21 Mars 2011

Cosmic Vision : présélection M3

Quatre missions ont été présélectionnées fin février 2011 pour la mission M3 du programme Cosmic Vision de l'ESA.

 

Cosmic Vision 2015-2025

Cosmic Vision 2015-2025

Les quatre missions préselectionnées :

  • EChO (Exoplanet Characterisation Observatory sera dédiée à l’étude spectroscopique de l’atmosphère de planètes extrasolaires.
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  • Loft (Large Observatory For X-ray Timing) étudiera les phénomènes rapides de hautes énergie, en particulier à proximité des trous noirs et des étoiles à neutrons.
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  • MarcoPolo-R sera une mission de retour d'échantillons d'un astéroïde proche de la Terre.
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  • STE-Quest (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test) mesurera l’effet de la gravité sur la matière et le temps et de tester le principe d'équivalence au niveau atomique.

Les études de faisabilité dureront de 18 à 24 mois. Ensuite, une seule mission sera retenue pour un lancement envisagé vers 2022-2023.

Echo

Echo étudiera les exoplanètes

Echo

Echo - exemple de transit primaire et de transit secondaire

EChO (Exoplanet Characterisation Observatory) est une mission de caractérisation des exoplanètes, proposées par un large consortium de laboratoires du Royaume-Uni, de France, d’Allemagne, des Pays-Bas, d’Italie, d’Espagne, de Suisse et des Etats-Unis. La mission tentera de déterminer les paramètres physico-chimiques (profils de température et de pression, composition…) ainsi que la dynamique de l’atmosphère des exoplanètes (météorologie).

La difficulté classique dans ce domaine est de parvenir à distinguer la lumière émise par la planète de celle, plusieurs milliards de fois plus élevée, de son étoile parente. EChO contourne cette difficulté en analysant les variations temporelles de la lumière totale émise par le binôme planète+étoile. En effet, lors de sa révolution autour de l’étoile, la planète se présente dans différentes phases, c’est-à-dire différentes conditions d’éclairement. Si la lumière de l’étoile est suffisamment stable ou si ses variations sont bien connues, l’évolution de la lumière totale reçue provient uniquement de la succession de ces phases de la planète. Des mesures photométriques et spectroscopiques très précises et stables donnent alors accès à la réflectance, ou albedo, de l’atmosphère de la planète, et à sa composition.

Dans le cas de planètes en transit, cette technique se révèle particulièrement puissante puisqu’on peut même analyser l’absorption de la lumière de l’étoile par l’atmosphère de la planète lors du transit primaire (la planète passe « devant » l’étoile) et son émission lors du transit secondaire (la planète passe « derrière » l’étoile).

La recherche de bio-signatures est bien entendu au cœur des objectifs, mais également le premier inventaire des caractéristiques atmosphériques des exoplanètes –que l’on s’attend à trouver beaucoup plus diversifiées que dans le système solaire– et de l’interaction entre ces atmosphères et l’étoile parente. EChO s’intéressera à un échantillon allant des super-terres au géantes gazeuses, autour d’étoiles diverses et à des distances variées de celles-ci

Le satellite emportera au point de Lagrange L2 un télescope de 1.5m de diamètre refroidi passivement à 50K, et alimentant plusieurs spectro-photomètres couvrant une gamme de longueurs d’onde du visible (0.4µm) à l’infrarouge (16µm) et refroidis à 30 K.

LoFT

LOFT étudiera les étoiles à neutrons et les trous noirs
LOFT

LOFT

 

LOFT (Large Observatory For X-ray Timing) est une mission destinée à l’étude de la matière en phase très dense (étoiles à neutrons) et de la gravité en champ fort (voisinage des trous noirs). Le projet est proposé par un large consortium de laboratoires européens.

L’Univers constitue un laboratoire unique pour étudier des phénomènes qu’il est impossible de produire sur Terre. La densité extrême des étoiles à neutrons –supérieure à celle d’un noyau atomique– , la gravité considérable qui règne au voisinage de l’horizon des trous noirs –la distance au trou noir à partir de laquelle rien, pas même les photons, ne peut plus s’échapper–, et les puissants champs magnétiques en jeu rendent ces objets particulièrement intéressants pour tester nos principales lois physiques (mécanique quantique et relativité générale) dans des cas extrêmes.

