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  • Synthse des rflexions du Groupe de Travail Systme Solaire (GTSS) du CNES :

    Y. Benilan (LISA), D. Delcourt (LPP), A. Doressoundiram (LESIA), T. Fouchet (LESIA), O. Grasset (LPGN), T. Guillot (OCA), S. Maurice (IRAP, prsident), P. Michel (OCA), F. Montmessin (LATMOS), F. Poulet (IAS), V. Sautter (MNHN), M. Toplis (IRAP), M. Wieczorek (IPGP),

    Thmaticien CNES : F. Rocard

    Les messages importants du GTSS sont souligns, les recommandations encadres.

    1. Contexte.

    1.1. Grandes questions

    Pour cette synthse des grandes questions en plantologie, nous partons des visions de la NASA (Decadal Survey, mars 2011), de lESA (Cosmic Vision, 2005) et dans une moindre mesure de lUnion Europenne (Astronet, 2007, rvision fv. 2013). Ltude du Systme Solaire sorganise autour de 3 grandes thmatiques :

    Origine du Systme Solaire & Matire Primitive

    Cest la dimension astrophysique quon explore ici, celle de la formation des objets du Systme Solaire il y a 4,56 milliards dannes partir dune nbuleuse gazeuse contenant des restes dtoiles des gnrations prcdentes : quels taient les premires tapes, les conditions et les processus luvre lors de la formation du Systme Solaire et quelle tait la nature de la matire interstellaire incorpore (Q1.1) ? De ce nuage de matire interstellaire, naissent deux types de plantes de part et dautre de la ligne des glaces . A lintrieur, les plantes telluriques : quels sont les mcanismes qui ont jou dans les processus d'accrtion, les processus chimiques et la diffrenciation des plantes internes et l'volution de leur atmosphre (Q1.2) ? A lextrieur de la ligne des glaces, les plantes gantes et glaces : comment se sont-elles agrges, et surtout, comment leurs satellites se sont-ils forms (Q1.3) ? Les modles dynamiques les plus rcents (modle de Nice, Grand Tack scenario) et les observations dexoplantes de type Jupiter-chaud aussi prs de leur toile que Mercure du Soleil montrent que les gantes peuvent migrer : a-t-on des preuves que les plantes gantes de notre systme Solaire aient modifi leur position orbitale (Q1.4) ? Le bombardement tardif (Late Heavy Bombardment LHB) il y a 3,9 milliards dannes, sil a bien exist, est-il une des consquences de ces mouvements migratoires ? Pour toutes ces plantes, et plus particulirement la Terre, nous devons nous poser la question de lorigine de leau : rsulte-t-elle du dgazage primordial de la plante ou fut-elle apporte ultrieurement par impacts successifs (Q1.5) ?

    La thmatique des origines a extraordinairement volu ces dernires annes, grce lobservation dexoplantes diffrents stades de leur volution, grce de nouvelles donnes des missions autour de petits corps, au renouveau de lexploration de la Lune, la simulation numrique et toujours grce lamlioration des performances de lanalyse en laboratoire dchantillons extraterrestres (retour dchantillons, mtorites).

    Proprits et volution des plantes

    Il sagit ici de comprendre lvolution du Systme Solaire aprs sa formation : comment la multitude des processus chimiques et physiques ont-ils opr, interagi et volu dans le temps (Q2.1) ? Les processus physico-chimiques luvre se doivent dtre tudis dans leur globalit. Nous avons ici coutume de parler de plantologie compare , la rfrence la Terre tant explicite et au cur de la thmatique. Ltude des plantes gantes dans leur ensemble et leurs interactions (plantes satellites anneaux magntosphres) est particulirement instructive : peut-elle servir de laboratoire pour comprendre les processus luvre dans le Systme Solaire et dans les systmes plantaires lointains (Q2.2) ? La comparaison stend aux climats plantaires : la physico-chimie et la dynamique

  • luvre dans les atmosphres plantaires, ainsi que les interactions surface-atmosphre, peuvent-elles permettre une meilleure comprhension de lvolution du climat de la Terre (Q2.3) ?

    La vision globale du systme de Saturne, les tudes trs dtailles de Vnus, Mercure et surtout Mars ont normment fait progresser cette thmatique. Surfaces et atmosphres sont trs bien caractrises ; nanmoins les structures internes sont encore difficiles daccs.

    De plus en plus de spcialistes des gosciences font de la plantologie et apportent leur savoir-faire. En retour, ltude des plantes fait progresser la comprhension de lorigine et de lvolution de la Terre.

    Habitabilit des plantes

    Ltude de la vie et de ses origines est dsormais une thmatique part entire de la plantologie. Dans un premier temps on sintresse, trs lgitimement, la chimie organique qui est la base de tous les tres vivants sur Terre : quelles sont les premires sources de matire organique ? O se perptue aujourd'hui la synthse organique (Q3.1) ? Quant aux conditions favorables lapparition de la vie, on parle dhabitabilit, la question est plutt au pass pour les voisines de la Terre : les plantes Mars et Vnus ont elles connu autrefois des environnements propices la vie ? Existe-t-il des preuves que la vie soit apparue sur ces plantes (Q3.2) ? Mais on ne nglige pas pour autant la recherche dune vie extraterrestre aujourdhui : existe-t-il actuellement des habitats dans le Systme Solaire qui runissent les conditions ncessaires - matire organique, eau, nergie, substance nutritive - pour que la vie apparaisse et se maintienne ? Existe-t-il actuellement des organismes vivants dans certaines niches cologiques sur Mars, Europe ou Encelade (Q3.3) ?

