EnVision

Vénus est une planète terrestre aux caractéristiques très proches de celles de la Terre : diamètre, distance du Soleil, composition. À l'origine son atmosphère était sans doute similaire à celle de la Terre avec une eau à l'état liquide présente en abondance à sa surface. Mais les deux planètes ont par la suite évolué de manière divergente : alors que Vénus se situe dans la zone habitable du système solaire, la température à sa surface dépasse 460° (température de fusion du plomb) et la pression atmosphérique de 93 bar est équivalente à celle rencontrée en plongée à 1000 mètres de profondeur, là où ne s'aventurent que des sous-marins de recherche. Son atmosphère, dépourvue d'eau, est composée principalement de dioxyde de carbone et le diazote.

Bien qu'une vingtaine de missions d'exploration aient déjà étudié Vénus depuis le début de l'ère spatiale, les scientifiques ne disposent toujours pas de données permettant d'expliquer cette divergence d'évolution. En effet Vénus est difficile à étudier : une couche nuageuse épaisse et sans structure apparente la recouvre entièrement et la survie des sondes envoyées à sa surface est limitée à quelques dizaines de minutes par les conditions infernales qui y règnent.

Vénus est un objectif scientifique essentiel dans le domaine de la planétologie. Avec la Terre il s'agit de la seule planète du système solaire située dans la zone habitable et elle a donc un rôle central à jouer dans la construction des modèles d'évolution des planètes de ce type. Les conditions qui y règnent résultent de l'emballement d'un effet de serre dont les mécanismes présentent un intérêt particulier pour la Terre car il pourrait toucher celle-ci du fait des activités humaines. Les exoplanètes découvertes qui sont situées dans la zone habitable sont généralement situées à une distance de leur étoile similaire à celle de Vénus du fait du biais d'observation créé par la méthode de détection. Notre compréhension de Vénus pourrait donc être importante pour interpréter les données recueillies.

De nombreuses questions importantes demeurent en effet sur l'état actuel et passé de Vénus. Vénus a-t-elle eu de l'eau liquide à sa surface ? Comment son atmosphère a-t-elle évolué au fil du temps ? Quels sont les flux thermiques entre la surface et l'atmosphère, quelles ont été les régimes d'activité volcanique et tectonique de Vénus au cours du dernier milliard d'années ? La lithosphère a-t-elle toujours été inactive, ou un régime de tectonique des plaques, peut-être épisodique, a-t-il été présent et dans quelles périodes de son histoire ? Quelle est la composition des tesserae, ces régions sont-elles les plus anciennes roches exposées à la surface de Vénus, dans quelle mesure ces roches sont-elles oxydées et ces surfaces conservent-elles des preuves d'une époque antérieure où l'eau était plus abondante [1].

Au cours des deux décennies 2000 et 2010 seules deux missions à coût modéré ont été lancées vers Vénus : les orbiteurs Venus Express (date de lancement 2005) de l'Agence spatiale européenne et Akatsuki (2010) de l'agence spatiale japonaise. Cette désaffection se reflète dans la part du budget de l'exploration du système solaire de la NASA alloué à l'étude de Vénus depuis la création de l'agence : celle-ci a dépensé 3,7 milliards US$ (en dollars de 2020) contre 28,5 milliards US$ pour les missions à destination de Mars (le budget total du programme d'exploration du système solaire de la NASA est de 96,6 milliards US$)[2].

Dans le cadre de son programme scientifique Cosmic Vision, l'Agence spatiale européenne lance en mai 2018 un appel à propositions pour sélectionner la cinquième mission de taille moyenne de ce programme (M5) dont le lancement doit intervenir vers 2032. Trois projets parmi les 25 proposés sont sélectionnés début mai 2018[3]^, [4] :

• SPICA est un projet de télescope spatial infrarouge proposé en collaboration avec l'agence spatiale japonaise JAXA. L'observatoire comprend un télescope d'un diamètre de 2,5 mètres fonctionnant en infrarouge moyen et lointain. Les capteurs refroidis à une température de 5 kelvins sans avoir recours à un liquide cryogénique permettent une sensibilité nettement supérieure à son prédécesseur Herschel. Pour les astronomes japonais, SPICA prend la suite du télescope infrarouge Akari.
• EnVision doit étudier la nature et l'état actuel de l'activité géologique de Vénus et ses interactions avec l'atmosphère. L'objectif est de mieux comprendre les raisons des divergences entre l'évolution de la Terre et celle de Vénus. La mission doit être développée avec une participation importante de la NASA.
• THESEUS est une mission d'astronomie des hautes énergies qui doit observer l'ensemble du ciel en effectuant un recensement systématique des sursauts gamma apparus durant le premier milliard d'années de l'univers. L'objectif est de rassembler des informations sur le cycle de vie des premières étoiles. Le recensement des sursauts gamma détectés par Theseus permettra un suivi par d'autres instruments au sol ou dans l'espace observant dans d'autres longueurs d'onde. Theseus doit être également utilisé pour identifier les sources des ondes gravitationnelles observées par d'autres instruments.

