kg |
| Contrôle d'attitude | Stabilisé 3 axes |
| Source d'énergie | Panneaux solaires |
| Puissance électrique | Entre 1 226 et 3 000 watts |
| Satellite de | (101955) Bénou (2018-2021) (99942) Apophis (2029-) |
|---|
| OCAMS | Caméras |
|---|---|
| OLA | Altimètre laser |
| OVIRS | Spectromètre visible etinfrarouge |
| OTES | Spectromètreinfrarouge |
| REXIS | Spectromètre àrayons X |
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OSIRIS-REx (acronyme deOrigins-Spectral Interpretation-Resource Identification-Security-Regolith Explorer) est une mission de laNASA (l'agence spatiale américaine), qui a pour objectif d'étudier l'astéroïdeBénou et deramener un échantillon de son sol sur Terre. Lasonde spatiale est lancée le par une fuséeAtlasV 411. Bénou est unastéroïde de type Apollon, dont l'orbitecroise celle de la Terre (astéroïde géocroiseur), sélectionné pour cette mission pour deux raisons : il a très peu évolué depuis la formation du système solaire et son orbite, proche de celle de la Terre, facilite son approche.
La sonde spatiale d'environ deux tonnes emporte plusieurs caméras, desspectromètres pour déterminer la composition de la surface et unaltimètre destiné à dresser une carte topographique de l'astéroïde. Les données recueilliesin situ doivent contribuer à améliorer nos connaissances sur le processus deformation et d'évolution du Système solaire. Mais l'objectif principal de la mission est de ramener sur Terre un échantillon de sol de l'astéroïde qui permettra, grâce à la puissance des instruments disponibles dans les laboratoires terrestres, d'isoler éventuellement les composants primordiaux du Système solaire que l'astéroïde a théoriquement préservés.
La mission OSIRIS-REx, proposée par une équipe scientifique de l'université de l'Arizona, est sélectionnée en. C'est la troisième sonde spatiale duprogrammeNew Frontiers de la NASA, qui regroupe des missions interplanétaires de classe moyenne, dont le coût hors lancement est plafonné à 800 millions de dollars américains. La sonde spatiale, après deux années de transit, se place en orbite autour de l'astéroïde Bénou début décembre2018. Après une phase de reconnaissance et d'étude, la sonde spatiale effectue le prélèvement des échantillons de sol de l'astéroïde (122 grammes) le 20 octobre2020. Le retour sur Terre de la capsule contenant ces échantillons a eu lieu le 24 septembre2023. La sonde spatiale doit alors débuter une nouvelle mission ayant pour objectif l'étude de l'astéroïdegéocroiseurApophis autour duquel elle se placera en orbite en 2029.
Lesastéroïdes sont les témoins de laformation et de l'évolution du Système solaire à partir dunuage de gaz originel. Leur composition est pratiquement inchangée depuis leur création, contrairement à celle des autres corps duSystème solaire comme lesplanètes. Aussi les astéroïdes contiennent-ils des informations inédites sur le processus de la formation du Système solaire, qui peuvent être révélées par l'analyse d'un échantillon de sol. Il se peut également que les astéroïdes porteurs decomposés organiques et d'acides aminés aient joué un rôle décisif dans l'apparition de la vie sur laTerre, en ensemençant sa surface stérilisée par legrand bombardement tardif[1].
Une mission spatiale effectuant une étudein situ est envisageable, mais les instruments, que peut emporter un engin spatial, ont des capacités limitées, car leur masse ne peut excéder quelques dizaines de kilogrammes. Seule unemission de retour d'échantillons sur Terre permet de tirer des informations précises, grâce à la puissance des instruments des laboratoires terrestres. Au moment de la sélection de la mission OSIRIS-REx en2011, seule lasonde spatialejaponaiseHayabusa est parvenue à rapporter un échantillon du sol d'un astéroïde (en2010), mais la quantité prélevée est particulièrement faible et l'astéroïde étudié fait partie d'une population qui a moins bien préservé les caractéristiques du matériau à l'origine du Système solaire. Une deuxième sonde japonaise aux objectifs similaires,Hayabusa 2 est lancée en2014. De son côté, l'agence spatiale américaine, la NASA, sélectionne la mission OSIRIS-REx en 2011 pour ramener également des échantillons de sol d'un astéroïde[1].
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La mission OSIRIS est proposée pour la première fois à la NASA par une équipe scientifique de l'université de l'Arizona, dans le cadre duprogrammeDiscovery de 2004. Elle n'est pas sélectionnée, mais est proposée à nouveau en2009, dans le cadre duprogrammeNew Frontiers bénéficiant d'un budget plus important. Elle est sélectionnée en2011 et sa construction débute chez le constructeurLockheed en2014.
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Une mission de retour d'échantillon du sol d'un astéroïde est proposée pour la première fois en2004, par l'université de l'Arizona, en collaboration avec le constructeurLockheed Martin Space Systems sous l'appellation OSIRIS[Notes 1],[2] dans le cadre de l'appel à candidature pour la8e mission duprogrammeDiscovery. Durant la mise au point de la proposition, deux modifications cruciales interviennent. Il était prévu initialement la collecte d'échantillons du sol de deux astéroïdes, avec l'emport de deux capsules distinctes, mais la complexité de la trajectoire de retour sur Terre et le coût induit conduisent l'équipe projet à abandonner la visite d'un deuxième astéroïde. Par ailleurs, il a été décidé dès le départ de reprendre la conception de la capsule de retour d'échantillon utilisée par la sondeStardust (lancée en 1999 et qui devait revenir sur Terre en 2011). Comme pour cette sonde spatiale, le bras porteur et le système de collecte sont contenus dans la capsule et se déplient, puis se replient après usage, dans celle-ci. Mais la nécessité d'intégrer un bras long de 2 mètres doté de 5 articulations motorisées dans une capsule de petite taille, conduisent à l'abandon de cette solution et à l'adoption du système TAGSAM détaillé plus haut dans l'article. Finalement, aucune mission n'est sélectionnée par la NASA en 2004, mais un deuxième appel d'offres est lancé l'année suivante. Le projet de mission est soumis dans une version modifiée, avec le recours à uneplateforme identique à celle de2001 Mars Odyssey et caractérisée par un panneau solaire unique et incliné. Le projet fait partie de ceux sélectionnés par la NASA pour une étude plus approfondie (phase A). En détaillant sa proposition, l'équipe projet constate que le recours à un panneau solaire unique est une erreur de conception, car lapression de radiation exercée sur celui-ci ne peut pas s'équilibrer avec la force de gravité, ce qui perturbe l'équilibre délicat de l'engin durant son séjour près de l'astéroïde. Le panneau solaire unique est abandonné au profit de deux panneaux montés symétriquement par rapport au centre de masse de la sonde spatiale. Bien que la proposition ait été appréciée par le comité de sélection, tant sur le plan scientifique que technique, le projet de mission lunaireGrail lui a été préféré[3],[4].
Leprogramme New Frontiers, qui permet de financer des missions plus coûteuses que le programmeDiscovery, lance un appel à propositions en2008. Parmi les objectifs prioritaires identifiés dans le cadre de cet appel à candidature figure le retour d'un échantillon d'astéroïde, ce qui donne toutes ses chances au projet de l'université de l'Arizona. Le nom de la proposition remaniée reçoit le suffixeREx[Notes 2],[2] pour le démarquer de la précédente proposition, conçue pour un budget pratiquement deux fois plus faible. La plateforme deMars Odyssey est abandonnée au profit de la plateforme deMRO de plus grande taille. Le diamètre de l'antenne grand gain passe de1,3 à 2 mètres, ce qui permet un débit de données plus important[3].
En décembre2009, OSIRIS-REx fait partie des trois projets présélectionnées par la NASA. Les deux autres missions sontSAGE (Surface and Atmosphere Geochemical Explorer) etMoonRise, respectivement une mission d'atterrisseur surVénus et une sonde chargée de ramener des échantillons du pôle sud de laLune[5]. En, les missions SAGE et OSIRIS-REx franchissent la deuxième étape de la sélection[6]. Le, la NASA annonce la sélection d'OSIRIS-REx avec une date de lancement prévisionnelle en2016[7].