    Cette thmatique est clairement partage avec le groupe de travail Exobiologie du CNES. En labsence de preuves de vie extraterrestre, les deux groupes travaillent indpendamment lun de lautre : le groupe Systme Solaire soccupe de la caractrisation physico-chimique des milieux, tandis que le groupe Exobiologie conduit des tudes chimiques et biologiques autour de lorigine de la vie et de son dveloppement. Plusieurs missions (Mars, satellites des plantes gantes) sont suivies par les deux groupes.

    Les trois thmatiques ont t remarquablement couvertes par les missions en cours depuis Biarritz. Les questions affrentes ont volu pour prendre en compte ces derniers rsultats. Les thmes origines et habitabilit demandent tre approfondis. Le thme plantologie compare produit des informations de base pour toute la physique du Systme Solaire.

    1.2. Contexte national et international

    En plantologie, le contexte scientifique et programmatique est exclusivement international, domin par les programmes spatiaux de lESA et de la NASA. Au dbut des annes 2000, de nouveaux partenaires ont merg (Japon, Inde, Chine) et ils sont maintenant en mesure de proposer la communaut internationale de relles opportunits de vol, alors que la Russie tente de construire un programme dexploration ambitieux.

    Le Decadal Survey de la NASA (mars 2011) structure la programmatique amricaine de lexploration du Systme Solaire, autour de 3 programmes et leurs priorits : les missions lourdes, dites Flagship avec comme priorit : 1/ la prparation du retour dchantillons martiens, 2/ Jupiter-Europe, 3/ Orbiteur et sonde vers Uranus ; les missions moyennes dites New Frontiers dont les priorits sont : 1/ Retour dchantillons comtaires, 2/ Retour dchantillons du bassin Aitken de la Lune, 3/ Sonde dans Saturne, 4/ Astrodes troyens, 5/ Exploration in situ de Vnus ; les petites missions du programme Discovery (pas de priorits). Notons quil ny a plus proprement parler de programme ddi lexploration de Mars, mme si cette plante conserve un attrait spcifique aux US.

    Depuis 2005, lESA structure sa programmatique autour du programme scientifique obligatoire Cosmic Vision. Il prend la suite des programmes Horizon 2000 (1984) et Horizon 2000 Plus (1994-

  • 1995) l'origine des missions scientifiques lances entre 1990 et 2014. Les premires missions du programme Cosmic Vision ont t dcides : L1, M1, M2, M3. Les opportunits L2/L3 sont dores et dj premptes (Univers chaud, Univers gravitationnel). Lopportunit M4 est encore pourvoir, ainsi que le crneau L4. Le programme Cosmic Vision est la colonne vertbrale du programme dexploration spatiale en Europe. Il existe depuis 2012 dans ce programme, un volet petites missions (S-class). La mission S1 (CHEOPS, transit exoplantes, lancement 2017) est engage en partenariat avec la Suisse.

    Le second pilier de la programmatique ESA est le programme optionnel dexploration robotique qui vise voir se concrtiser, moyen terme, une mission de retour dchantillons de Mars (Mars Sample Return ou MSR). La premire mission de ce programme est ExoMars (composantes 2016 et 2018). Par la suite, plusieurs missions seront engages pour valider les technologies ncessaires lobjectif principal ; il sagit de contribuer aux missions russes Luna Resurs orbiter et lander (2018 & 2019) et LPSR (2020/22), puis des missions dites intermdiaires (PHOOTPRINT ou/et MPL/SR ou/et INSPIRE) avant la mission MSR autour de 2030.

    Note : La Commission Europenne sinscrit maintenant comme un partenaire durable de la recherche spatiale. Dans le programme FP7, le CNRS a t PI de linfrastructure de recherche Europlanet qui a permis dintgrer lchelle europenne la communaut des sciences plantaires. Dans le cadre de Horizon 2020, la communaut souhaite continuer la structuration des sciences plantaires avec un nouveau projet Europlanet. En concertation avec lESA, la commission europenne a galement lanc des appels doffre cibls sur lexploitation scientifique de la mission Rosetta, la prparation de lexploration martienne et lunaire, et le financement dune curation facility. Ces programmes participent activement la structuration de la communaut, mais ne sont en aucun cas proposants de nouvelles opportunits spatiales.

    1.3. Etat de la programmatique en plantologie

    La figure 1 fait tat de la programmatique dcide aujourdhui en plantologie. Les missions en cours dcides par les agences spatiales (ESA, NASA, JAXA, Roscosmos) couvrent les 3 thmatiques scientifiques dfinies en 1.1.

    2. Bilan depuis Biarritz

    2.1. Rsultats scientifiques

    La priode 2009 2013 a t extraordinairement fconde pour la plantologie franaise. Le site des missions scientifiques du CNES, http://smsc.cnes.fr, reprend certains des rsultats obtenus. Nous dcrivons les progrs depuis Biarritz par objet, et donnons des lments de perspective dj engags court et moyen terme.

