Planétologie et sciences spatiales

Nos grandes questions scientifiques

1. Que nous révèlent les intérieurs planétaires sur l’histoire des mondes ?

La structure interne d’une planète conserve les traces de sa formation et de son évolution. L’épaisseur de sa croûte, les propriétés de son manteau, la taille et l’état de son noyau ou encore son champ magnétique renseignent sur les processus de différenciation, de refroidissement et de convection qui ont marqué son histoire.Nous étudions la structure et la dynamique des planètes, des satellites et des petits corps à partir de mesures sismiques, gravimétriques, topographiques et magnétiques. Ces observations sont confrontées à des modèles de structure interne, d’évolution thermique et de dynamique des fluides et des solides.

Nos travaux portent notamment sur la structure profonde de Mars révélée par la mission InSight, l’intérieur de la Lune, l’évolution de Mercure, la dynamique des astéroïdes et les propriétés des satellites glacés. Ils permettent de mieux comprendre la diversité des chemins évolutifs suivis par les corps du Système solaire.

2. Comment les surfaces et les paysages planétaires évoluent-ils ?

Les surfaces planétaires enregistrent les interactions entre l’intérieur des corps, leur atmosphère, leur climat et leur environnement spatial. Cratères d’impact, volcans, dunes, rivières, lacs, glaciers et mouvements de terrain constituent autant d’archives des processus qui les ont façonnées, parfois sur plusieurs milliards d’années.

Nous cherchons à comprendre les processus physiques responsables de la formation et de l’évolution de ces paysages : tectonique et volcanisme, cratérisation, transport sédimentaire, érosion, écoulements gravitaires, dynamique éolienne et processus hydrologiques ou cryosphériques.

La comparaison entre la Terre et d’autres corps planétaires occupe une place centrale dans notre démarche. Mars, Vénus, Titan ou les lunes glacées offrent des conditions de gravité, de température, de pression et de composition très différentes de celles de la Terre. Ces environnements permettent de tester et d’étendre notre compréhension des  ois physiques gouvernant l’évolution des surfaces. Nous exploitons des observations orbitales et in situ, notamment radar, optiques, spectrales et topographiques, associées à des expériences, des analyses quantitatives d’images et des modèles numériques. Ces approches permettent de reconstruire l’histoire des paysages, de quantifier les processus actifs et d’explorer leur évolution passée ou future.

3. Comment les surfaces, les atmosphères et les climats interagissent-ils ?

Les atmosphères planétaires échangent continuellement de l’énergie et de la matière avec les surfaces. Ces interactions contrôlent notamment les températures, les cycles météorologiques, les circulations atmosphériques, la formation des nuages et des aérosols, ainsi que les processus d’érosion et de dépôt.

Nous étudions la composition, la structure et l’évolution des atmosphères, ainsi que leurs interactions avec les surfaces, en combinant spectroscopie, télédétection, observations télescopiques et modélisation des processus radiatifs et physiques.

Une attention particulière est portée aux propriétés optiques et thermiques des surfaces, aux gaz et aux aérosols atmosphériques, ainsi qu’aux cycles de transport de matière. Titan, avec son atmosphère dense, son cycle du méthane, ses lacs et ses dunes, constitue notamment un laboratoire naturel privilégié pour étudier ces couplages dans des conditions très différentes de celles de la Terre.

Nos travaux contribuent également à caractériser les environnements de Mars et de Vénus et à reconstituer les changements climatiques et géologiques qui ont marqué ces planètes.

4. Comment sonder les planètes et détecter les phénomènes qui les affectent ?

Les ondes sismiques, acoustiques et atmosphériques constituent des outils privilégiés pour explorer des environnements auxquels nous n’avons pas directement accès. Leur propagation et leurs interactions avec les différentes enveloppes planétaires apportent des informations sur la structure des corps et sur les phénomènes qui se produisent à leur surface ou dans leur atmosphère.

L’équipe développe et exploite des méthodes de sismologie planétaire, d’analyse des ondes et de modélisation de leur propagation. Nous étudions notamment les séismes, les impacts météoritiques et les sources géophysiques susceptibles de produire des signaux détectables à distance.

Nos recherches s’étendent aux couplages entre la surface, l’atmosphère et l’ionosphère. Sur Terre, les perturbations ionosphériques associées aux séismes, aux tsunamis ou aux éruptions volcaniques peuvent être détectées par des observations GNSS et optiques. Leur analyse contribue au développement de nouvelles approches d’observation géophysique et de détection des événements naturels.

Ces travaux nourrissent également la conception de nouvelles stratégies d’observation pour la Lune, Mars, Vénus et les satellites glacés.

Une recherche à l’interface de l’observation, de l’expérimentation et de la modélisation

La diversité des objets étudiés nécessite de croiser les disciplines, les échelles et les méthodes. Notre équipe développe une approche intégrée de la physique des planètes, depuis l’acquisition des observations jusqu’à leur interprétation quantitative.

Observer et mesurer

Nous exploitons les données des missions spatiales, des observatoires astronomiques et des réseaux de mesures terrestres. Sismologie, imagerie optique et radar, spectroscopie, gravimétrie et observations géodésiques permettent d’étudier les différentes enveloppes planétaires et leurs interactions.