La mission, d'un coût de 800 millions de dollars américains, en n'incluant pas le coût du lancement, est proposée et conçue par le Laboratoire lunaire et planétaire de l'université de l'Arizona, sous la responsabilité de son directeur Michael Drake. Lecentre de vol spatial Goddard de la NASA pilote le projet. La sociétéLockheed est chargée de construire la sonde spatiale[8].
Plusieurs campagnes de test sont menées avant et après la sélection de la mission pour vérifier que le mécanisme retenu pour prélever les échantillons au sol peut remplir son objectif dans les conditions de la mission (gravité, vide, nature du sol). Elles impliquent notamment des essais du système de prélèvement à bord d'avions effectuant desvols paraboliques permettant de simuler la gravité très faible à la surface de Bénou[9]. En avril2014, le projet passe la phase deRevue critique de définition (CDR) et le lancement de sa fabrication est approuvé par un comité constitué d'experts indépendants et de représentants de la NASA. La construction de la structure centrale s'achève fin. Le premier instrument scientifique, OVIRS, est livré pour intégration en juin2015. L'assemblage de la sonde spatiale s'achève fin. Durant les 5 mois suivants,OSIRIS-Rex subit une batterie de tests destinés notamment à vérifier sa tenue aux températures extrêmes et face aux vibrations générées par le lancement. En mai2016, la sonde spatiale est transportée par route puis par avion, depuis l'établissement deLockheed situé àDenver (Colorado), où elle est assemblée, jusqu'aucentre spatial Kennedy en Floride[10]. Là, elle subit de nouveau une batterie de tests avant d'être fixée au sommet de son lanceur.
Les objectifs de la mission OSIRIS-REx sont les suivants[11],[12] :
La cible de la mission OSIRIS-REx est l'astéroïde(101955) Bénou (anciennement dénommé1999 RQ36), qui a été découvert en 1999. Bénou a un diamètre d'environ 500 mètres et décrit une orbite de 1,2 an autour du Soleil. Sa masse est évaluée à environ 7,8 × 1010 kilogrammes[Notes 3]. Il s'agit d'unastéroïde Apollon, c'est-à-dire qu'il fait partie d'une classe d'astéroïdes dont l'orbite, à sonpérihélie coupecelle de la Terre ou s'en approche de très près et à sonaphélie, est beaucoup plus éloignée du Soleil. Il s'agit donc d'unobjet géocroiseur, qui a une probabilité cumulée de 1 sur 2 700 de percuter notre planète entre 2175 et 2199[13]. Son orbite est bien connue, mais doit être affinée par la mission[8]. Bénou est choisi parce qu'il fait partie des rares astéroïdes présentant l'ensemble des caractéristiques suivantes[14] :
Le nombre de candidats répondant à tous ces critères est restreint : sur le demi-million d'astéroïdes identifiés, 7 000 sont des géocroiseurs, dont 192 ont une orbite optimale pour un retour d'échantillon sur Terre. Parmi ces derniers, 26 ont un diamètre supérieur à 200 mètres, dont cinq sont detype B[15].
Ramener un échantillon de sol d'un astéroïde est une tâche complexe. À la distance à laquelle se situe l'astéroïde, la sonde spatiale doit enchaîner les tâches de manière autonome, car le délai de transmission entre les opérateurs sur Terre et la sonde spatiale se chiffre en dizaines de minutes. Or un astéroïde a une forme irrégulière qui rend la navigation complexe et sa gravité quasi nulle (1/100 000e de celle de la Terre) se prête mal aux opérations au sol, car un engin spatial ne peut être stabilisé de manière passive.
Une des premières décisions de l'équipe du projet OSIRIS-REx a porté sur la manière d'effectuer le prélèvement d'échantillon. Fallait-il faire atterrir l'engin spatial puis effectuer un prélèvement, ou réaliser celui-ci au cours d'un posé-décollé de quelques secondes ? Faire atterrir une sonde spatiale sur un objet où la gravité est aussi faible nécessite un dispositif pouvant le plaquer au sol. L'utilisation d'ancres comme pourPhilae est éliminée, car le sol est sans doute constitué d'un gravier non tassé qui rend un tel dispositif inopérant. L'utilisation de moteurs-fusées pour plaquer le vaisseau au sol va à l'encontre de l'objectif visant à prélever un échantillon de sol vierge de toute contamination d'origine terrestre. Même en résolvant le problème de l'atterrissage, il subsiste le problème des variations thermiques subies par la sonde spatiale au sol. L'astéroïde tourne en 4,3 heures et la température de sa surface oscille sur cette période entre65 °C et150 °C, ce qui impose des dispositifs de régulation thermique extrême pourOSIRIS-REx. Enfin, la surface de Bénou est sans doute très chaotique et les communications avec la Terre risquent d'être bloquées. Pour toutes ces raisons, la solution du posé-décollé est retenue. Plusieurs méthodes de prélèvement sont évaluées, dont l'utilisation d'une foreuse, d'une pelle, d'un râteau… Finalement deux techniques sont sélectionnées : l'utilisation d'une surface adhésive pour collecter passivement de petits grains à la surface et un système de collecte utilisant des jets d'azote[16].
Pour s'approcher de la surface et se poser très brièvement (à peine cinq secondes) avec la précision de 25 mètres retenue par l'équipe projet, la sonde spatiale quitte une orbite de sécurité située à un kilomètre de la surface et entame une séquence entièrement automatique, qui comprend 3 étapes, avec une pause à une altitude de 250 mètres et 125 mètres. À chaque étape, la sonde spatiale utilise un altimètre laser pour déterminer l'écart éventuel entre la trajectoire planifiée et réelle et corriger celui-ci[16].
OSIRIS-REx est unesonde spatiale de masse moyenne (environ 2 tonnes) dont plus de la moitié est constituée d'ergols. Elle est en grande partie dérivée des sondes spatiales martiennesMRO etMAVEN. Lacharge utile comprend un ensemble d'instruments scientifiques destinés principalement à cartographier et analyser la composition de la surface de l'astéroïde, d'un équipement destiné à prélever un échantillon du sol (TAGSAM) et d'une petite capsule destinée à ramener sur Terre l'échantillon de sol de l'astéroïde en résistant à l'échauffement généré par larentrée atmosphérique[17].
Lasonde spatialeOSIRIS-REx a la forme d'un parallélépipède d'environ 2,43 mètres de côté et de 3,15 mètres de haut. L'ensemble a une masse de 2 110 kilogrammes au lancement (dont 1 230 kilogrammes d'ergols) et de 880 kilogrammes à vide. La capsule qui contient l'échantillon et qui revient sur Terre a une masse totale de 46 kilogrammes. La structure de laplateforme, d'une masse de 160 kilogrammes, est réalisée avec des plaques en nid d'abeilles d'aluminium prises en sandwich entre deux feuilles de matériau composite en carbone. Le cœur de cette structure est un cylindre vertical de 1,3 mètre de diamètre, qui entoure le réservoir d'ergols. Ce noyau central est conçu pour résister, durant le lancement, à la masse de toute la sonde, qui atteint l'équivalent de 28 tonnes lorsque l'accélération atteint son maximum (6 g[18],[19]). Deux plateaux horizontaux, fixés au sommet et à la base de la structure cylindrique centrale par des pièces métalliques radiales, servent de support aux différents équipements de la sonde spatiale. La plateforme supérieure accueille les instruments scientifiques, le système utilisé pour recueillir l'échantillon de sol, une partie des antennes, les équipements de navigation et la capsule de retour d'échantillon. La plateforme inférieure sert de support aux batteries, à l'antenne moyen gain, auxroues de réaction et au système de fixation despanneaux solaires[18],[20].