    Petits corps. Les comtes et les astrodes ont conserv la mmoire de la composition initiale de notre Systme Solaire et de lenvironnement dans lequel nos plantes se sont formes. Cest pourquoi les missions spatiales et les observations depuis la Terre se concentrent sur lanalyse de leur composition et de leur structure. Ces observations ont mis en vidence la grande varit de leurs proprits physiques et de leurs compositions. Les images trs haute rsolution ont aussi permis de comprendre quun rgolithe couvre souvent leurs surfaces, ce qui complique lanalyse de leur composition globale. Plusieurs missions ont permis de caractriser rcemment certains objets de prs (Figure 2a): Dawn autour de Vesta en 2011 (Crs en 2015), Rosetta survolant Lutetia en 2010. Lactualit fut aussi marque par le retour dun millier de micrograins (< 10 microns) de lastrode Itokawa en 2010 par la mission Hayabusa. Cet objectif de retour dchantillons primordiaux fins danalyses pousses dans les laboratoires motive clairement les missions venir, Hayabusa-2/JAXA et OSIRIS-Rex/NASA. A trs court terme, la communaut scientifique attend la mise en orbite de Rosetta autour de la comte 67P/Churyumov-Gerasimenko en mai 2014 et latterrissage du lander Philae en novembre.

  • La Lune. La lune ncessite une attention particulire dans le cadre de la prospective. Il faut rappeler que la science de la Lune ntait pas apparue comme une priorit Biarritz, exception faite de ltude de sa structure interne par sismologie. Pourtant, les missions spatiales se sont succdes depuis lors : suite Lunar Prospector en 1998, puis aux missions de 2007-2008 (Selene, Chang'e-1, Chandrayaan-1), la Lune a t explore presque chaque anne par une nouvelle mission (Lunar Reconnaissance Orbiter et LCROSS en 2009 ; Chang'e-2 en 2010 ; GRAIL, en 2011 ; puis LADEE en 2013). Au cours de ces missions, la Lune a finalement t cartographie quasi-totalement trs haute rsolution (ex. Figure 2b), son atmosphre analyse en dtail, les volatils des rgions polaires identifis et les caractristiques de son champ gravitationnel explores, avec un focus particulier sur les fortes anomalies associes aux grands cratres dimpact. Les questions associes lorigine et lvolution du satellite, tout particulirement sa structure interne, au couplage Terre-Lune, lamplitude du flux mtoritique et aux interactions avec le vent solaire, bnficieraient de nouvelles donnes lunaires.

    Mercure. Mercure se caractrise par une surface trs vieille, une atmosphre extrmement tnue forme de particules issues du vent solaire ou jectes de la surface, et un champ magntique intrinsque trop faible pour la protger du vent solaire en permanence. Depuis sa mise en orbite en 2011, la mission Messenger a chang notre connaissance de cette plante grce une exploration dtaille focalise sur quatre objectifs majeurs : histoire gologique (via une couverture complte de la surface du visible linfrarouge moyenne et haute rsolution) ; tude de la dynamo interne (via une caractrisation du champ magntique intrinsque) ; caractrisation du noyau et identification de la zone fondue (via ltude des champs gravitationnels) ; composition des rgions polaires protges du Soleil (dont la confirmation de glaces deau par spectroscopie neutron). En parallle, un programme dobservations tlescopiques se poursuit (ex. Figure 2c). Lexploration de Mercure nen est qu ses dbuts et va se poursuivre avec les deux sondes de la mission BepiColombo MPO et MMO (dcollage 2016 / arrive 2024). Celles-ci fourniront un vaste ensemble d'observations de la plante et de son environnement qui sont attendues autant par les gologues et gophysiciens que par la communaut des plasmas.

    Mars. Mars demeure lobjet plantaire sur lequel se concentrent le plus defforts en termes dexploration, suivant divers objectifs scientifiques (gophysique, gologie, climatologie et exobiologie). Depuis 2000, 4 orbiteurs ont fonctionn avec succs, ainsi que 3 rovers et 1 atterrisseur. Les faits les plus marquants et les plus rcents concernent les rsultats du rover Curiosity. On savait depuis longtemps que de leau liquide a circul en surface (traces dactivit fluviatile, localement lacustre, prsence de minraux daltration comme les argiles dcouvertes par Mars Express). Curiosity apporte de nouvelles contraintes sur lhabitabilit passe de Mars par la dcouverte et la caractrisation de sdiments fluviaux et lacustres : prsence conjointe de phyllosilicates, de magntite et de sulfates dans des sdiments trs fins dposs dans leau (Figure 2d). Les analyses ont aussi rvl une grande diversit chimique du sol martien, et surtout le fait que le sol le plus fin contient beaucoup dhydrogne, d leau la fois adsorbe et constituante de minraux du sol, ce qui pourrait constituer une partie importante du rservoir d'eau prsent la surface de Mars. L'origine de ce rservoir est l'une des cls de la comprhension de l'volution du climat martien rcent. Curiosity a aussi permis les mesures les plus prcises jamais faites de la composition atmosphrique (incluant labsence de mthane) et plus spcifiquement des isotopes de l'argon, de lhydrogne et du carbone dans l'atmosphre martienne. Celles-ci apportent des trs fortes contraintes sur les modalits de la perte de latmosphre de la plante. Dans le cadre des prcdentes prospectives, il tait clairement envisag une mission de retour dchantillons lhorizon 2020. Ce calendrier nest plus dactualit, mais leffort continue : Mars2020 (NASA) prvoit une collecte dchantillons pour un retour ultrieur sur Terre ; la mission ExoMars est en cours de dveloppement. Notons aussi deux missions plus focalises, sur lchappement atmosphrique de Mars (MAVEN, 2013) et la structure interne (InSight, 2016).

    Vnus. De par ses similarits comme ses disparits avec la Terre, lexploration de Vnus est un axe fort de la plantologie moderne. Lun des enjeux les plus importants de son tude est de retracer son histoire climatique, couple celle de son intrieur. Venus Express est lunique mission apporter de nouvelles donnes sur cette plante depuis 2006 (arrt prvu en 2014). Venus Express a apport une connaissance dtaille de la haute atmosphre et de la composition de latmosphre sous les nuages.

