Hayabusa 2, Osiris-Rex : Des poussières d’astéroïdes très attendues

Deux sondes arrivent cet été aux abords d’un astéroïde : la japonaise Hayabusa 2 et l’américaine Osiris-Rex. Objectif : frôler ces petits astres afin d’en prélever des échantillons à rapporter sur Terre. L’enjeu pour les scientifiques ? Mieux comprendre la formation du Système solaire, grâce à un matériau qui a peu évolué depuis cette époque lointaine, il y a plus de 4,5 milliards d’années.

À ce stade, rien n’est encore joué. Mais en coulisses, les chercheurs s’activent, impatients d’en savoir davantage sur les astéroïdes Ryugu et Bennu. Il y a quelques jours, en cette fin juillet, la mission japonaise Hayabusa 2 s’est approchée à moins de 6 km de Ryugu ; de même, l'américaine Osiris-Rex se satellisera autour de Bennu en août. Plus tard, si tout fonctionne bien, les deux sondes expédieront vers la Terre des échantillons prélevés à la surface des deux petits astres : d’infimes grains de matière, témoins d’une période charnière pour notre Système solaire. Car Ryugu comme Bennu sont des astéroïdes carbonés, autrement dit des corps primitifs qui ont peu évolué depuis la naissance du Soleil et de son cortège de planètes.

La Nasa et la Jaxa (l’agence spatiale japonaise), qui pilotent ces deux missions exceptionnelles, ont d’ailleurs signé des accords spécifiques pour qu’un quota de chercheurs, de résultats et même une partie des échantillons soient partagés entre les deux équipes. Pourtant, s’il faut prouver un niveau d’excellence pour être sélectionné, les chercheurs font partie d’un vivier international… Dans lequel les Français ont une bonne place, invités grâce à leurs travaux et à des instruments de pointe. « C’est heureux que nous correspondions à un besoin », confirme Patrick Michel, de l’observatoire de la Côte d’Azur, qui souligne le soutien du Cnes, l’agence spatiale française. L’Europe, elle, n’a dans de ses projets qu’une seule mission vers les astéroïdes, qui manque encore d’un soutien définitif.

La sonde japonaise Hayabusa 2 devrait être la première, à la fin de l’été, à commencer son étude de Ryugu. Ce sera le début d’un véritable compte à rebours pour l’équipe chargée de sélectionner des sites de prise d’échantillons : quinze mois après son arrivée, Hayabusa 2 repartira vers la Terre ! « Notre but va être de produire un maximum de données utiles pour la décision finale en utilisant des cartes issues des images de la caméra ONC-T, ainsi qu’un modèle topographique précis de la surface de l’astéroïde », précise Lucille Le Corre, chercheuse au Planetary Science Institute, à Tucson (Arizona). Les différents filtres couleur d’ONC-T fournissent notamment des indices sur la composition et la nature de la surface, et la présence de phyllosilicates (un indicateur clair de la présence d’eau durant l’évolution d’un astéroïde carboné). Malgré tout, la sélection d’un site d’échantillonnage ne répond pas qu’à un impératif scientifique ; il faut trouver le juste milieu entre richesse du sol et danger pour les sondes qui vont frôler la surface de leurs instruments fragiles, panneaux solaires déployés… Chacun des lieux proposés doit répondre à quatre critères : sécurité, atteinte du site, capacité à échantillonner et valeur scientifique.

Choisir le meilleur site

Ainsi, pour Ryugu, après un premier choix de dix sites potentiels, les réunions les plus critiques auront lieu au Japon, en incluant déjà les chercheurs qui manipuleront les poussières collectées plusieurs années plus tard. « Ceux-ci aident l’équipe à définir le site le plus intéressant, où nous obtiendrons du matériel le plus primitif possible, explique Lucille Le Corre. L’échantillon idéal ne doit pas être trop contaminé par des collisions qui ont frappé la surface de Ruygu au cours de son histoire, ni trop affecté par l’érosion spatiale. Ces effets sont responsables de ce que nous appelons en anglais le space weathering, qui dégrade la composition et la couleur originales des minéraux présents en surface. » La mission japonaise, si elle ne vise à rapporter que quelques milligrammes de matière, dispose d’un avantage sur son homologue américaine : un petit impacteur de 2 kg nommé SCI, équipé d’explosifs. « Un échantillon sera prélevé à l’intérieur du cratère nouvellement formé dans l’espoir d’avoir accès au régolithe (couche de poussière a la surface) le plus ‘frais’ possible », indique Lucille Le Corre.