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Le système de propulsion est basé sur celui développé pour l'orbiteurmartienMRO et adapté par la suite sur les sondes spatialesMAVEN etJuno. Il comprend en tout 24moteurs-fusées à ergols liquides qui utilisent tous de l'hydrazine : celui-ci se décompose sur uncatalyseur métallique réchauffé et produit des gaz qui, en se détendant dans latuyère, exercent unepoussée. L'hydrazine est stockée dans un réservoir situé au centre de la sonde spatiale, au cœur de la structure porteuse. Le réservoir, haut de 1,5 mètre pour un diamètre de 1,24 mètre, peut contenir1 300 litres de carburant et est réalisé entitane pur pour éviter sa corrosion par l'hydrazine. Les ergols sont pressurisés par de l'hélium stocké dans un réservoir indépendant réalisé enmatériau composite. Celui-ci est haut de 75,2 centimètres pour un diamètre de 42,4 centimètres et a une contenance de80 litres. Il contient 3,7 kilogrammes d'hélium, stocké sous une pression de330 bars, qui est utilisé pour mettre sous pression les ergols injectés dans les moteurs-fusées du système de propulsion principale. Le réservoir d'hélium est isolé lorsque les autres types de propulseurs sont utilisés, car ceux-ci fonctionnent avec des ergols non pressurisés. Lesmoteurs-fusées, qui sont tous fournis parAerojet Rocketdyne, sont de quatre types différents[18] :
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L'énergie est fournie par deuxpanneaux solaires de forme carrée (2,5 mètres de côté) orientables avec deuxdegrés de liberté, dont la surface utile est de 8,5 m2. Ceux-ci se déploient en orbite de part et d'autre du corps de la sonde spatiale et portent son envergure à 6,2 mètres. Ils fournissent, selon la distance au Soleil, entre1 226 et 3 000 watts. En fonctionnement normal les panneaux solaires sont fixes et c'est à la sonde spatiale de s'orienter pour faire face au Soleil. Le système permettant d'orienter les panneaux est utilisé pour optimiser la production d'énergie mais également durant la phase de prélèvement de l'échantillon de sol, pour éviter que la poussière soulevée vienne se déposer à la surface des cellules solaires. Deux batteries lithium-ion de 20 ampères-heure fournissent l'énergie lorsque les panneaux solaires ne sont pas tournés vers le Soleil[18],[21].
Pour les télécommunications la sonde spatiale dispose d'uneantenne parabolique grandgain de 2 mètres de diamètre développée pour la mission MAVEN, qui met en œuvre untube à ondes progressives de 100 watts développé pourMRO. L'antenne est fixe et la sonde spatiale doit pivoter pour diriger son faisceau étroit vers la Terre. Les échanges se font enbande X avec un débit maximum de 941 kilobits par seconde. Par ailleurs, la sonde spatiale dispose d'une antenne à gain moyen, utilisée durant la phase de recueil d'échantillon et de deux antennes à faible gain. Le débit avec l'antenne grand gain est de 200 à 916kilobits par seconde durant la phase scientifique de la mission et celui des autres antennes est compris entre 40 et 200 kilobits par seconde en fonction de l'éloignement de la Terre[20],[22],[23].
L'ordinateur de bord a des caractéristiques proches de celles deMRO et deMAVEN. Il utilise une versiondurcie dumicroprocesseurRAD750 deBAE Systems, qui comprend 10,4 millions de transistors cadencée à 200 mégahertz avec une puissance de calcul de 400MIPS. La version durcie peut supporter un rayonnement ionisant pouvant monter à 1 million derads (10 MGy) contre 100 000 (1 MGy) dans la version standard. La plage de températures acceptables est comprise entre−55 °C et125 °C et il consomme 10 watts. Pour contrôler son orientation, la sonde dispose de 4 roues de réaction, deviseurs d'étoiles, de capteurs de Soleil et d'unecentrale à inertie[18].
Le prélèvement de l'échantillon du sol de l'astéroïde constitue la phase la plus délicate de la mission, car la manœuvre doit se dérouler de manière automatique sans que les opérateurs puissent intervenir du fait du temps de latence dans les communications (le délai d'acheminement des signaux est de4,4 et 18 minutes selon la phase de la mission). La sonde spatiale dispose d'un logiciel de navigation spécialisé qui exploite des données fournies par plusieurs capteurs qui doivent guider la sonde spatiale dans cette manœuvre[24] :
Le système de contrôle thermique maintient la température de l'ensemble de la sonde spatiale dans des plages de valeurs compatibles avec le bon fonctionnement des différents équipements dans toutes les conditions rencontrées au cours de son périple. Le contrôle thermique utilise des capteurs de température, des résistances chauffantes et des revêtements isolants multi-couches. L'une des principales contraintes est que la température du TAGSAM contenant les échantillons de sol ne dépasse pas75 °C durant le laps de temps où il est exposé au Soleil (à une distance de 1,15unité astronomique)[26].
OSIRIS-REx emporte cinq instruments ou ensembles d'instruments. Ce sont l'ensemble de trois caméras OCAMS utilisé à la fois pour des besoins scientifiques (cartographie) et de navigation, lespectromètre imageur OVIRS fonctionnant enlumière visible et procheinfrarouge qui doit établir une carte spectrale générale des minéraux et des molécules organiques, lespectromètreinfrarouge thermique OTES qui doit déterminer l'abondance dessilicates,carbonates, etc., le spectromètre imageur à rayons X REXIS chargé de déterminer l'abondance en éléments chimiques et l'altimètrelaser (OLA) destiné à dresser une carte topographique de l'astéroïde. Tous ces instruments sont installés sur la même face de la sonde spatiale et sont pointés dans le même direction.
L'ensemble OCAMS (OSIRIS-REx Camera Suite) est constitué de trois caméras qui doivent cartographier l'astéroïde, réaliser des photos à haute résolution, documenter le site retenu pour le prélèvement et le filmer. Ces caméras sont développées par le laboratoire LPL (Lunar and Planetary Lab) de l'université de l'Arizona. Les trois caméras sont[27] :
L'altimètrelaser OLA (OSIRIS-REx Laser Altimeter), développé en coopération avec l'Agence spatiale canadienne, doit fournir des données détaillées sur latopographie de l'astéroïde, avec une précision inégalée[28]. Il est basé sur un instrument développé pour le micro-satellite expérimentalXSS-11 développé par le laboratoire de recherche l'Armée de l'air américaine et placé en orbite en 2005. L'instrument d'origine est amélioré par l'ajout d'un deuxième laser dérivé de l'altimètre LDA installé sur la sonde spatiale martiennePhoenix, qui augmente sa portée. OLA fonctionne à une distance comprise entre0,5 et 7,5 kilomètres et permet de mesurer la distance entre l'instrument et le sol avec une précision qui se situe dans une fourchette de5 à 30 centimètres. Le miroir mobile qui équipe l'instrument permet d'effectuer des mesures dans une ou deux dimensions indépendamment du déplacement de la sonde spatiale[29]. L'instrument est financé par l'Agence spatiale canadienne et est développé par la sociétéMacDonald Dettwiler & Associates.
Lespectromètre OVIRS (OSIRIS-REx Visible and IR Spectrometer) fonctionne enlumière visible etinfrarouge (0,4 à 4,3 μm) et est chargé d'établir une carte spectrale générale des minéraux et des molécules organiques et une carte plus précise des sites étudiés pour le prélèvement de l'échantillon. Il peut réaliser des spectres ponctuels ou de zones entières avec une résolution spatiale de 20 mètres pour l'ensemble de l'astéroïde et de 8 centimètres à 2 mètres pour un site susceptible d'être échantillonné. Son champ de vue est de 0,4 milliard et chaque mesure effectuée est ponctuelle (le rayonnement reçu sur l'ensemble de son champ de vue est cumulé). Sarésolution spectrale est comprise entre 125 (04-1 micron) à 200 (2-4,3 microns). Un radiateur à deux étages permet de maintenir la température du plan focal à 405kelvins. L'instrument a une masse de 17,8 kg et consomme en moyenne 8,8 watts. OVIRS est développé par une équipe ducentre de vol spatial Goddard de la NASA[30].