  • Parmi les faits marquants, il convient de noter la dtection du dioxyde de soufre au sommet de nuages qui pourrait suggrer que certains volcans de Vnus sont encore actifs (Figure 2e), la mise en vidence de la trs forte acclration des vents sur six ans qui reste ce jour inexplique, ainsi quun possible ralentissement de la rotation de la plante sur elle-mme. De nombreux projets ont t soumis lESA et la NASA pour dfinir les missions futures. Aucune na t slectionne ce jour.

    Les satellites des plantes gantes. Les satellites des plantes gantes possdent trs probablement des rservoirs liquides sous les glaces, exception faite dIo. Pour Europa et Encelade, il est admis quils constituent des environnements habitables car leau peut tre en contact direct avec les roches sous-jacentes. Pour Ganymde, Callisto et Titan, les rservoirs liquides sont pigs entre deux couches de glaces ce qui empche peut-tre les changes chimiques et nergtiques entre les silicates et locan, changes jugs ncessaires lhabitabilit de ces environnements. Mentionnons aussi le caractre unique de Ganymde qui est le seul corps du Systme Solaire o interagissent trois champs magntiques (champ jovien, champ intrinsque et champ induit par locan profond), lextraordinaire activit au niveau des ples dEncelade et dEurope et lextrme complexit de la gologie des petites lunes qui nous aide mieux comprendre les processus de formation des systmes plantaires, ou encore la forte activit de Io lorigine du magntodisque jovien. Les nombreuses dcouvertes de ces dernires annes, en particulier sur Titan (96me survol en 2013 - variations saisonnires de la dynamique atmosphrique (ex. Figure 2f) et du niveau des lacs, contraintes sur la structure interne, dcouvertes de nouveaux composs complexes comme le propylne, ) et Encelade (18me survol en 2012 - caractrisation des volatils dans les geysers, analyse de la structure 3D et de la variabilit des plumes) laissent prsager dune activit toujours intense sur les 4 annes venir (arrt programm de Cassini en 2017). Il faudra ensuite attendre 2030 avec larrive de JUICE dans le systme de Jupiter pour de nouvelles donnes, sauf si la NASA engage finalement Europa Clipper, une mission ddie ltude de la lune Europe. A noter que Juno ne fera pas de mesures concernant les satellites.

    Les plantes gantes. Saturne est la seule plante pour laquelle des informations de premier ordre ont t obtenues rcemment. Lobservation multi-instruments rgulire haute rsolution par Cassini sur bientt dix ans a mis en vidence de nombreux phnomnes mtorologiques inattendus qui sont autant dindications de la complexit de la dynamique interne et des couplages existant entre les diffrentes couches de latmosphre : ouragan du ple Nord (Figure 2h), observation dune tempte globale en 2011, absence d'volution saisonnire des courants-jets sauf l'quateur, etc. Il faut y ajouter ltude trs dtaille des anneaux et celle de la structure et de la dynamique de la magntosphre. Pour Jupiter, la sonde amricaine Juno (arrive prvue en 2016) devrait apporter des informations sur sa structure interne, son champ magntique et la dynamique atmosphrique dans les rgions polaires. Il faudra aussi compter sur la mission JUICE (Cosmic vision L1, 2023-2030) qui fera un suivi temporel sur presque 3 ans de la haute atmosphre jusqu la troposphre (5 bars). En parallle, la dcouverte indpendante doscillations propres de Jupiter (observations sol) et de Saturne (Cassini) permet denvisager une nouvelle manire dtudier lintrieur de ces plantes qui doit tre prise en compte dans le cadre de missions futures. Enfin, notre connaissance des plantes gantes glaces Uranus et Neptune reste trs parcellaire, mme si des observations de tlescopes sol et espace ont permis de mettre en lumire des changements survenus dans leur atmosphre cette dernire dcade et si de nouvelles quations dtat de la matire trs hautes pressions ont conduit de nouveaux modles de leur intrieur.

    La connaissance de ces objets est aussi enrichie par : 1/ des observations tlescopiques (ex. la dcouverte dmission de vapeur deau autour de Crs par Herschel) ; 2/ ltude des mtorites et autres chantillons extra-terrestres (ex. les chantillons de Stardust ont t analyss en France grce aux instruments les plus performants du moment) ; 3/ la caractrisation physico-chimique et spectrale de matriaux plantaires comme des glaces, des solutions aqueuses ou des hydrocarbures ; 4/ des modlisations de circulation gnrale et de couplage photochimie-arosols applicables en priorit Mars, Titan et Vnus ; 5/ des expriences de laboratoires (ex. dtermination des proprits dabsorption de composs gazeux, synthse de matire organique).

  • 2.2. Comparaison entre les recommandations de Biarritz et lvolution programmatique

    Recommandation Biarritz (2009) Situation en 2014 Missions dcides BepiColombo

    ExoMars

    - BepiColombo est en dveloppement. Quelques retards mais lancement 2016.

    - ExoMars-2018 est en difficult technique et financire. Le programme continue.

    Missions prslectionnes CV (ESA)

    - Mission M / MarcoPolo-R - Mission L / EJSM - Mission Vnus (EVE)

    - MarcoPolo-R et EVE non slectionnes. - EJSM devient JUICE, slectionne en L1.

    Sismologie martienne et lunaire

    VBB pour post-ExoMars Selene-2 ILN

    - Le VBB est slectionn sur la mission InSight du programme Discovery de la NASA.

    - ILN est abandonn. - Selene-2 est toujours en cours de dfinition.

