SORBET sur MMO-BepiColombo

Mercury Magnetosheric Orbiter
(vue d’artiste - crédit RISH-Kyoto Univ.)

SORBET (acronyme pour "Spectroscopie des Ondes Radio et du Bruit Electrostatique Thermique") est un récepteur radio HF (2.5kHz-10MHz), conçu et réalisé au LESIA, qui fait partie de l’expérience PWI (Plasma Waves Investigation) destinée à étudier, pour la toute première fois en radio-fréquences, la petite magnétosphère de Mercure et son interaction avec le vent solaire. Cette expérience est embarquée sur le satellite MMO (pour "Mercury Magnetospheric Orbiter") réalisé par l’agence spatiale Japonaise (JAXA). Depuis mai 2018, il est nommé en japonais みお ("mio"). C’est l’un des deux satellites formant la mission BepiColombo (mission ESA-JAXA). BepiColombo a été convoyée au Centre Spatial Guyanais en avril 2018 et son lancement a eu lieu le 18 octobre 2018, pour une arrivée à Mercure, séparation MPO-MMO et déploiement des antennes de MMO, fin 2025.

Bref scénario de mission en deux images

Bepi-Colombo en phase de croisière
La propulsion des deux satellites (MPO+MMO) est assurée par un moteur ionique dont l’énergie est fournie par des panneaux solaires : la phase de croisière (depuis le lancement jusqu’à la séparation et mise en orbite autour de Mercure) va durer environ 7 ans. Pendant toute cette croisière, MMO, qui est un satellite dont les panneaux solaires sont prévus pour tourner (spin de 4s environ) , doit être protégé par une "coiffe", que l’on voit à l’opposé du moteur ionique.
ESA

Les orbites des deux satellites MPO et MMO (Mio) vers la fin 2025

Objectifs scientifiques de l’expérience "SORBET " de PWI

Mesures à distance (radioastronomie) et in situ (antennes utilisées comme des électrodes) de spectres radio (électromagnétiques et électrostatiques), pour l’étude de la structure et de la dynamique (régions, frontières, processus d’accélération et de dissipation...), du système magnétosphère/exo-ionosphère de Mercure et de son interaction avec le vent solaire.

Plus précisément, ces objectifs incluent :

Densité/température mesurables par SORBET
Densité et température électroniques accessibles à Sorbet (aires blanches ou grises). Les zones hachurées représentent les valeurs mesurées dans le vent solaire au niveau de la Terre (en rose pâle) et extrapolées à l’aphélie et périhélie de Mercure (en rouge), et les zones de compression maximales (en vert) possibles au voisinage de Mercure.
  • La cartographie de la densité (Ne) et de la température (Te) des électrons dans le vent solaire, la magnétosphère et l’exosphère de Mercure, par spectroscopie du bruit Quasi-Thermique (QTN).
    Ces mesures QTN sont indispensables pour la compréhension de la structure et de la dynamique de la magnétosphère et donneront des contraintes fondamentales pour les modèles physico-chimiques du plasma environnant Mercure (outre H+ du vent solaire, les principaux ions à Mercure sont : Na, K, O).
  • La détection et l’étude des émissions radio de Mercure, dont les possibles émissions cyclotron jusqu’à 10-20 kHz , liées aux électrons d’énergie moyenne (1-10keV) accélérés dans les régions les plus fortement magnétisées (pôles ?), et peut-être un rayonnement synchrotron sporadique (jusqu’à quelques MHz ?) d’électrons plus énergétiques (1-10MeV).
  • La surveillance des émissions radio solaires jusqu’à 10 MHz (sursauts radio de type II et type III, indicateurs de chocs interplanétaires, d’éjections de masse coronale -CME-, et de faisceaux de particules énergétiques), dans le but de créer un indice d’activité solaire vue de Mercure, pouvant être corrélé à la réponse magnétosphérique de Mercure (météorologie de l’espace appliquée à Mercure). Notons aussi que MMO explorera un vent solaire non perturbé par Mercure pendant la majeure partie de ses orbites et que, vu l’importante excentricité de Mercure, nous disposerons ainsi d’observations solaires radio HF depuis 0,3 à 0,47 unités astronomiques et, on peut l’espérer, en même temps que les observations de la sonde Parker Solar Probe(NASA) au plus près du Soleil.
  • En parallèle, nous entreprenons la modélisation (code hybride 3-D) de l’interaction de Mercure et de sa magnétosphère avec le vent solaire.
UNE SIMULATION À L’APHELIE DE MERCURE + UNE ORBITE MMO
Simulation Mercure/vent solaire à l’aphélie (thèse de Léa Griton)
Léa Griton

La conception/réalisation de l’instrument SORBET

SORBET est un récepteur/amplificateur radio HF, dans la gamme 2.5 kHz - 10 MHz, muni d’un système de traitement des signaux recueillis par les capteurs qui produit, in fine, des spectres de puissance : ce qu’on appelle un spectromètre. Plus précisément, il comprend :

  • un récepteur deux voies, multi-canal 2.5 kHz - 640 kHz, dit TNR (pour Thermal Noise Receiver), scannant 128 fréquences espacées log., chacune des deux voies étant commutable indifféremment sur l’un des 3 capteurs reliés à PWI : d’une part deux dipôles électriques orthogonaux (antenne filaire WPT de 2x15m, de fabrication japonaise et antenne MEFISTO, formée principalement de deux sphères espacées de 32m, de fabrication suédoise) et d’autre part une antenne magnétique ou "search coil" (DB-SC pour Dual Band-Search Coil, réalisé au CETP/LPP).
  • un récepteur à balayage de 500kHz à 10MHz, dit HFR (pour High Frequency Receiver).
  • une unité de calcul et de traitement du signal ("Digital Unit").
Synoptique de SORBET