Lespectromètre interférimètre à transformation de Fourier OTES (OSIRIS-REx Thermal Emission Spectrometer), qui fonctionne dans les longueurs d'onde 5,71–100 microns, doit dresser des cartes spectrales locales et globales permettant de déterminer l'abondance ensilicates,carbonates,sulfates,phosphates,oxydes ethydroxydes. Il permet également de mesurer l'émission thermique globale de l'astéroïde. L'instrument n'est pas refroidi. La partie optique est constituée par un télescope Cassegrain de 15,2 centimètres d'ouverture. Son champ de vue est de 6,5 millirads et chaque mesure effectuée est ponctuelle (le rayonnement reçu sur l'ensemble de son champ de vue est cumulé). OTES a une masse de 6,27 kg et consomme en moyenne 10,8 Watts. L'instrument est développé par l'université d'État de l'Arizona[31]
Le spectromètre imageur à rayons X REXIS (Regolith X-ray Imaging Spectrometer) est chargé de déterminer l'abondance en éléments chimiques, grâce à l'analyse desrayons X mous (0,3-7,5 keV) générés par la surface bombardée par levent solaire et les rayons X produits par leSoleil. La résolution, qui atteint 21 ' (4,3 mètres à 700 mètres de distance) est obtenue par un système detélescope à masque codé[32]. L'instrument est développé par des étudiants, dans le cadre d'unecoentreprise entre le laboratoireSpace Systems Laboratory et leMassachusetts Institute of Technology, avec la participation duHarvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Le système de prélèvement TAGSAM (Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism) est fixé au bout d'un bras articulé hérité de la missionStardust. Long de 3,2 mètres en position étendue, ce dernier comporte des moteurs redondants à ses trois articulations. À son extrémité se situe le TAGSAM, constitué d'un cylindre plat perforé à sa base d'un diamètre de 30 centimètres. Pour effectuer le prélèvement, la sonde s'approche à la verticale du site retenu, à faible vitesse (0,1 m/s). La caméra grande vitesse (1 hertz) OCAMS documente le prélèvement. Au moment du contact avec le sol, qui dure seulement 5 secondes, un ressort situé sur le bras amortit le choc et des capteurs déclenchent la séquence de prélèvement. L'articulation de la tête de prélèvement peut s'incliner de 15 degrés pour s'adapter à la pente du sol. Une bouffée d'azote est expulsée par des trous perforés sur le pourtour du cylindre pour soulever lerégolithe. Celui-ci chassé par le gaz pénètre dans la partie centrale évidée du TAGSAM puis dans des compartiments qui sont clos par des feuilles depolytéréphtalate d'éthylène (mylar) mobiles qui sont soulevées sous la poussée des gaz. L'objectif est de prélever au moins 60 grammes, mais le système permet d'en stocker jusqu'à 2 kilogrammes. Un deuxième dispositif passif est chargé de prélever des petites particules situées à la surface de sol et d'un diamètre inférieur à 3 millimètres dans le but d'étudier le processus d'altération des sols exposés au vide spatial : 24 pastilles circulaires d'un diamètre de 1,75 cm (superficie totale 57,42 cm2) constituées de métal recouvert de velcro sont distribuées sous la tête de prélèvement sur son pourtour et recueillent ainsi les petits grains situées à la surface. La sonde spatiale vérifie, après s'être éloignée, qu'une quantité suffisante de matériau a bien été prélevée, en réalisant des photos du système de prélèvement et en mesurant le changement de sonmoment d'inertie induit par la présence d'un échantillon. Le système de prélèvement dispose de réserves d'azote lui permettant de faire 3 tentatives. Une fois le prélèvement réalisé avec succès, la tête de prélèvement est stockée dans la capsule de retour d'échantillon, dont la conception dérive aussi de celle deStardust[33],[34],[35]..
La capsule SRC (Sample Return Capsule), utilisée pour ramener l'échantillon sur Terre, dérive directement de la capsule utilisée par la mission spatialeStardust dans un objectif analogue. La capsule doit ramener sur Terre la tête du système de prélèvement TAGSAM et l'échantillon de sol de l'astéroïde, alors que le reste de la sonde spatiale continuera de circuler dans le Système solaire. Une fois le prélèvement effectué, le bras dépose le TAGSAM dans cette capsule qui est alors refermée. La capsule comporte unbouclier thermique avant constitué par un matériau ablatif de type PICA de3e génération, développé par lecentre de recherche Ames de la NASA et utilisé notamment par le vaisseauCrew Dragon de SpaceX, qui doit lui permettre de résister à l'échauffement intense lors de larentrée atmosphérique résultant de la dissipation de plus de 99% de l'énergie cinétique acquise. Le bouclier thermique arrière qui affronte des températures bien inférieures utilise un matériau ablatif SLA développé parLockheed Martin. Un parachute principal déployé à la suite d'un parachute pilote permet à la capsule d'atterrir en douceur. La capsule, qui a un diamètre de 81 centimètres pour une hauteur de 50 centimètres, contient également le système de fixation du TAGSAM et l'électronique relativement simple nécessaire pour déclencher de manière autonome les différentes opérations durant la rentrée atmosphérique. La capsule est dépourvue de balise radio car la mission Stardust a démontré qu'il n'était pas nécessaire d'en disposer pour retrouver l'engin au sol[36],[37].
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Plusieurs dispositifs sont utilisés pour protéger les échantillons de sol de toute contamination par des matériaux ou des organismes terrestres et pour identifier les contaminants éventuels. Le système de prélèvement TAGSAM est stocké dans un container d'une part pour préserver sa propreté durant les opérations au sol, le lancement et d'autre part pour éviter sa contamination par ledégazage des matériaux de la sonde spatiale durant le début du transit vers l'astéroïde. De l'azote est injecté en permanence dans le container jusqu'au lancement afin de maintenir une pression interne positive qui empêche les particules venant de l'extérieur d'y pénétrer[38]. Des plaques témoins en aluminium et en saphir sont fixés à différents endroits du dispositif de prélèvement TAGSAM et dans la capsule SRC pour permettre de déterminer l'environnement et les contaminants à trois moments des opérations : juste avant le prélèvement des échantillons de sol, entre l'opération de prélèvement et le stockage du TAGSAM dans la capsule et enfin entre le stockage et le retour sur Terre. Les données recueillies permettront d'isoler les contaminants dans les échantillons de sol lors de l'analyse de ces derniers[39].
La mission d'OSIRIS-REx doit durer 7 ans et exploite le fait que l'astéroïde Bénou passe à proximité de la Terre tous les 6 ans. La mission peut être décomposée en neuf phases : lancement, assistance gravitationnelle de la Terre, transit jusqu'à Bénou, étude à distance de Bénou, étude depuis l'orbite, prélèvement de l'échantillon du sol, suite de l'étude de Bénou, voyage de retour vers la Terre et rentrée atmosphérique sur Terre.
La sonde spatialeOSIRIS-REx est lancée le 8 septembre2016 à 23 h 05 TU vers l'astéroïde Bénou par une fuséeAtlasV 411 (version du lanceur comportant un seulpropulseur d'appoint) tirée depuis labase de lancement de Cap Canaveral enFloride. Le tir est effectué dès le premier jour de lafenêtre de lancement, d'une durée de 120 minutes, qui se refermait le 12 octobre[40].
L'énergie caractéristique (C3) de la sonde spatiale au lancement est fixée à 29,3 km2/s2 pour une capacité de lancement de 1 955 kilogrammes. Le lanceur place la sonde spatiale sur uneorbite héliocentrique avec une vitesse d'échappement hyperbolique de5,4 km/s. Une fois dans l'espace, la sonde spatiale utilise sa propulsion pour effectuer une série de petites corrections de trajectoire, avec unchangement de vitesse cumulé de0,52 km/s[7],[41],[42].
OSIRIS-REx n'emprunte pas une trajectoire directe vers Bénou, mais doit boucler une orbite complète autour du Soleil, avant de revenir survoler la Terre, le 22 septembre2017, afin de gagner en vitesse. Pour s'aligner avec la Terre, la sonde spatiale effectuera plusieurs manœuvres à l'aide de sa propulsion principale, avec unchangement de vitesse cumulé de520 m/s. La sonde spatiale devrait passer à environ 20 000 kilomètres de la Terre et effectuer une manœuvre d'assistance gravitationnelle, qui lui permettra de modifier l'inclinaison de son orbite de 6 degrés, de manière à la faire coïncider avec celle de Bénou. Du 9 au 20 février2017, alors qu'elle passe dans le voisinage du point L4 du système Soleil-Terre, la sondeOSIRIS-REx réalise une mission de recherche detroyens de la Terre. La phase d'approche débute en, lorsque la caméraPolyCam dotée d'un téléobjectif parvient à réaliser une image de l'astéroïde : la sonde spatiale se trouvant alors à 2 millions de kilomètres de Bénou. Arrivée à proximité,OSIRIS-REx utilisa sa propulsion pour abaisser sa vitesse de530 m/s, de manière que sa vitesse relative par rapport à Bénou ne soit plus que de20 cm/s[7],[41].