    Programme dexploration (ESA)

    MSR avec/sans amricains Long terme: dploiement dun

    rseau gophysique et climatique martien

    - Le programme dexploration de lESA est bloqu sur sa premire mission, ExoMars.

    - La NASA sengage sur le retour dchantillons avec Mars2020 (caching).

    Actions de R&T

    Datation Analyse in situ et miniaturisation

    - Plusieurs actions R&T, dont la faisabilit de la datation in situ.

    Communication scientifique Insuffisance - Des progrs.

    A lexception des missions lunaires, les recommandations de Biarritz ont t suivies dans leur ensemble: Cosmic Vision est le socle de la programmation ; les missions en cours de dveloppement progressent malgr les difficults (BepiColombo, ExoMars) ; la sismologie martienne se fait, mais dans un contexte diffrent de ce que qui avait t anticip Biarritz.

    2.3. Bilan programmatique depuis Biarritz

    Durant la priode 2009-2013, la communaut franaise sest implique dans de nombreux projets spatiaux, sur des objectifs trs varis (plantes gantes, Mars, Lune, petits corps, Mercure), dans le cadre du programme Cosmic Vision et de trs nombreuses opportunits.

    Nouvelles missions JUICE, InSight, Hayabusa-2_MASCOT Poursuite des Oprations

    Cassini, Mars Express, Venus Express, Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter, Mars Exploration Rovers

    Lancements Lunar Reconnaissance Orbiter (2009), JUNO (2011), Mars Science Laboratory (2011), GRAIL (2011), MAVEN (2013)

    Nouveaux retours scientifiques (= nouvelles missions)

    2010 : Rosetta survole Lutetia 2011 : MESSENGER tudie Mercure 2011-2012 : DAWN en orbite autour de VESTA 2012 : GRAIL mesure prcise du champ de gravit lunaire 2012 : CURIOSITY en opration : important retour scientifique

    Reports BepiColombo + 2 ans ExoMars + 2 ans pour Pasteur Selene-2 + 5 ans minimum

    Echecs / Annulations Echec Phobos-Grunt Echec de la coopration ESA-NASA sur ExoMars ILN annul

  • 3. Perspectives 2014+

    3.1. Feuille de route

    Plusieurs ateliers de travail ont conduit prparer cette prospective. Sur la base des questions explicites en 1.1, ils ont permis didentifier des profils de missions qui rpondent aux attentes scientifiques moyen et long terme. Cette liste est ambitieuse (Figure 3); elle reflte la richesse des approches possibles et lapport des diffrents objets chaque question scientifique. Pour chacune des entres, nous avons cherch si des opportunits programmatiques taient identifies lESA, la NASA, ou chez dautres partenaires, sans tre compltement exhaustifs. Sans surprise, dans la plupart des cas, il existe de telles missions pour les priorits scientifiques que nous nous donnons. Dans la majorit des cas, il serait prmatur, voire dangereux de mettre en avant telle ou telle mission pour rpondre une question ou un corpus de questions, dans un contexte programmatique que nous ne contrlons pas.

    Indpendamment de la programmatique, nous faisons toutefois merger une priorit aux retours dchantillons, dans la ligne de ce qui a t propos Biarritz, mais en tendant le champ de lorigine de ces chantillons. Par exprience, les mesures de laboratoire sur des chantillons dont la provenance et le contexte sont bien connus permettent de traiter de nombreuses questions en plantologie, bien plus prcisment et plus largement que lors de mesures in situ.

    Recommandation : Priorit une mission de prparation ou de ralisation d'un retour d'chantillons (1- Mars, 2- Lune ou Petit corps).

    On constate la lecture de la feuille de route que la rfrence aux exoplantes est transverse aux 3 thmatiques de la plantologie (voir 1.1), ce qui ntait pas le cas il y a une dcennie. La dcouverte des exoplantes a chang notre vision de lorigine et de lvolution du Systme Solaire. Plus la caractrisation des exoplantes, et notamment leur atmosphre progressera, plus les plantologues simpliqueront.

    Recommandation d'une mission pluridisciplinaire de caractrisation des atmosphres des exoplantes.

    3.2. Filires instrumentales

    Depuis ~25 ans, plusieurs familles instrumentales ont vu le jour en France. Cest sur la base de ces savoir-faire que nos partenaires nous abordent pour des missions dopportunit. Il est donc important den faire une liste:

    Spectro-imagerie : ISM (Phobos88), OMEGA (Mars96 et MEX), VIMS (Cassini), DISR (Huygens), Virtis (VEX et Rosetta). FUTUR : Symbio-Sys (BepiColombo), MAJIS (Juice)

    Composition atmosphrique IR-UV : Auguste (Phobos-88), Spicam (Mars96, MEX), Spicav-Soir (VEX). FUTUR : Phebus (BepiColombo)

    Analyse lmentaire, minralogie, imagerie au sol : CIVA (Rosetta-Philae), MicrOmega (Phobos Grunt), ChemCam (MSL). FUTUR : MicrOmega (Hayabusa-2-Mascot, ExoMars Pasteur), Raman (ExoMars Pasteur).