Les scientifiques ayant porté la proposition EnVision en réponse à l'appel à propositions pour la mission M5 du programme Cosmic Vision de l'ESA sont Richard Ghail de Royal Holloway, University of London, Colin Wilson, du Department of Physics, University of Oxford, UK et Thomas Widemann, du LESIA, Observatoire de Paris et Université de Versailles-Saint-Quentin (France). Le 10 juin 2021 la mission EnVision est sélectionnée[5].

L'instrument principal de EnVision, un radar à synthèse d'ouverture, en fait le successeur de la mission américaine Magellan qui avait été lancée en 1989. Ses caractéristiques sont également proches de VERITAS, mission de la NASA sélectionnée la veille et qui doit être lancée vers 2029. Mais alors que l'objectif principal de VERITAS, qui ne dispose que de deux instruments, est l'étude de la surface et de l'intérieur de Vénus, EnVision dispose d'instruments lui permettant d'étudier également l'atmosphère et le couplage entre les différents processus[6]. Les deux missions vont couvrir à elles deux une décennie (2030-2034 pour VERITAS, 2035-2039 pour EnVision) permettant de plus l'étude plus fine des variations de temperature de surface, l'activité éolienne, les glissements de terrain ou le volcanisme actif à toute latitude et longitude.

Le radar à synthèse d'ouverture (VenSAR) fonctionne à 3,2 GHz dans la bande S (longueur d'onde de 9,4 cm). VenSAR fournira plusieurs techniques d'imagerie et de télémétrie à partir d'une orbite polaire : (1) cartographie de surface régionale et ciblée, (2) topographie et altimétrie globale, (3) imagerie stéréo, (4) radiométrie et diffusiométrie de surface, (5) polarimétrie de surface, (6) la possibilités d'interférométrie à passages répétés. Le radar à synthèse d'ouverture en bande S du Jet Propulsion Laboratory fait actuellement l'objet d'une évaluation scientifique, technique et programmatique par la NASA. Un SAR est une technologie de télédétection polyvalente qui possède des capacités uniques pour déterminer des informations géophysiques souvent non disponibles par d'autres méthodes de télédétection. VenSAR permettra de caractériser les preuves structurelles et géomorphiques des processus multi-échelles qui ont façonné l'histoire géologique de Vénus, ainsi que de caractériser l'activité volcanique, tectonique et sédimentaire actuelle. Le principal responsable pour l'étude du radar à synthèse d'ouverture de Vénus est Scott Hensley, du Jet Propulsion Laboratory, NASA/California Institute of Technology.

Le Sondeur radar de subsurface (SRS) consiste en une antenne dipôle fixe fonctionnant dans la gamme 9 - 30 MHz. Le SRS recherchera les limites des matériaux de subsurface dans divers terrains géologiques qui comprennent les cratères d'impact et leur remplissage, les cratères enterrés, les régions en bordure des ensembles crustaux qui pourraient être de nature granitique (tesserae), les plaines, les coulées de lave et leurs bords, et les zones de déformation tectonique afin de fournir des relations stratigraphiques à diverses gammes de profondeur et à différentes échelles horizontales. Le chercheur principal du sondeur radar de subsurface est Lorenzo Bruzzone, de l'Université de Trente, en Italie.