Durant la seconde moitié du mois d'octobre2018, la sonde spatiale se rapproche progressivement de l'astéroïde et elle effectue une série de clichés à l'aide de la caméra PolyCam depuis une distance comprise entre 44 000 kilomètres pour le premier et 320 km[43]. La caméra prend également une série de huit images pour composer une image haute résolution[44]. Le 16 novembre la caméra Polycam prend une photo à une distance de 136 kilomètres qui permet de distinguer un gros rocher de 55 mètres baptisé Pimple. Le1er décembre 2018, la sonde spatiale, qui a parcouru 2 milliards de kilomètres depuis son lancement, s'approche à moins de 20 kilomètres de Bénou et pénètre dans lasphère de Hill de l'astéroïde, c'est-à-dire la région de l'espace où l'influence de l'astéroïde sur Osiris-Rex l'emporte sur celle du Soleil. À compter du 4 décembre, la sonde spatiale doit effectuer plusieurs passes au-dessus du pôle nord, à une distance de 7 kilomètres, en utilisant à la fois la caméra et l'altimètre, avant de se mettre à circuler au-dessus des zones équatoriales de l'astéroïde[45],[46].
En décembre2018, l'instrument MapCam génère, en utilisant des filtres couleur, des cartes en couleur et étudie la répartition géographique des différents matériaux[47].OSIRIS-REx devrait commencer ensuite l'étude de l'astéroïde, lorsqu'il ne se trouvera plus qu'à 5 kilomètres de celui-ci. Il est prévu que cette phase dure deux ans et comprenne six phases[7],[41] :
Durant une vingtaine de jours, la sonde spatiale se maintient à une distance d'environ 5 kilomètres de Bénou, pour effectuer une étude préliminaire. Durant celle-ci, la sonde spatiale prend des photos de l'ensemble de l'astéroïde, pour permettre d'établir une carte topographique. Des données spectroscopiques sont recueillies. Une liste de 12 sites d’atterrissage est dressée, répondant à des contraintes de sécurité et aux objectifs opérationnels. Depuis cette position, les instruments effectuent des mesures de l'effet Yarkovsky.
À compter du 31 décembre2018 et jusqu'à fin février, la sonde spatiale se place sur une première orbite rapprochée, diteorbite A, qui la maintient à une distance comprise entre 1,6 et 2,1 kilomètres de la surface de Bénou. L'équipe chargée de la trajectoire de la sonde passe d'une navigation fondée sur le relevé des étoiles à une navigation reposant sur l'exploitation des images de la surface de Bénou. Sur cette orbite, aucune donnée scientifique n'est collectée. Son but est de permettre à l'équipe chargée de la navigation d'acquérir de l'expérience. L'orbite se révèle très stable (aucune correction n'est nécessaire les 30 premiers jours) malgré la faiblesse du champ gravitationnel généré par l'astéroïde. Celui-ci génère une force du même ordre de grandeur que celle produite par lapression radiative exercée par le rayonnement solaire. Pour équilibrer cette dernière force, OSIRS-REx se maintient perpendiculaire au rayonnement solaire en survolant en permanence leterminateur de l'astéroïde. L'équipe scientifique constate dans cette phase, en examinant les images de la surface, que la surface comporte beaucoup de cratères d'impact, alors que ceux-ci devraient être progressivement effacés par les mouvements de terrain suscités par la faible cohésion de l'astéroïde, constitué par un empilement de roches peu compact. La densité des cratères implique que la surface a un âge compris entre 100 millions et 1 milliard d'années. La surface est très lisse, et les seules zones favorables à un prélèvement ont tout au plus de 10 à 20 mètres de diamètre, alors que la mission avait été conçue pour des zones sans obstacle de 100 mètres de diamètre[48].
Durant la première partie de la phase d'étude détaillée, qui se déroule entre mars et avril2019, plusieurs instruments sont utilisés de manière simultanée pour cartographier Bénou et déterminer ses caractéristiques spectrales, thermiques et géologiques. Durant cette phase, la sonde spatiale circule sur une orbite plus haute que l'orbite A, à environ 3,4 kilomètres du centre de l'astéroïde. Les photos sont réalisées depuis quatre positions de l'orbite. Les données recueillies permettent de déterminer la forme de l'astéroïde et de dresser une carte globale de la surface, avec une résolution de 4 centimètres, ainsi que des cartes thématiques sur des zones présentant un intérêt scientifique ou constituant un risque pour la sonde spatiale[49].
Durant la deuxième partie de la phase détaillée, qui se déroule entre avril et juin2019, la sonde spatiale s'éloigne un peu plus (à environ 5 kilomètres du centre de l'astéroïde), et effectue les prises d'images depuis sept positions différentes situées sur l'équateur. L'objectif est de construire des modèles permettant de déterminer comment la lumière du Soleil est réfléchie par la surface sous différents angles d'éclairage. Une carte des caractéristiques thermiques est également dressée, pour déterminer les régions, intéressantes ou encore à éviter, pour le prélèvement d'échantillons, mais également pour contribuer aux études géologiques ultérieures. À l'issue de cette phase, 12 sites d'atterrissage potentiels sont identifiés[49].
Sur une orbite plus rapprochée (orbite B), les instruments de la sonde spatiale effectuent une cartographie plus détaillée, qui permet d'identifier des sites potentiels pour le prélèvement d'échantillons du sol. Compte tenu du relief tourmenté de la surface, l'équipe projet a dû adapter son plan initial, d'une part en réduisant la taille des zones dégagées autour du site de prélèvement de 50 mètres à 5-10 mètres, et d'autre part en modifiant la méthode de navigation de la sonde spatiale lors de l'opération de prélèvement. Celle-ci se dirigera vers le sol de manière autonome, en utilisant les images prises par les caméras embarquées pour atteindre le site choisi tout en évitant les obstacles. Fin août2019, l'équipe scientifique sélectionne quatre sites d'atterrissage potentiels présentant un intérêt scientifique (présence de minéraux hydratés et de matériaux riches en carbone...) et comportant du régolite et des roches de moins de 2,5 centimètres de diamètre (taille compatible avec le fonctionnement du système de prélèvement TAGSAM). Deux de ces sites se trouvent près de l'équateur, et deux autres sont plus proches des pôles. Les sites sélectionnés sont baptisés avec des noms d'oiseaux originaires d'Égypte, pour rester dans la thématique de Bénou (nom d'un héron mythologique égyptien). Ces quatre sites sont[50] :
Le 8 aout2019 l'Union Astronomique Internationale décide de baptiser les principales caractéristiques du relief de Bénou de noms d'oiseaux réels ou mythologiques[51].
Durant la phase de reconnaissance, qui se déroule entre septembre et décembre 2019, la sonde spatiale étudie de manière détaillée les quatre sites sélectionnés, en circulant sur une orbite située à 1,7 kilomètre d'altitude. En s'approchant jusqu'à 225 mètres du sol, la caméraPolycam réalise des photos à haute définition des sites pour vérifier que la taille des roches présentes à la surface est compatible avec le fonctionnement du système de prélèvement d'échantillons de sol et ne présente pas un risque pour la sonde spatiale. L'équipe projet sélectionne le 12 décembre le site d'atterrissage Nightingale. Le choix est effectué sur deux critères : la quantité de matériaux constitués de grains de petite taille et la facilité d'accès. Le site de rechange est Osprey[50],[52]. Les deux sites remplissent plusieurs exigences :
Deux répétitions de la séquence prélèvement d'échantillon sont effectuées pour valider le déroulement des différentes étapes. La première répétition a lieu le 14 avril. La sonde spatiale quitte son orbite qui la maintient à un kilomètre de la surface et passe à moins de 65 mètres de celle-ci avant de réintégrer son orbite. L'un des objectifs assignés à cette répétition est de prendre des images à haute résolution du site sélectionné pour le prélèvement[53]. La deuxième répétition a lieu le 12 aout 2020. Trois des quatre étapes de la procédure de prélèvement sont réalisées : le changement d'orbite, l'étape de vérification autonome de la vitesse et de la position et enfin la synchronisation avec la vitesse de rotation de l'astéroïde. La descente vers le sol n'est interrompue que lorsque la distance n'est plus que de 40 mètres. L'objectif de cette répétition est de vérifier queOSIRIS-REx peut étendre le bras du système de prélèvement, valider le fonctionnement des communications avec la Terre durant la descente et de vérifier que le système decontrôle d'attitude parvient à maintenir le système de prélèvement perpendiculaire à la surface en utilisant lesroues de réaction[54].