    Chimie in situ : Malachite (Venera), ACP-GCMS (ACP & GC sur Huygens), COSAC (Philae), GAP (GC & TDlas sur Phobos Grunt), SAM (GC sur MSL). FUTUR : Orbitrap (R&T)

    Sismomtres : Optimism (Mars96), VBB (Netlander, ExoMars Humbolt). FUTUR : VBB (InSight)

    Radars : Ballon martien (Mars-98), CONSERT (Rosetta). FUTUR : WISDOM (ExoMars Pasteur)

  • Cette liste ne rsume pas lensemble des instruments auxquels ont contribu les plantologues franais, mais se focalise sur les contributions franaises, qui mettent en vidence les savoir-faire dans les laboratoires sur la dure. Il est intressant de constater que les instruments dune mme famille sappliquent ventuellement diffrents objets et que ces familles couvrent dans lensemble toutes les thmatiques de la section 1.1. Chaque famille a des perspectives de dveloppement engages pour les annes venir. Nous souhaitons, dans le cas de contributions instrumentales, que la priorit soit donne des instruments issus de ces diffrentes familles, ou des concepts issus des programmes de R&T.

    3.3. Priorits programmatiques

    Nous passons en revue les diffrents programmes possibles pour la plantologie franaise. En prambule nous rappelons que les exploitations en cours (Cassini, Mars Express, Curiosity, Rosetta) doivent continuer. Cest aujourdhui que linvestissement sur les instruments se valorise.

    Cosmic Vision. Grande priorit des SPS prcdents, le programme scientifique obligatoire de lESA a t, depuis sa mise en place, le moteur du dveloppement de la plantologie en France. Rappelons le retour scientifique remarquable des missions Cassini-Huygens (Saturne-Titan), Mars Express (Orbiteur de Mars), Venus Express (orbiteur de Vnus), qui sont encore en activit. Nous attendons beaucoup des missions en cours de ralisation : Rosetta (noyau comtaire, arrive mai 2014, atterrissage en novembre) et BepiColombo (Mercure, lancement juillet 2016, arrive 2024). La dynamique se poursuivra dans la dcennie venir : JUICE (L1/ Jupiter, lunes glaces, lancement juin 2022, arrive Jupiter 2030), Solar Orbiter (M1/ Soleil, mission SHM & SSEWG, lancement juillet 2017), PLATO (M3, lancement dbut 2024). La continuation du programme Cosmic Vision doit rester la priorit de la communaut.

    Le groupe prend connaissance d'excellentes propositions pour M4, qui couvrent l'ensemble des champs thmatiques de la discipline. Il ne connait pas tous les projets et, en consquence, nest pas en mesure de donner de priorit. MarcoPolo-R, si une nouvelle cible peut tre trouve, a montr sa valeur scientifique et technologique lors de la comptition M3.

    Les systmes de Neptune et Uranus sont encore mconnus. Au-del de lintrt intrinsque de ces systmes plantaires pour notre comprhension de notre Systme Solaire, leur exploration apporterait un clairage sur une famille importante dexoplantes. Un tel projet correspond la taille dune mission L (projet plac par le SPC de lESA comme priorit suite aux missions L2 et L3).

    Recommandation : Priorit la continuit du programme CV - Scurisation de BepiColombo et JUICE - Engagement ambitieux sur M4 - Une exploration des gantes glaces correspond l'ambition dune L4 Programme dexploration. Ce programme vise technologique de lESA, offrant a priori de remarquables opportunits scientifiques, est extraordinairement ambitieux, centr sur Mars et la Lune, avec dans les deux cas, un retour dchantillons comme objectif terme. Les russes sont les partenaires privilgis de ce programme. Sa ralisation dans la dcennie venir requiert au minimum le doublement du budget annuel (~120 M en 2013), ce qui nest pas dans les perspectives budgtaires du CNES. ExoMars est la premire mission de ce programme. La mission de 2016 est en voie dachvement. Le groupe regrette le choix dune charge utile plus politique que scientifique pour lorbiteur TGO. Le rover 2018 est en cours de dveloppement : sa ralisation pour un lancement en 2018 parait techniquement risque alors mme que lESA na pas la totalit du budget ncessaire. Quoique scientifiquement intressant, le programme dexploration de lESA ne nous parait pas crdible en ltat de part lvolution dExoMars et de certains choix technologiques. Nous rappelons toutefois notre attachement la mission ExoMars et notre volont de voir le sort de cette mission rsolu de faon satisfaisante.

  • Missions nationales. Depuis les tentatives Mars Premier et NetLander, il ny a plus de programme franais en plantologie. Plusieurs consultations de la communaut ont montr que les plateformes nationales micro/mini-satellites ne conviennent pas nos besoins. Les spcificits, les cots et la complexit des missions plantaires ne permettent pas denvisager une mission nationale en plantologie.

    Ballons. La communaut franaise souhaite contribuer deux projets dexploration de Vnus et Titan, qui requirent des tudes (Phase 0/A) de la division ballon du CNES. Ces missions nont pas de contexte programmatique bien dfini : M4 lESA, New Frontiers ou Discovery la NASA, projets russes. Le CST a fait savoir quun seul de ces projets de ballons plantaires au maximum pourrait tre tudi. Rappelons que seuls la NASA et le CNES ont une expertise dans le domaine des ballons plantaires, linverse de lESA. Par ailleurs, les ballons dans latmosphre terrestre offrent dintressantes opportunits de vol pour la plantologie, particulirement pour des validations technologiques (ex. orbitrap) afin daugmenter leur niveau de TRL. Si la communaut internationale fait merger des missions dexploration de Titan ou Vnus utilisant un ballon, nous souhaitons que le CNES y participe.