La suite de spectroscopie pour Vénus (VenSpec[7]) se compose de trois instruments distincts: VenSpec-M, VenSpec-H et VenSpec-U. VenSpec-M fournira des données sur la composition et les types de roches, grâce à la spectrométrie de la surface du côté nuit dans la région 0.86-1.18 μm ; VenSpec-H effectuera des mesures atmosphériques à très haute résolution dans les régions 1.165-1.180 μm, 2.34-2.48 μm, 1.72-1.75 μm, et 1.37-1.39 μm ; et VenSpec-U surveillera les espèces mineures soufrées (principalement le SO et le SO₂) ainsi que le mystérieux absorbant UV dans les nuages supérieurs de Vénus, côté jour. Cette suite de mesures permettra de rechercher les variations temporelles des températures de surface et des concentrations troposphériques et mésosphériques de gaz indicatifs d'éruptions volcaniques. Le chercheur principal de la suite de spectroscopie de Vénus et de l'instrument VenSpec-M est Jörn Helbert, de l'Institut de recherche planétaire du DLR, à Berlin, en Allemagne. Le chercheur principal de VenSpec-H est Ann Carine Vandaele, Institut royal d'aéronomie spatiale de Belgique (BIRA/IASB), Belgique. Le chercheur principal de VenSpec-U est Emmanuel Marcq, LATMOS, IPSL, France.

Tout vaisseau spatial en orbite est sensible au champ de gravité planétaire, au champ de gravité du Soleil et, dans une moindre mesure, celui des autres planètes. Ces perturbations gravitationnelles génèrent des perturbations infimes, mais mesurables, de la vitesse orbitale et de la position précise du vaisseau spatial, à partir desquelles le champ de gravité d'une planète peut être déterminé. L'orbite à faible excentricité, quasi-polaire et d'altitude relativement basse d'EnVision offre la possibilité d'obtenir le champ de gravité à haute résolution à chaque longitude et latitude du globe vénusien. L'analyse du champ de gravité couplée à celle de la topographie résultant des mesures VenSAR et SRS d'EnVision, donne des indications sur la structure lithosphérique et crustale, permettant de mieux comprendre l'évolution géologique de Vénus et le phénomène de déformation ou de compensation isostatiques. En l'absence de données sismiques, les mesures de la déformation par les marées et du mouvement propre de la planète permettent de sonder sa structure interne profonde (taille et état du noyau). La déformation de marée peut être mesurée dans les perturbations de la vitesse orbitale d'EnVision grâce aux variations du potentiel gravitationnel qu'elle génère (nombre de Love ou k2).

Le système de communication d'EnVision et un oscillateur ultra-stable (USO) embarqué seront utilisés par l'expérience Radio Science pour sonder l'atmosphère neutre et l'ionosphère de Vénus, lors des occultations qui se produisent pendant les liaisons de communication. Lorsque le vaisseau spatial commence à être occulté (ou après, lorsqu'il réapparaît de derrière la planète pendant la sortie), le signal porteur du vaisseau spatial sonde les couches de l'atmosphère de la planète, provoquant des changements dans la fréquence et l'amplitude des ondes porteuses (dans les bandes X et Ka-). La déviation du signal de la radio-liaison, dérivée du décalage de fréquence, permet de dériver des profils de l'atmosphère neutre (densité, température et pression) et son absorption permet également d'estimer la teneur atmosphérique en acide sulfurique et sa distribution en latitude, longitude et heure locale[8].

Les scientifiques chargés de l'expérience de radio-science et mesure du champ de gravité sont Caroline Dumoulin, LPG, Université de Nantes, France, et Pascal Rosenblatt, LPG, Université de Nantes, France.

• (en) ESA, EnVision - Assessment Study Report, ESA, dévrier 2021, 111 p. (lire en ligne) — Rapport d'évaluation de la mission ENVISION par l'ESA de 2021 (livre jaune).
• (en) Richard Ghail et all, EnVision - Understanding why our most Earth-like neighbour is so different, ESA, octobre 2015, 51 p. (lire en ligne) — Proposition envoyée à l'Agence spatiale pour la sélection d'octobre 2015
• (en) Richard Ghail et all, EnVision CDF Study – Executive Summary, ESA, novembre 2018, 67 p. (lire en ligne) — Etude interne du projet par l'Agence spatiale européenne de 2018

• Exploration de Vénus
• Vénus Express
• VERITAS sonde de la NASA aux caractéristiques proches dont le lancement est prévu vers 2029.
• Magellan sonde spatiale de la NASA ayant effectuée la cartographie radar la plus récente de Vénus.

• (en) Site officiel
• EnVision deployment video; source: VR2Planets.
• A l'initiative d'un instrument en route vers Vénus: communiqué de l'Institut royal d'Aéronomie Spatiale de Belgique, 11 juin 2020.
• All’origine dell’evoluzione catastrofica di Venere: communiqué de l'Istituto Nationale di Astrofisica (INAF), 12 juin 2019.

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