La sonde spatialeOSIRIS-REx effectue sa première tentative réussie de prélèvement d'échantillons de sol de l'astéroïde le 20 octobre[55]. Le site choisi,Nightingale, est un espace rocheux d'un diamètre de 15 mètres situé dans l'hémisphère nord de Bénou. Il a été choisi parce que, sur son périmètre, le sol est recouvert de matériaux à grains fins et ne comporte pas d'obstacles susceptibles de gêner le déroulement des opérations. Mais sur son périmètre se trouvent des rochers de la taille d'une maison. La sonde spatiale doit donc, de manière autonome, effectuer une manœuvre de précision pour ne pas heurter un de ces rochers. Les opérations débutent lorsque la sonde spatiale quitte son orbite située à 770 mètres de la surface et commence à se rapprocher lentement de celle-ci. Le système de prélèvement est déployé et lespanneaux solaires sont inclinés vers le haut de manière à éviter qu'ils ne soient endommagés par les éjections. La sonde spatiale est à ce moment située à 334 millions de kilomètres de la Terre : un signal radio met 18,5 minutes à parvenir jusqu'au contrôleur au sol et si celui-ci envoie une commande en réaction à une information de la sonde, elle arrive au moins 37 minutes après l'envoi de cette dernière. Compte tenu de cette contrainte, toutes les opérations qui vont se dérouler sont menées par la sonde spatiale de manière autonome[56].
Quatre-vingt-dix minutes après avoir quitté l'orbite, lelogiciel de navigation embarqué NFT (Natural Feature Tracking) commence à comparer les images de la surface avec des photos de référence prises auparavant et, sur la base des résultats obtenus, corrige éventuellement la trajectoire. Au bout de quatre heures, la sonde spatiale atteint un premier point situé à 125 mètres de la surface et elle y effectue une manœuvre pour ajuster sa position puis accroît sa vitesse de descente vers la surface. Onze minutes plus tard, alors qu'elle se trouve à 54 mètres d'altitude, la sonde spatiale réduit sa vitesse et ajuste savitesse orbitale de manière à la faire coïncider avec la vitesse de rotation de Bénou. La sonde spatiale descend alors verticalement vers la surface avec une vitesse résiduelle de10 cm/s (0,36 km/h). Alors que la sonde spatiale est sur le point de prendre contact avec le sol, le logiciel NFT vérifie que la sonde ne se dirige pas vers une zone qui a été cataloguée comme dangereuse durant les opérations de reconnaissance (Si cela avait été le cas, la sonde spatiale aurait annulé la descente avant que l'altitude n'atteigne 5 mètres). La tentative du 20 octobre (22h08UTC) se déroule de manière nominale. Le bras robotisé au bout duquel se trouve le système de prélèvement TAGSAM touche la surface (c'est la seule partie de la sonde spatiale à toucher la surface) à seulement un mètre du centre de la zone sélectionnée, et reste en contact avec celle-ci durant 5 à 6 secondes. Un jet de gaz (azote) provenant d'un des trois réservoirs disponibles est expulsé du TAGSAM, ce qui soulève des particules de sol et de petites roches. Une partie d'entre elles sont récupérées par le système de prélèvement. La sonde spatiale utilise alors sa propulsion pour s'éloigner du sol à une vitesse de40 cm/s. Les photos prises par SamCam montrent que la tête du système de prélèvement a réduit en poussières de petites roches au moment du contact et que le jet de gaz a soulevé un nuage de particules, gages du succès probable du prélèvement[7],[41],[56],[57].
Au cours des jours suivant le prélèvement, les instruments d'Osiris-Rex sont chargés de confirmer le succès de l'opération. Cette confirmation est obtenue, d'une part, en étudiant les images de TAGSAM prises avec la caméra SamCam pour déterminer si celui-ci contient des échantillons de sol. L'objectif de la mission étant de recueillir une masse d'échantillons comprise entre 60 grammes et 2 kilogrammes, celle-ci, d'autre part, devait être mesurée en étendant le bras avec TAGSAM à son extrémité et en mettant en rotation la sonde spatiale autour d'un axe perpendiculaire au bras. La masse supplémentaire contenue dans le TAGSAM devait être évaluée en comparant lemoment d'inertie de la sonde spatiale à ce qu'il était avant le prélèvement. Compte tenu des marges d'erreur de cette méthode de mesure, l'objectif était considéré comme atteint si la valeur obtenue était d'au moins 150 grammes. Les images prises le 22 octobre confirment que le TAGSAM contient une quantité importante de régolithe et de petites roches mais elles montrent également qu'une partie s'en échappe lentement. Une des feuilles mobiles enmylar, censée empêcher les échantillons de quitter le TAGSAM, est en effet bloquée en position ouverte par des roches dont la taille ne leur permet pas de passer l'ouverture. Pour limiter ces pertes, les responsables de la mission décident d'annuler l'opération de pesée prévue le 24 octobre. Le stockage du TAGSAM dans la capsule SRC qui doit le ramener sur Terre, initialement prévu le 2 novembre, est avancé[58],[59]. Si le résultat du premier prélèvement avait été négatif, il était prévu que la sonde spatiale puisse faire deux nouvelles tentatives. Si l'une de celles-ci était effectuée sur le site de secours Osprey, elle aurait eu lieu en janvier 2021[56].
La délicate opération de stockage du TAGSAM dans la capsule débute le 27 octobre 2020. Elle comprend plusieurs étapes dont l'achèvement est vérifié à chaque fois par les équipes sur Terre à l'aide des images prises par une caméra dédiée (la StowCam). L'opération est longue car chaque échange avec la Terre dure 18,5 minutes dans chaque sens. Le TAGSAM est amené progressivement par le bras au-dessus de la capsule qui a été ouverte en vérifiant qu'il est parfaitement aligné au-dessus de sa future position de stockage. Les images montrent que de petites roches s'échappent du TAGSAM durant cette opération et l'équipe au sol vérifie qu'aucune d'entre elles risque d'empêcher la fermeture de la capsule. Le TAGSAM est alors placé dans la capsule sur un berceau comportant des crochets qui sont verrouillés. Le bras tente de soulever le TAGSAM pour s'assurer que celui-ci est solidement arrimé à la capsule. La sonde spatiale déclenche alors la séparation du bras et du TAGSAM en coupant d'abord le tuyau amenant l'azote jusqu'au TAGSAM puis en séparant les deux pièces mécaniques qui servent d'attache. Le 28 octobre au soir la capsule est refermée[60],[55]. La quantité de sol prélevée est évaluée à 250 grammes +/- 101 grammes[61].
La sonde spatiale continue ses observations depuis l'orbite après que la capsule s'est refermée. Le 10 mai2021 unefenêtre de lancement favorable s'ouvre pour le retour sur Terre etOSIRIS-REx quitte le voisinage de l'astéroïde[62]. À l'aide de sa propulsion, la sonde spatialeaugmente sa vitesse de0,32 km/s, ce qui la place sur une trajectoire balistique (sans recours supplémentaire à la propulsion) permettant un rendez-vous avec la Terre le 24 septembre2023.