    Missions dopportunit. Les opportunits de faire voler des instruments, souvent adaptables ltude de diffrents objets du Systme Solaire, sont nombreuses en plantologie. Parce que la plantologie franaise est performante et que le CNES, comme agence de moyens, est reconnue comme fiable, la communaut franaise se voit proposer de multiples opportunits de collaborations. Il convient de distinguer plusieurs classes de missions dopportunit :

    Les petites expriences scientifiques, ou collaborations scientifiques sans fourniture instrumentale (financement COSI), permettent de maintenir des activits scientifiques et des collaborations internationales de haut niveau ; elles sont toujours dun excellent rapport qualit/prix. Citons dans les dernires annes, voire en cours de ralisation : Genesis (Soleil), Stardust, Dawn, OSIRIS-Rex (petits corps), Juno, New Horizons (Jupiter, Pluton), Lunar Prospector, Grail, Selene, Chandrayaan (Lune), Messenger (Mercure), Odyssey, MERs, MRO (Mars), en partenariat avec la NASA, lISRO et la JAXA. Ces missions ont permis dalimenter notre communaut en donnes varies et de grande qualit, parfois galement des chantillons auxquels nos laboratoires ont eu accs (Genesis, Stardust). Notre participation aux programmes NASA/Discovery & New Frontiers, aux programmes indiens et japonais, chinois et russes dans une moindre mesure, permettent trs faible cot des collaborations scientifiques remarquables. Nous recommandons vivement ces collaborations, sans donner de priorit, vue la diversit des projets possibles et les trs faibles cots engags.

    Les petites contributions instrumentales sont typiquement de 3-5 M, lexemple de fournitures

    sur Phobos-Grunt (3 M, Mars, Russie chec), MAVEN (1,5 M, Mars, NASA) et Hayabusa-2/MASCOT (4,5 M y compris la part CNES/CST, petit corps, JAXA). Pour ces ralisations, les calendriers sont parfois tendus, ce qui nest pas toujours compatible avec des dveloppements technologiques impliquant une prise de risques importante. Les petites contributions instrumentales permettent un excellent retour scientifique, sur la base du savoir-faire des laboratoires (spatiaux). Pour un cot modr, des contributions instrumentales sur les programmes NASA/Discovery & New Frontiers, les programmes indiens et japonais, permettent un grand retour scientifique et la prennisation des comptences dans les laboratoires.

    Les grosses opportunits instrumentales reprsentent une situation assez nouvelle, lexemple des contributions franaises sur MSL (instruments ChemCam et SAM, en opration depuis aot 2012) et de la fourniture du sismomtre pour la mission InSight (lancement 2016), toutes deux pour lexploration de Mars en partenariat avec la NASA. De tels engagements (10-20 M) requirent une totale confiance dans le partenaire et le management de son projet. Ils nont de sens que sils correspondent une priorit forte de la thmatique qui profitera une communaut tendue de chercheurs, que si une telle fourniture est un lment central de la mission, offrant la communaut un retour scientifique prometteur et une exceptionnelle visibilit du CNES et ses

  • partenaires. Ils permettent galement denvisager une implication en France (CNES et laboratoires) dans les oprations, comme cest le cas pour ces deux missions. Des engagements exceptionnels sur des missions dopportunits avec des partenaires fiables doivent tre maintenus au-del du socle des missions de lESA, sur des programmes NASA/Discovery, New Frontiers & Flagship, des programmes japonais voire indiens ( valuer pour dautres partenaires). Ils doivent rpondre plusieurs critres: priorit forte de la plantologie franaise, excellent retour scientifique, bonne visibilit pour le CNES et les laboratoires. Ils doivent aussi tre restreints des savoir-faire bien maitriss en France.

    Recommandation : Les missions dopportunit Le contexte programmatique nous incite accorder une trs grande priorit aux opportunits, qui reposent de fait sur les filires instrumentales de la communaut. Nos priorits thmatiques pour ces opportunits sont: * Sondage in situ des atmosphres plantaires * Structure interne (mesures sismiques ou sondages sous-surfaces selon l'chelle dsire) * Composition des surfaces

    Les opportunits de mission sont frquentes en plantologie. Elles ont toutes en commun un dmarrage rapide et difficilement prvisible. Elles rpondent toujours une demande de la part de nos partenaires. Ces nombreuses demandes tmoignent de lexcellence de notre thmatique. Dans la mesure o les missions dopportunit se dcident en peu de temps, le groupe recommande que le PMT du CNES prvoit chaque anne une ligne budgtaire ouverture de programme dun niveau important (~2 M) pour les opportunits en plantologie.

    3.4. Programme de R&T

    La R&T est indispensable au dveloppement de la plantologie. Deux exemples illustrent le rle amont de la R&T dans les succs de la thmatique aujourdhui :

    Lasers : Entre 2001 et 2003, le CNES et lIRAP conduisent une R&T sur la spatialisation dun laser industriel pour lanalyse gochimique in situ. Suffisamment mature au moment de la rponse appel doffres, linstrument ChemCam est slectionn sur MSL en 2004.

    Entre 2006 et 2012, plusieurs R&T sont conduites pour amliorer la puissance de ce laser, ce qui permet de rpondre lAO New Frontiers (mission SAGE, sans suite), puis pour modifier la cadence du laser : rponses lAO Mars2020 (en attente) pour un successeur de ChemCam et un instrument Lidar original.

    Sismomtres : Depuis la fin des annes 90, plusieurs R&T ont contribu au dveloppement dun sismomtre plantaire. En 2007, une action "Sismomtre pour une mission lunaire" est initie par le CNES et lIPGP. Il sagissait dadapter les dveloppements passs du sismomtre VBB martien pour une utilisation sur la Lune : amlioration des performances des capteurs de dplacement, tenue au froid, simplification de llectronique. Ces dveloppements consolident les performances et la tenue aux environnements. Ils participent au succs de la proposition dun VBB franais sur latterrisseur InSight (lancement prvu en 2016).