Expérimenter et développer des instruments

Les expériences de laboratoire permettent de caractériser les propriétés physiques des matériaux et les mécanismes d’interaction entre rayonnement, atmosphères et surfaces. En parallèle, nos activités d’ingénierie contribuent à concevoir et à qualifier de nouveaux instruments adaptés aux contraintes des environnements spatiaux, en particulier dans le domaine de la sismologie.

Modéliser et interpréter

Nous développons des modèles physiques et numériques pour simuler la dynamique interne des corps planétaires, la propagation des ondes, le transfert radiatif, les interactions entre atmosphères et surfaces et l’évolution des paysages.

Ces modèles servent à interpréter les observations, à tester des hypothèses et à explorer des situations difficilement accessibles à la mesure directe. Ils s’appuient sur le calcul scientifique, les méthodes inverses, le traitement d’images et, lorsque cela est pertinent, les outils d’apprentissage automatique.

Contribuer à l’exploration spatiale

Notre équipe participe à l’exploration du Système solaire à différentes étapes des missions : définition des objectifs scientifiques, conception et développement des instruments, préparation des observations, traitement des données et exploitation scientifique.

L’une de nos contributions majeures est la réalisation du sismomètre très large bande de la mission InSight de la NASA, qui a permis de réaliser les premières études sismologiques détaillées de l’intérieur de Mars.

Nous contribuons également à la préparation de futures observations sismologiques lunaires, notamment dans le cadre de Farside Seismic Suite, et au développement de nouvelles générations de capteurs géophysiques destinés aux planètes telluriques et aux lunes glacées.

Nos activités scientifiques s’inscrivent dans plusieurs missions majeures d’exploration planétaire, parmi lesquelles BepiColombo (Mercure), Psyche (astéroïde métallique), JUICE (lunes de Jupiter), EnVision (Vénus) et Dragonfly (Titan).

Nous participons par ailleurs à des programmes d’observation astronomique utilisant notamment les télescopes Keck, VLT, Gemini et IRTF, ainsi que le télescope spatial James Webb (JWST).

Au-delà des missions existantes, nous contribuons à la définition de futures stratégies d’exploration, de nouveaux instruments et de nouveaux concepts d’observation des planètes, de leurs satellites et de la Terre.

Développer et partager de nouveaux outils pour les sciences planétaires

Ingénierie et instrumentation spatiales

L’exploration des environnements planétaires nécessite des instruments capables de fonctionner dans des conditions extrêmes, avec des contraintes fortes de masse, d’énergie, de sensibilité et de fiabilité.

L’équipe développe une expertise en instrumentation géophysique spatiale, notamment autour des sismomètres très large bande, des capteurs optiques et de nouvelles technologies de mesure. Ces développements prolongent l’héritage instrumental de la mission InSight et préparent de nouvelles possibilités d’exploration de la Lune, des petits corps et des satellites glacés.

Visualisation scientifique et réalité virtuelle

Depuis plus d’une décennie, l’équipe PSS développe, en collaboration avec le CNES et la société VR2Planets, des environnements de réalité virtuelle et augmentée dédiés à l’exploration et à l’analyse de données scientifiques.

Ces outils permettent de naviguer dans des environnements planétaires reconstruits en trois dimensions, de confronter différentes observations et de représenter des données complexes dans un espace immersif. Ils sont utilisés pour la recherche, l’enseignement et la diffusion des connaissances scientifiques.

Nos développements visent également à faciliter l’exploration collaborative de jeux de données géophysiques multimodaux et leur interprétation dans des environnements interactifs.

Science ouverte et édition scientifique

Le partage des connaissances, des données et des méthodes constitue une dimension importante de nos activités. L’équipe contribue à la diffusion des résultats scientifiques, au développement d’outils de recherche et à des initiatives collectives en faveur de la science ouverte.

Des membres de l’équipe et leurs partenaires internationaux sont notamment à l’origine de Planetary Research, une revue scientifique à comité de lecture consacrée aux sciences planétaires et fondée sur le modèle du « diamond open access ».

Portée par la Planetary Research Cooperative publiée en coopération avec les Open Publishing Services (OPUS) d’Université Paris Cité, cette initiative propose un modèle d’édition géré par la communauté scientifique, sans frais de publication pour les auteurs ni frais d’accès pour les lecteurs.

Une équipe ouverte sur la communauté scientifique

PSS réunit des chercheurs, enseignants-chercheurs, ingénieurs, doctorants et postdoctorants aux expertises complémentaires. Cette diversité permet d’aborder des problèmes scientifiques complexes en associant théorie, observation, expérimentation et développement technologique.

Nos recherches s’inscrivent dans de nombreuses collaborations nationales et internationales, avec les agences spatiales, les organismes de recherche, les universités et les partenaires industriels impliqués dans l’exploration spatiale.

Nous participons à la formation par la recherche et accueillons des étudiants et de jeunes chercheurs travaillant sur les différentes thématiques de l’équipe.

Retrouvez les membres de l’équipe, nos projets, nos publications, les thèses en cours, nos actualités et les prochains séminaires dans les rubriques associées.

Nous rencontrer

L’équipe Planétologie et Sciences Spatiales est située au bâtiment Lamarck, sur le campus des Grands Moulins d’Université Paris Cité, au 35 rue Hélène Brion, 75013 Paris.

Elle organise régulièrement des séminaires et des rencontres scientifiques. Pour organiser une visite ou participer à nos activités, contactez l’équipe.