Depuis les premières études sur la mission, les performances du lanceurAtlasV ont régulièrement progressé. Par ailleurs, la sonde spatiale a été développée avec une marge de masse qui n'a finalement pratiquement pas été utilisée. La combinaison de ces deux facteurs permet d'embarquer théoriquement plus d'ergols que prévu (le réservoir peut en contenir 140 kilogrammes de plus que les 1 095 kilogrammes programmés). Avec ce supplément de carburant, on peut envisager que la sonde spatiale reprenne le chemin de la Terre plus tôt que prévu (janvier2020 au lieu de), car elle disposerait de suffisamment d'ergols pour cette trajectoire moins optimale, qui demande undelta-V de935 m/s contre328 m/s selon les plans initiaux. Cette option n'est finalement pas retenue[63]. Plusieurs corrections de trajectoire de faible ampleur sont effectuées peu avant le survol de la Terre les 26 juillet, 10 septembre et 17 septembre 2023 pour ajuster la trajectoire. La dernière, qui modifie la vitesse de la sonde spatiale de 3 millimètres/seconde, permet de décaler le site d'atterrissage de 12,5 kilomètres vers l'est en le placçant au centre de la zone retenue, une ellipse de 58 sur 14 kilomètres située dans lePolygone de test et d'entraînement de l'Utah[64].
Quatre heures avant le survol de la Terre, alors que celle-ci est distante de 102 000 kilomètres, la sonde spatiale OSIRIS-REx largue la capsule contenant l'échantillon en réponse à une commande envoyée par les opérateurs au sol[Notes 4],[65]. La sonde spatiale effectue ensuite une manœuvre (changement de vitesse de17,5 m/s) qui lui permet d'éviter la Terre et de se placer sur uneorbite héliocentrique (autour du Soleil) stable. De son côté la capsule contenant l'échantillon pénètre dans l'atmosphère terrestre à une vitesse de12,2 km/s. La capsule est freinée dans les couches supérieures de l'atmosphère : 99 % de sonénergie cinétique devrait être dissipée sous la forme dechaleur, portant sonbouclier thermique à des températures atteignant plusieurs milliers de degrés. À environ 3 kilomètres du sol, un parachute est déployé et la capsule effectue un atterrissage en douceur dans lePolygone de test et d'entraînement de l'Utah (une zone désertique déjà utilisée pour la récupération de la capsule de la missionStardust) le 24 septembre à 16hTU (18h heure française) soit environ 7 ans après son lancement. Des équipes de récupération embarquées à bord de quatre hélicoptères s'envolent avant même l'atterrissage pour récupérer le plus rapidement possible la capsule. Pour localiser la capsule celle-ci est repérée par des instruments embarqués dans les hélicoptères dans la haute atmosphère grâce à sa signature infrarouge puis par des moyens optiques. Après récupération, elle est transportée dans un premier temps dans unesalle blanche provisoire installée dans un bâtiment existant du polygone pour extraire le container contenant les échantillons. Puis celui-ci est transportés par avion au centre spatial Johnson de Houston (Texas). Les échantillons sont remis à un laboratoire équipé d'instruments permettant d'analyser sa composition chimique[66],[7],[41],[67],[64]. Un incident, qui aurait pu avoir des conséquences catastrophiques, est survenu au cours de la descente : leparachute de freinage ne s'est pas déployé comme prévu, mais le parachute principal a pu compenser entièrement l'excès d'énergie cinétique. Par chance la présence non prévue du parachute de freinage n'a pas gêné le déploiement du parachute principal et ce dernier a rempli sa mission malgré l'absence de l'action stabilisatrice du parachute de freinage[68],[69].
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L'extraction des échantillons de sol de l'astéroïde contenus dans la capsule s'avère plus compliqué que prévu. Deux des 35 vis assurant l'étanchéité sont grippées et il faut près de 5 mois aux techniciens œuvrant dans le batiment 31 du centre spatial Johnson pour récupérer la totalité de la matière collectée. A cet effet ils développent un outil utilisable dans laboite à gants qui permet de venir à bout des vis récalcitrantes sans contaminer les échantillons. Ces opérations s'achèvent fin janvier 2024. La masse totale de l'échantillon est finalement de 121,6 grammes, soit la moitié de ce qui avait été estimé durant le vol (250 grammes) mais largement plus que l'objectif fixé à la mission (60 grammes). A titre de comparaison la mission japonaiseHayabusa 2, qui a mené une mission similaire à la même époque, n'a pu ramener que 5,4 grammes du sol de l'astéroïdeRyugu[69].
L'analyse des échantillons du sol de l'astéroïde ramenés parOSIRIS-REx doit s'étaler sur 2 ans. Il est prévu que 11,5 grammes (avec une marge de 3,5 grammes) fassent l'objet d'une analyse immédiate tandis que 70% de l'échantillon sera stocké pour des analyses futures lorsque de nouvelles techniques d'analyse auront été mises au point (cette procédure a également été appliquée aux échantillons de sol de la Lune ramenés par les astronautes desmissions Apollo). L'analyse immédiate consiste à déterminer les éléments chimiques présents et leur composition isotopique. À partir de ces résultats, les scientifiques vont essayer de reconstituer le passé de l'astéroïde : l'origine des éléments qui le composaient avant que lanébuleuse ne devienne leSystème solaire, la manière dont ceux-ci ont évolué au sein de lanébuleuse et les caractéristiques du corps céleste dont l'astéroïde a peut-être fait partie. Ces données seront utilisées pour valider les hypothèses émises sur l'évolution chimique et dynamique du Système solaire. Par ailleurs, les caractéristiques thermiques des échantillons sont mesurées pour affiner l'impact de l'effet Yarkovsky sur l'orbite de Bénou. Enfin, les résultats des analyses effectuées doivent permettre d'étalonner les mesures effectuées à distance (par le biais de télescopes…). Les 45 grammes restants sont archivés pour analyse par les générations suivantes de scientifiques, qui disposeront d'une instrumentation plus performante pour valider les modèles de formation du Système solaire qui seront alors en vigueur[70],[69].
Environ 6 mois après le retour de l'échantillon sur Terre, l'équipe d'OSIRIS-REx diffusera un catalogue fournissant suffisamment d'informations pour que lacommunauté scientifique puisse proposer des thèmes de recherche sur les échantillons. Durant le semestre suivant, l'équipe scientifique effectuera des mesures sur le sous-ensemble de l'échantillon qui lui est alloué pour remplir les objectifs de la mission. Des précautions particulièrement rigoureuses seront prises pour empêcher toute contamination des échantillons par des matériaux terrestres utilisés durant les manipulations. L'équipe a en particulier la volonté de tirer des leçons du déroulement des opérations menées sur les échantillons de la capsuleStardust[70].
Après le survol de la Terre et le largage de la capsule d'échantillons, la sonde OSIRIS dispose encore d'une quantité d'ergols suffisante pour entreprendre une nouvelle mission. En avril 2022 la NASA donne son feu vert à cette deuxième mission qui est baptisée OSIRIS-APEX (OSIRIS-Apophis Explorer). L'objectif de cette mission est de se placer en orbite autour de l'astéroïdegéocroiseur rocheux,de typeS,(99942) Apophis, pour en étudier les caractéristiques durant 18 mois. Cetobjet céleste, de par sa taille évaluée mais encore incertaine (environ 350 x 170 mètres), et son orbite, constitue l'un des objets les plus menaçants pour la Terre qu'il devrait survoler à seulement 31 600 kilomètres en 2029. Le coût de la mission est évalué à 200 millions US$[71] et la responsabilité scientifique passe àDaniella Mendoza Della Giustina (en), adjointe de D. Lauretta lors de la première mission[72].
Pour mener à bien cette mission, la sonde spatiale a modifié sa trajectoire 30 jours après le largage de la capsule. Vers 2029, quelques jours après le passage d'Apophis au plus près de la Terre, la sonde spatiale se placera en orbite autour de l'astéroïde et commencera une étude d'une durée de 18 mois. Grâce à la panoplie d'instruments disponibles, une grande quantité de données scientifiques pourront être collectées. La sonde spatiale effectuera les mêmes investigations que celles réalisées lorsqu'elle était en orbite autour de Bénou. Il est prévu qu'elle descende jusqu'à la surface de l'astéroïde et qu'elle étudie les caractéristiques du sol en utilisant par exemple le souffle de ses moteurs-fusées pour soulever des particules du sol[73].
Pour cette seconde mission de la sonde OSIRIS, l'équipe scientifique rentre dans une Coopération spatiale internationale appelée AMON-RA+ (pourApophisMONitoring-RamsesApexdestiny+) et regroupant les missionsRAMSES, APEX etDESTINY+, afin de se coordonner entre elles. Cette décision a été entérinée par les responsables scientifiques des missions concernées début avril 2025 à l'Université de Tokyo à l'occasion de la semaine desWorkshops Hera, Apophis - 4 et RAMSES[74].