    Pour mmoire, en moyenne, depuis 2006, le budget R&T annuel en plantologie est de l'ordre de 400 k (max. 562 k, min. 246 k). Il reprsente entre 13 et 19% du budget R&T en Sciences de lUnivers.

    Au sminaire de Biarritz, les axes prioritaires taient : la miniaturisation des instruments et la conception dinstruments danalyse in situ. Le volet miniaturisation se doit dtre transversal toutes les actions de R&T de la discipline. Lanalyse in situ a dmontr son utilit ces dernires annes et se doit de continuer.

    Recommandation : La R&T doit privilgier la conception d'instruments d'analyse in situ.

  • A Biarritz, il avait t propos de dvelopper un systme de datation. Port par lIDES Orsay, le projet de datation in situ sur Mars est trs intressant scientifiquement mais complexe mettre en uvre. Il repose sur la mesure du chronomtre 40K/40Ar. La concentration en potassium est obtenue en LIBS (mesure analytique type ChemCam) et les isotopes de largon sont obtenus par spectromtrie de masse des espces dsorbes par le laser. Ce projet a t soutenu travers plusieurs actions de R&T, ainsi quune thse finance par le CNES qui a permis de mettre en place un banc exprimental au laboratoire, puis son exploitation et son optimisation. Les premiers rsultats sont encourageants mais ne permettent pas encore denvisager la ralisation dune exprience spatiale. Nous ritrons lintrt de la communaut pour une exprience de datation. Les premires annes de R&T nont pas confirm la possibilit de la ralisation d'un dmonstrateur et le travail de R&T doit donc se poursuivre.

    Sur la priode 2009 2013, plusieurs actions de R&T ont t engages sur le dveloppement dun spectromtre de masse haute rsolution (m/m > 10 000, Orbitrap). Ce dveloppement est fortement soutenu par la communaut scientifique. Le projet est port par C. Briois du LPC2E et R. Thissen de lIPAG. Plusieurs actions de R&T sont conduites pour lever le TRL de linstrument. Il sagit en particulier de travailler sur l'alimentation HT qui ncessite d'tre ultra-stable. Plusieurs expriences et missions sont intresses par ce spectromtre : analyse de la composition des espces volatiles des petits corps (astrodes, comtes) et du sol de Mars, des poussires interplantaires, comtaires et stratosphriques, des atmosphres plantaires (Mars, ), des arosols et de la composante liquide de Titan. Toutefois, les performances prometteuses de lOrbitrap ne sont pas tablies tant quun instrument complet (= dmonstrateur) nest pas construit et test. Si la communaut atmosphrique souhaite utiliser l'Orbitrap lors d'un vol stratosphrique, nous souhaitons nous associer cet effort pour mieux connatre l'instrument en conditions de mesures in situ.

    Recommandation : L'Orbitrap est une priorit de la thmatique. Il devient urgent d'en construire un dmonstrateur de laboratoire qui devra confirmer les performances attendues.

    A lexemple dOrbitrap, il nous parait ncessaire que le CNES mette en uvre un processus slectif pour la ralisation de dmonstrateurs instrumentaux fonctionnel et performant afin de combler lespace entre une R&T de sous-systmes et un objectif de TRL-5 au niveau instrument.

    Les besoins en R&T sont grands dans les laboratoires, et dans le mme temps, les propositions au CNES sont peu nombreuses. Les ingnieurs nont pas le temps de se consacrer 100% sur la R&T, mais ils peuvent tout fait piloter un ingnieur ou un technicien qui fera le travail raison de quelques heures par semaine seulement. Nous pensons que la R&T dans les laboratoires peut tre faite en partie par un soutien ponctuel sous forme de CDD, sous la responsabilit des ingnieurs confirms qui prservent le savoir-faire acquis. Nous recommandons que la R&T puisse financer des CDDs dans les laboratoires.

    3.5. Rsum des recommandations du GTSS

    Plusieurs recommandations ont t mises en avant. Nous les rappelons ici PAR ORDRE DE PRIORITE (dcroissante) pour les programmes scientifiques :

    Recom-1 : Priorit la continuit du programme CV o Scurisation de BepiColombo et JUICE o Engagement ambitieux sur M4 o Une exploration des gantes glaces correspond l'ambition dune L4

    Recom-2 : Retour dchantillons Priorit une mission de prparation ou de ralisation d'un retour d'chantillons (1- Mars, 2- Lune ou Petit corps).

    Recom-3 : Les missions dopportunit

  • Le contexte programmatique nous incite accorder une trs grande priorit aux opportunits, qui reposent de fait sur les filires instrumentales de la communaut. Nos priorits thmatiques pour ces opportunits sont (sans ordre de priorit):

    o Sondage in situ des atmosphres plantaires o Structure interne (mesures sismiques ou sondages sous-surfaces selon l'chelle

    dsire) o Composition des surfaces

    Recom-4 : Exoplantes Recommandation moyen terme d'une mission pluri-disciplinaire de caractrisation des atmosphres des exoplantes.

    Pour la R&T, leffort doit se porter sur les instruments in situ. Nous proposons une recommandation spciale pour Orbitrap.

    Recom-1 : Analyse in situ La R&T doit privilgier la conception d'instruments d'analyse in situ.

    Recom-2 : Orbitrap L'Orbitrap est une priorit de la thmatique. Il devient urgent d'en construire un dmonstrateur de laboratoire qui devra confirmer les performances attendues.

  • Figurre 1 : Etat de la programmmatique en fvrier 2014 (mission dciides).

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