Les échantillons reviendront ensuite vers la Terre, enfermés dans des capsules hermétiques prévues pour les protéger tout au long du voyage, et tout particulièrement lors de la rentrée atmosphérique. Les poussières prélevées par Hayabusa 2 sont attendues en 2020, celles d’Osiris-Rex en 2023. Dans l’intervalle, les chercheurs préparent leurs études en exploitant un maximum d’informations des météorites trouvées sur Terre. Cette comparaison entre grains de matière prélevés sur un astéroïde et météorites est l’un des objectifs majeurs de l’étude. « Nous pourrons mieux comprendre le lien entre nos observations au télescope des astéroïdes carbonés et les météorites de type chondrites carbonées analysées sur Terre », confirme Lucille Le Corre.

Déjà en 2010, la première mission Hayabusa avait récolté sur l’astéroïde Itokawa des grains de quelques dizaines de microns. © Jaxa

Loin de l’Arizona, à Lille, les travaux sont déjà lancés sur cette thématique. Au sein de son laboratoire spécialisé en microscopie électronique, Hughes Leroux a notamment travaillé sur des échantillons de comète (via la mission Stardust), et se prépare pour les futures manipulations : « Nous travaillons avec des tranches extraordinairement fines de matière, de l’ordre de 100 nm d’épaisseur, qui grâce à notre matériel de pointe permettent de bien comprendre la composition, l’agencement et la taille de ces grains qui composent un astéroïde. Bien sûr, c’est notre spécialité, mais il y en a d’autres, comme les études qui ont besoin de préparations isotopiques, spectroscopiques et chimiques. » Car un seul pôle de compétence ne peut pas se charger de l’ensemble des recherches : le matériel est exigeant et cher, les équipes sont spécialisées et réparties dans le monde entier.

Étude sous haute protection

Une fois les capsules revenues sur Terre, le premier défi sera celui de la caractérisation. Immédiatement après leur atterrissage, les capsules seront emballées avec précaution et transportées sans délai dans leurs lieux de traitement : le centre spatial Johnson (Texas) pour Osiris-Rex, et le campus de Sagamihara pour la mission japonaise. « La capsule scellée est emportée en salle blanche, dans un environnement contrôlé, avant d’être ouverte. Parfois, c’est là qu’il y a des déceptions : en 2010, à l’ouverture de celle de la mission Hayabusa 1, on a même cru un moment que la sonde n’avait rien réussi à collecter ! Heureusement, d’infimes grains de poussière de 10 à 20 µm ont pu être récupérés, et de nombreuses équipes scientifiques ont pu en tirer des résultats. Ce défi nous a même permis d’améliorer nos techniques d’analyse ! » note Hughes Leroux.

Cataloguer les résultats peut prendre plusieurs mois, car il s’agit avant tout de savoir exactement ce que les missions ont recueilli. Les poussières une fois identifiées sont alors préparées pour les différents groupes de recherche. Préparations isotopiques, spectroscopiques, tranches de matériau, tout est méticuleusement traité et documenté avant envoi. D’autant qu’il faut gérer le « stock » d’échantillons extraterrestres. « Depuis les missions Apollo, les équipes peuvent analyser jusqu’à 25 % des matériaux ; le reste est conservé pour les générations futures », explique Harold Connolly, responsable scientifique des échantillons pour Osiris-Rex. Pour Hayabusa 2, la procédure sera identique « même si les quantités exactes sont encore en cours de discussion », indique Shogo Tachibana, son homologue japonais. Quant aux échanges entre les deux missions, 10 % du matériel rapporté par Hayabusa 2 sera transmis aux équipes d’Osiris-Rex, et 0,5 % sera donné en retour. « Cela semble inégal, mais il faut se souvenir que la mission japonaise ne collectera que 0,1 g d’échantillons, tandis qu’avec son aspirateur à poussières Osiris-Rex prévoit de rapporter entre 60 g et 2 kg ! » justifie Patrick Michel.