Avant même le retour des échantillons du sol de l'astéroïde sur Terre, les instruments embarqués sur la sonde spatiale ont recueilli de nombreuses données qui ont permis d'en déduire plusieurs informations importantes sur les caractéristiques de Bénou et son processus de formation.
Selon les modélisations en vigueur, les astéroïdes géocroiseurs de la taille de Bénou (de l'ordre du kilomètre de diamètre) devraient avoir une surface jeune et fréquemment refaçonnée, en raison de deux types de phénomènes : les collisions fréquentes dans laceinture d'astéroïdes d'où proviennent ces corps, et les processus thermiques et de marée qui entrent en jeu à partir du moment où l'astéroïde devient un géocroiseur. Les observations basées sur ledénombrement des cratères d'impact de grande taille à la surface de Bénou montrent que celui-ci a un âge compris entre 100 millions et 1 milliard d'années, bien supérieur à ce qui est considéré comme la durée de vie moyenne d'un astéroïde géocroiseur. Bénou est couvert d'un très grand nombre de rochers fracturés dont la morphologie suggère l'influence d'impacts ou de processus thermiques sur une très grande échelle de temps[75].
Bénou – commeRyugu, l'astéroïde étudié par la sonde spatiale japonaiseHayabusa 2 –, est constitué d'un empilement de fragments d'un astéroïde parent brisé par une collision avec un autre corps céleste. Les fragments se sont agglomérés pour former un nouvel astéroïde. Les chercheurs ont tenté de déterminer à l'aide de simulations comment ce processus a abouti aux formes et aux caractéristiques minéralogiques des deux astéroïdes. Tous deux ont la forme d'une toupie avec un bourrelet équatorial prononcé. Cette forme était jusque là expliquée par l'effet YORP qui, en accélérant la vitesse de rotation, aurait fait migrer des matériaux depuis les pôles jusqu'à l'équateur. Mais la présence de cratères, parmi les plus anciens de Bénou, à la surface des bourrelets équatoriaux semble exclure cette explication. Les simulations indiquent que ce bourrelet a pu se former dès la création de l'astéroïde ou peu après. La surface des deux astéroïdes présente des différences d'hydratation. Deux hypothèses sont émises. Cela pourrait être dû à l'origine des fragments à partir de laquelle l'astéroïde s'est formé : ceux provenant du centre de l'astéroïde parent sont moins hydratés que ceux provenant de la surface. Une autre explication serait la distance des fragments par rapport à la zone d'impact ayant détruit l'astéroïde parent. Les fragments situés près de l'impact ont subi un échauffement plus prononcé et ont perdu une partie de leur eau. L'analyse des échantillons des deux astéroïdes après leur retour sur Terre devrait permettre de fournir de nouveaux éléments d'explication[76].
Durant l'approche de l'astéroïde, une campagne d'observation a été menée pour détecter d'éventuels satellites d'une taille supérieure à quelques dizaines de centimètres. Aucun n'a pu être détecté. La quantité de poussière éjectée de la surface de Bénou a été évaluée à 150 grammes par seconde. La vitesse de rotation de Bénou accélère de manière continue, avec un taux de 3,63×10-6 degrés/jour², sans doute à cause de l'effet YORP[75].
La structure interne de Bénou est caractérisée par uneporosité importante. À partir des mesures du champ de gravité, les scientifiques ont déduit que la densité interne était très hétérogène. Le bourrelet équatorial est quant à lui peu dense. Cette caractéristique, ainsi que la présence de rochers de très grandes dimensions à sa surface, permettent de déduire que l'astéroïde est constitué d'une pile de débris. La présence d'arêtes allant du pôle nord au pôle sud, de longues failles et de glissements de terrain, indique un faible niveau de friction interne et/ou de cohésion. Les modèles permettent de déduire que Bénou s'est formé par accumulation de débris et que l'astéroïde a connu par le passé des périodes de rotation rapide qui expliquent sa forme de toupie. Actuellement Bénou évolue dans des conditions différentes, et la faible cohésion de ses constituants déclenche des glissements de terrain et la formation de failles[75],[77].
Alors que les modélisations effectuées à partir de données recueillies par des mesures de polarisation du signal radar et de l'inertie thermique tablaient sur une surface lisse recouverte de particules d'un diamètre de l'ordre du centimètre, les images de Bénou montrent une surface d'une grande diversité. L'albédo, la texture, la taille des particules et la rugosité de la surface ne sont pas celles pour lesquelles la sonde spatiale a été conçue. Ce constat remet en cause la modélisation utilisée, qui lie l'inertie thermique à la taille des particules présentes à la surface. Les données recueillies montrent l'existence d'une grande diversité de taille des particules, avec des albédos complètement différents, qui démontrent que, selon le cas, elles proviennent des astéroïdes parents ou qu'elles se sont forméesin situ. La stratégie de prélèvement d'échantillons reposait sur l'existence de zones de 50 mètres de diamètre, recouvertes de régolithe avec des grains d'un diamètre de l'ordre de deux centimètres. Les images prises par les caméras n'indiquent qu'un petit nombre de zones dégagées de tout relief, dont le diamètre ne dépasse pas 5 à 20 mètres, ce qui a imposé de revoir le processus de prélèvement[75].
Six roches d'une taille comprise entre 1,5 à 4,3 mètres de diamètre situées dans l'hémisphère sud et près de l'équateur sont nettement plus brillantes que tous les autres matériaux observés à la surface de Bénou. En se basant sur leur composition chimique, les scientifiques de la mission estiment probable que ces roches soient desfragments de l'astéroïde Vesta (vestoïdes). En utilisant le spectromètre infrarouge OVIRS, les chercheurs ont identifié la présence depyroxène, une caractéristique typique des roches deVesta[78].
Les chercheurs avaient déjà étudié sur d'autres corps célestes exposés au vide les conséquences sur l'évolution de leur surface des bombardements demétéorites et des rayonnements (vent solaire,rayonnement cosmique). Les données recueillies sur Bénou ont permis de mettre en évidence un autre phénomène d'érosion spatiale : la fracturation thermique des roches résultant des changements de température. Ce processus modifie la taille et les formes des rochers en les réduisant progressivement en petits galets et en régolithe ce qui contribue à modifier au fil du temps l'apparence de la surface. Sur Bénou le cycle jour/nuit fait varier la température en surface entre−73 °C et +127 °C. Les roches se dilatent le jour avant de se contracter de nuit ce qui finit par créer des fissures qui s'étendent progressivement. Les images recueillies par les caméras OCAMS ont montré des petites fractures de moins d'un centimètre, des phénomènes d'exfoliation de la surface des roches sur une épaisseur comprise entre 1 et 10 centimètres et des craquelures suivant une direction nord-sud qui ne peuvent résulter que d'un processus de fracturation thermique. Ce phénomène complique la datation des surfaces en introduisant un nouveau paramètre dont l'effet à long terme est difficile à évaluer et dont l'incidence varie fortement selon les corps célestes (il dépend de l'éloignement du Soleil, de ladurée du jour et de la nature des roches)[79].
Conformément à ce qui était attendu, Bénou est composé de matériaux hydratés et riches envolatils. Ces caractéristiques sont déduites de laraie d'absorption à 2,7micromètres (procheinfrarouge) et de l'inertie thermique qui est très proche de celle deschondrites carbonées de type CM. Bénou pourrait faire partie des objets célestes ayant apporté des volatils et des composés organiques à la Terre, lors de la formation de celle-ci[75]. Les matériaux organiques sont abondants et pourraient contenir du carbone sous les formes présentes en biologie ou associées à la biologie. Il est probable que les échantillons prélevés et ramenés sur Terre contiendront ces matériaux organiques, remplissant ainsi l'un des principaux objectifs de la mission. Des veines brillantes – parfois longues de plus d'un mètre et de plusieurs centimètres d'épaisseur – ont été observées sur des rochers et ont été identifiées comme étant ducarbonate, lequel pourrait avoir été produit par des systèmes hydrothermaux qui auraient existé sur le corps céleste à l'origine de Bénou[77].
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