Ces différentes fonctions sont réalisées avec :

  • une carte analogique (dynamique = 120 dB) : ASIC en technologie 0.35µ (amplis, mélangeurs, CAG et filtres) et composants discrets ;
  • une carte numérique (dynamique=84 dB) comprenant notamment : deux convertisseurs analogique/numérique (ADC) 14 bits, un FPGA et une interface avec l’ordinateur de bord utilisant Space Wire.

L’équipe SORBET/PWI/MMO au LESIA

Equipe scientifique

Co-PI PWI et Lead Co-I SORBET : Karine Issautier

Co-Is PWI : Léa Griton, Filippo Pantellini, Philippe Zarka, Olga Alexandrova, Milan Maksimovic et Michel Moncuquet [1]

Associate Scientist : Baptiste Cecconi

Equipe technique

Instrument : Moustapha Dekkali (Chef de projet SORBET), Pierre-Luc Astier, Kamel Boughedada, †Benoit Chasles, Yvonne de Conchy, Cécile Guériau, David Polizzi

Segment sol (GROSEIL) : Xavier Bonnin (Responsable segment sol), Lucas Grosset, Antonio Vecchio, Sudagar Vassin

L’équipe PWI/MMO au LESIA

L’équipe PWI/MMO [2]

PI : Yasumasa Kasaba (Tohoku Univ.)

Co-PI (& Lead Co-I EWO & Eng. Manager) : Hirotsugu Kojima (Kyoto Univ.)

Co-PI (& Lead Co-I SORBET) : Michel Moncuquet (LESIA Obs. de Paris)

Co-PI (& Lead Co-I LF-SC) : Satoshi Yagitani (Kanazawa Univ.)

Co-PI : Jan-Erik Wahlund : (IRF, Uppsala)

PI and co-PI Emeritus : Hiroshi Matsumoto (Kyoto Univ.), Jean-Louis Bougeret (Paris Sciences & Lettres)

Lead Co-I [MEFISTO] : Tomas Karlsson (KTH, Stockholm)

Lead Co-I [DB-SC] : Fouad Sahraoui (LPP, Ecole Polytechnique)

Lead Co-I [WPT-S] : Atsushi Kumamoto (Tohoku Univ.)

Lead Co-I [AM2P] : Pierre Henri (LPC2E, Orléans)

Lead Co-I [Software] : Yoshiya Kasahara (Kanazawa Univ.)

Co-I [EWO/EFD] : Keigo Ishisaka (Toyama Pref. Univ.)

Co-I [Software] : Janos Lichtenberger (Eotvos Univ.)

Co-I [Data] : Takeshi Murata (Ehime Univ.)

Co-I [Extension, MGF] : Ayako Matsuoka (ISAS-JAXA)

Historique des livraisons et mise à jour au 9 juillet 2018

  • SORBET a été livré au RISH (laboratoire PI à Kyoto) le 20 août 2012, puis acheminé début septembre sur le site d’intégration de MMO à l’ISAS (Tokyo-Sagamihara), où il a subi les tests de performances et d’intégration (achevés le 10 janvier 2013 avec succès). Il a été installé et à nouveau testé sur MMO début 2014 (avec l’ensemble de la charge utile), ce satellite ayant à son tour été livré par la JAXA à l’ESTEC (ESA) en mai 2015. Bepi-Colombo est au CSG (Kourou) depuis fin avril 2018 et les trois tests réalisés sur MMO/Sorbet ont tous été parfaitement conformes (dernier test réalisé le 27 juin 2018).
  • Au LESIA, l’activité principale est désormais l’étalonnage/calibration en valeurs physiques des récepteurs TNR/HFR + les antennes électriques et magnétiques, à partir des tests réalisés à Meudon sur Sorbet seul en juin 2012, puis au Japon (jusqu’en janvier 2014) sur toute la chaîne de réception. Depuis 2015, le suivi des tests à l’ESTEC puis au CSG de Kourou a été aussi réalisé depuis Meudon.
  • La chaine de traitement et calibration en valeurs physiques (niveaux dits L1, L2 et +) est désormais en place au LESIA sur le serveur dédié SORBET, et en backup (pour la partie limitée à L0—>L1) sur le serveur de l’ISAS au Japon. Ces travaux se poursuivront après le lancement (date la plus probable : 18 octobre 2018), pendant la recette en vol (environ 20 jours après le lancement), et raffinées à partir des calibrations internes pendant la phase de croisière. Rappelons enfin que les données de MMO à Mercure scientifiquement exploitables ne seront disponibles qu’en 2025 et que la mission est prévue pour durer alors une à deux années terrestres (environ 4 à 8 années mercuriennes).

[1] Michel Moncuquet a été Co-PI PWI et Lead Co-I SORBET jusqu’en juillet 2022

[2] Cette liste n’est pas une liste complète des Co-Is de PWI, elle est limitée aux co-PIs, aux responsables de chaque instrument (ou Lead Co-Is) et à quelques Co-Is associés aux sous-systèmes instrumentaux