L’analyse des minuscules échantillons de la premère mission Hayabusa a représenté un défi en soi. Elle a aussi permet de perfectionner
les techniques pour ce type de matériau, précuieux pour les scientifiques. © DLR

Le premier round de recherches autour de ces échantillons sera très codifié. En effet, l’équipe de la mission a la primeur des résultats pendant une durée limitée. Et à ce niveau, tout est contrôlé… Surtout la communication ! Au cours de cette phase, un scientifique doit faire remonter ses résultats au responsable de la mission. Les agences réunissent généralement plusieurs études préliminaires pour les envoyer à de prestigieuses revues comme Science ou Nature. C’est une pression supplémentaire, explique un chercheur, car non seulement les résultats sont très attendus, mais les comités de relecture de ces articles scientifiques prennent quelques mois avant que l’éditeur ne les publie. Pas question dans l’intervalle de faire une présentation lors d’une convention ou de discuter des chiffres publiquement… Ces premiers mois passés (six dans le cas d’Osiris-Rex), les règles s’assouplissent. « Il devient possible pour des chercheurs qui n’ont pas directement participé à la mission jusque-là de faire parvenir leurs demandes d’échantillons, tandis que les équipes initiales approfondissent leurs résultats. Dans notre cas, notre groupe sera encore financé au moins 18 mois pour prolonger l’analyse », détaille Harold Connoly.

Déballage de poupées russes

Pour autant, il ne s’agit pas d’éparpiller les précieux milligrammes aux quatre vents. Pour être acceptée, une demande d’échantillon passe toujours par un comité qui évalue l’impact que pourraient avoir ces recherches. Et il faut quantifier précisément ses besoins en matériel extraterrestre ! Si le projet passe ces vérifications, l’échantillon est envoyé. Mais ici, point de convoi avec hélicoptères de protection ou de mallette menottée au poignet. « Rien d’aussi excitant que ce que l’on voit au cinéma », confirme Harold Connolly. Mais il s’agit tout de même de ne pas perdre la trace de ces précieux colis qui vont faire le tour du monde. Une fois ceux-ci à bon port, leur déballage rappelle les poupées russes. « Pour protéger ces échantillons minuscules, les colis sont souvent énormes avec un carton qui protège un carton, puis un autre emballage, puis un carton… » s’amuse Hughes Leroux.

Une partie des échantillons sera étudiée dès leur retour sur Terre. Le reste est stocké pour les générations futures,
dont les techniques d’analyse se seront améliorées. © Nasa

Un chargement ultraprotégé, car les enjeux sont importants. Quand une météorite traverse le ciel, elle se désintègre rapidement et brûle en entrant dans l’atmosphère, ne laissant à disposition des chercheurs que le cœur fragmenté de ces ex-astéroïdes (et souvent altéré par des centaines d’années passées à la merci du climat local). « Un prélèvement à la surface d’un astéroïde carboné nous donne accès à du matériel totalement inédit, dont la formation date de l’origine même du Système solaire, entre le moment où le Soleil a commencé à rayonner et les agrégats qui ont ensuite formé les planètes », décrit Hughes Leroux, qui espère comme ses collègues démontrer que les météorites carbonées terrestres sont issues d’astres du même type que Ryugu ou Bennu. Plusieurs milliards d’années à notre portée pour les matériaux de base de l’astéroïde, mais aussi des couches de poussières à la surface qui devraient nous éclairer sur l’évolution des rayonnements solaires. « Nous pourrons alors étudier plus précisément les composants précurseurs de l’origine de la vie, les molécules organiques [composées de carbone, NDLR], et détecter la présence de minéraux hydratés pour mieux comprendre l’altération aqueuse sur les astéroïdes », détaille Lucille Le Corre, qui ajoute que ces études pourraient aller jusqu’à apporter une preuve des origines de l’eau sur Terre. Enfin, la comparaison directe entre Bennu et Ryugu sera, elle aussi, riche d’enseignements. Les chercheurs américains bénéficieront ainsi des trois ans de travail des équipes concernées par Hayabusa 2.

D’ici là, les deux sondes réserveront leur lot de surprises : toutes les missions en ont ! Quatre des cinq chercheurs interrogés les attendent avec impatience, tant sur les propriétés des astéroïdes eux-mêmes que sur les échantillons récoltés. Patrick Michel résume leur état d’esprit : « L’échantillon de rêve, c’est celui qui ne correspond à rien de ce que l’on a déjà sur Terre avec les météorites ! Avec un avantage : on connaîtra le contexte géologique grâce aux observations de l’astéroïde par la sonde. Et c’est fondamental, car si vous donnez un caillou à un géologue, pour pouvoir interpréter ce qu’il voit, la première question qu’il posera est : où l’avez-vous pris ? » Tant de promesses dans ces quelques grammes de poussières…