Cependant, ces objets ne sont pas directement observables : les trous noirs « par définition », et les étoiles à neutrons parce qu’elles sont très compactes (typiquement 20 km de diamètre) et n’émettent pas de lumière. En revanche, la matière qui les entoure, violemment accélérée, rayonne fortement. Cette luminosité, maximale dans le domaine des X, connaît des variations temporelles spectaculaires –on parle de variables cataclysmiques– , révélatrices des phénomènes en jeu tels que phases d’accrétion de matière, ou rotation à très grande vitesse (plusieurs dizaines voire plusieurs centaines de tours par seconde). Pour étudier ces phénomènes, il est donc primordial de pouvoir dater finement les photons reçus. Une bonne résolution spectrale donne en outre accès à d’autres paramètres, tels que des vitesses, via l’effet Doppler.

Le concept de LOFT repose sur une grande surface de détection (18 m2, soit plus 10 fois plus que les missions précédentes), une datation à quelques microsecondes près des photons reçus et une mesure à quelques pourcents près de leur énergie, dans la gamme des rayons X de 2 à 30 keV. Les détecteurs sont répartis sur des panneaux déployables et recouverts de plaques de microcanaux permettant de stopper les rayonnements ne provenant pas de la source observée. Le satellite pourrait être lancé par une fusée Vega sur une orbite basse équatoriale.

mARCO POLO-r

MarcoPolo-R ramenera des échantillons d'un astéroïde
Marco-Polo R visitera l'astéroïde 1996 FG3

L'astéroïde 1996 FG3 - crédit photo : DLR

MarcoPolo-R est une mission de retours d’échantillons d’un astéroïde primitif proche de la Terre. Les analyses de ces échantillons doivent permettre d’étudier la matière primitive qui s’est agglomérée pour former les planètes il y a 4,6 milliards d’années. Un objectif est d’analyser la composition et la nature de la matière organique primitive rapportée afin de déterminer le lien pouvant exister avec les molécules nécessaires au vivant. De plus, ces échantillons doivent contenir du matériau pré-solaire dont les analyses apporteraient des informations clés sur les processus physico-chimiques existant dans le milieu interstellaire.

La proposition est dérivée de celle soumise pour les missions moyennes M1 et M2. La cible choisie est l’astéroïde binaire de type C 1996 FG3. Une masse inférieure à 2 kg d’échantillons serait rapportée sur Terre. Le lancement nominal est prévue en avril 2021 (backup janvier 2022) par un lanceur Soyouz. La durée de la mission est alors de 8 années pour un séjour au voisinage de l’astéroïde de 16 mois. La vitesse d’entrée de la capsule serait de 13,6 km/s

Un atterrisseur pour réaliser des analyses in situ de l’astéroïde est envisagé en option.

Cette mission est prévue en coopération avec le laboratoire américain APL qui fournirait certains sous-systèmes.

Enfin, il est proposé que l’ESA contribue dans le cadre d’une MOO (Mission of Opportunity) à la mission OSIRIS-Rex de retours d’échantillons d’un astéroïde actuellement en compétition dans le cadre des mission New Frontiers pour un lancement en 2016.

STE QUEST

STE Quest expérience de physique fondamentale

La mission est dédiée à la mesure des effets de la gravitation sur le temps et la matière, grâce à une horloge à atomes froids et à un interféromètre à ondes de matière, les deux pouvant être combinés dans un même instrument.

La proposition reprend les arguments de la mission Aces/Pharao et s’appuie sur les développements technologiques déjà réalisés (horloge Pharao, lien micro-onde MWL, …).

Les objectifs de ces missions sont de même nature (comparaison d’horloges au sol, mesure du décalage gravitationnel, …) mais STE-QUEST présente un gain de performance. Le choix d’un satellite dédié sur une orbite fortement elliptique permet de faire varier le potentiel gravitationnel. Il s'agit également d’une nouvelle génération d’instruments issue de travaux de R&T telle qu'une horloge optique utilisant une transition dans le domaine optique au lieu du domaine micro-onde (atome de rubidium à la place du césium) ou un lien optique en complément du lien micro-onde.

Un autre objectif de physique fondamentale est ajouté concernant le test d’universalité de la chute libre au niveau atomique (avec deux isotopes du rubidium), dans la configuration d’un interféromètre à ondes de matière. Cet objectif a donné lieu à des travaux de R&T au CNES et à l’ESA. En France notamment, le prototype ICE (Interférométrie Cohérente dans l’Espace) développé par l’Institut d’optique, le Syrte et l’Onera est testé actuellement en vol parabolique. La durée de la mission est de 5 ans.

Plusieurs options sont proposées, en fonction de la maturité technologique des instruments.

La mission pourrait aussi être utile pour cartographier le champ de gravité de la Terre à l’aide d’horloges, en complément des missions de type Goce.

 



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