PICAM et la MISSION BEPI COLOMBO J.J. Berthelier, J Becker, F. Leblanc (LATMOS), F. Leblanc (LPP)

1. PICAM et la MISSION BEPI COLOMBO J.J. Berthelier, J Becker, F. Leblanc (LATMOS), F. Leblanc (LPP) Atelier Pôle Système Solaire IPSL, Avril 2013

2. MERCURE • La planète • la plus proche du Soleil • périhélie 0.31AU, aphélie 0.46 AU, période orbitale 88 jours • la plus petite (R 2440 km) mais laplus dense d ~ 5.43 (noyau Fe?) • - rotation 59 jours (résonance 3/2 avec période orbitale, unique dans le Système Solaire) • axe de rotation ~ perpendiculaire au plan de l’écliptique • atmosphère très ténue températures extrêmes +430°C, -180°C • champ magnétique interne BMercure~ 1% BTerre, (dynamo, noyau externe liquide) • magnétosphère et sous-orages « analogues » à ceux de la Terre

3. MPO     Le MMO est une sonde en stabilisation spinnée qui sera placée en orbite elliptique polaire dont le périherme sera à l'altitude de 400 km et l'apoherme à 12000 km. Il est développée sous la responsabilité de la JAXA. Les satellites BEPICOLOMBO BEPICOLOMBO est constitué de deux sondes différentes pour remplir tous ses objectifs scientifiques.  Le MPO est une sonde stabilisée trois-axes en orbite basse polaire faiblement elliptique dont le périherme sera à l'altitude de 400 km et l'apoherme à 1500 km. Il est développée sous la responsabilité de l'ESA Orbites de MMO et MPO autour de Mercure Masse totale Masse Charge Utile BepiColombo  400 kg 50 kg Caractéristiques de la sonde MPO Caractéristiques de la sonde MMO MISSION BEPI COLOMBO (1) • Collaboration ESA-JAXA • 2 satellites MPO (ESA) planétaire, MMO (JAXA) magnétosphérique • Lancement Août 2015, arrivée Janvier 2022 • - Propulsion électrique et assistance gravitationnelle Lune, Terre, Venus

4. MISSION BEPI COLOMBO (2) MMO (JAXA) 220 kg, CU 41 kg « Magnetospheric Science » Champ Magnétique Plasma Particules Energiques Ondes (+ observations MPO B, plasma) MPO (ESA) 400 kg, CU 50 kg « Planetary Science » Surface, Atmosphère neutre Champ magnétique Plasma

5. PICAM Planetary Ion CAMera IWF (Autriche) (K. Torkar, PI) LATMOS (+IKI) (optique ionique et détecteur) MPS (Allemagne) convertisseurs HV et gating KFKI (Hongrie) convertisseur DC/DC Un des 4 Instruments du consortium SERENA (Search for Exospheric Refilling and Emitted Natural Abundances) Objectifs scientifiques de SERENA (PICAM) - Composition élémentaire, chimique et isotopique de l’exosphère neutre - Composition élémentaire de l’exosphère ionique - Mécanismes de formation et dynamique des exosphères neutre et ionisée - Echappement des neutres et des ions • Pénétration du vent solaire et précipitations des ions de basse énergie

6. PICAM, Objectifs Scientifiques (1) L’exosphère ionisée de Mercure Sources Vent solaire - pénétration à travers les frontières de la magnétosphère, transport Exosphère - émissions des constituants par la surface désorption thermique, photo-désorption, criblage) Processus de création et de pertes Processus photo-chimiques, collisions sur la surface, échappement Transport du Plasma dans l’ionosphère de Mercure Circulation à grande échelle (convection, échappement) Accélération

7. PICAM, Objectifs Scientifiques (2) Formation de l’exosphère: le cas de Na Photo-ionisation Echappement neutre Criblage par le vent solaire Impacte météoritique éjection stimulée par les photons éjection par chauffage Absorption neutre et ion magnétosphérique et apport météoritique Exosphère Régolite Croûte Mélange induit par impact météoritique Diffusion Adapté de Killen et Ip (1999)

8. PICAM, Objectifs scientifiques (3) Observations du sodium exosphérique, télescope THEMIS, Iles Canaries Themis: 13/07/2008 Emission Na D2 Themis: 22/10/2009 Emission Na D2

9. PICAM, Objectifs Scientifiques (4) Le Sodium dans l’ionosphère, modélisation(F. Leblanc et al. , 2004)

10. PICAM, Objectifs Scientifiques (5) L’ionosphère et la magnétosphère de Mercure

11. PICAM, Objectifs Expérimentaux • Mesure des fonctions de distribution des ions de basse énergie • gamme d’énergie: ~ 3 eV – 3 keV, résolution ~ 10% • champ de vue: omnidirectionnel sur un demi-espace (2π st.), résolution 15°/30° • Donne accès au transport et à l’accélération du plasma • Avec MMO, 2 points de mesure pour étudier la dynamique de la magnétosphère • Mesure de la composition du plasma • - masses 1 à ~ 130 uma, (H, He, N?, O, Na, Mg, Ca, K, Xe?) • - résolution suffisante pour séparer Na, Mg et Ca, K • Donne accès aux sources et aux mécanismes de formation de l’ionosphère

12. PICAM, Concept de l’instrument Champ de vue dans un plan radial ~ 0°-75°

13. PICAM, Optique Electrostatique

14. PICAM, mesure de la distribution angulaire et en énergie Distribution angulaire Résolution en énergie Modélisation numérique, ions 1 keV Modélisation numérique, ions 1 keV Essais QM, Ions N2+, 1 keV Essais QM, Ions N2+, 1 keV

15. PICAM, Mesure du temps de vol Simulation d’une mesure de Temps de Vol pour les masses 23 (Na) et 24 (Mg) Mesures de temps de vol, QM, ions N2+ 300 eV

16. PICAM, quelques photos du QM QM dans la chambre avec source d’ions • QM, vue des protections thermiques • Capot supérieur avec OSR • Kapton aluminisé autour partie inférieure

17. PICAM, quelques photos du QM Lamelles miroir M1 électrodes de gating Optique, partie inférieure Optique, partie supérieure Vue de dessous Analyseur électrostatique