PHEBUS : PROBING OF HERMEAN EXOSPHERE BY ULTRAVIOLET SPECTROSCOPY

1. PHEBUS : PROBING OF HERMEAN EXOSPHERE BY ULTRAVIOLET SPECTROSCOPY J-Y Chaufray and E. Quémerais LATMOS Atelier du pôle système solaire de l’IPSL, 17-18 avril 2013

2. PHEBUS : Objectifs : Surface Cartographie des glaces polaires Albédo Lyman-alpha : Lune • Glaces d’eau détectées dans les régions polaires en permanence à l’ombre de Mercure et la Lune par MESSENGER • (ex Neumann et al. 2012 ; Lawrence et al. 2012 ) • Glaces apportées par l’impact de comètes • Il est possible d’étudier ces régions en UV en mesurant le flux interplanétaire et stellaire réfléchie par la surface de ces régions (Lune par Lunar Reconnaissance Orbiter) LAMP/Lunar Reconnaissance Orbiter • Mesures de PHEBUS • Cartographie de l’albédo UV des régions en permanence à l’ombre et contenant de la glace • Détection des produits de dissociation (H2, OH, H, O) Gladstone et al. 2012

3. PHEBUS : Objectifs : Exosphere • Etude de l’exosphère : origine, composition, dynamique, son interaction avec la surface • Raies d’émissions atomiques et moléculaires • Variations spatiales (verticale, horizontale) de la densité des espèces connues (He, H, O, Ca, Mg, ...) • Recherche de nouvelles especes (Si, S, H2, OH, Ar, Xe, C+, O+, Na+) • Variations temporelles : orbite de Mercure, interaction magnetosphere /exosphere Neutral loss Photo ionization SolarWind sputtering Micro- Meteoritic Impact Photo Stimulated Desorption Thermal Desorption Absorption of neutral and magnetospheric ion + meteoroid supply Exosphere Regolith Crust Adapted from Killen and Ip (1999)

4. PHEBUS : Objectifs : Milieu interplanétaire Etude du rayonnement interplanétaire : H 121.6 nm et He 58.4 nm à l’orbite de Mercure SWAN/SOHO

5. Vertical Scan Mode Twilight Mode Line of sight Fixed LOS Mode Feature Tracking Mode Star Mode Nadir Mode Line of sight Modes d’observations 1 - Twilight Mode 2 - Vertical Scan Mode 3 - Fixed LOS Mode 4 - Feature Tracking Mode 5 - Nadir Mode 6 - Star Mode

6. Entrance baffle Off axis parabolic mirror Rotating mechanism FUV detector Entrance slit NUV detector EUV detector Holographic gratings PHEBUS Taille = 500 x 400 x 400 mm Masse = 7.2 kg Puissance consommée : 25 W max • Probing the Hermean Exosphere by Ultraviolet Spectroscopy • Spectromètre EUV-FUV • Détecteur EUV : 55 – 155 nm • Détecteur FUV : 145 – 315 nm • +2 Détecteurs NUV (K 404 nm ; Ca 422 nm) Partie collectrice NUV EUV FUV NUV Partie spectrométrique

7. PHEBUS block diagram French responsibilities Russian and Japanese responsibilities Pumping device EUV detector [55-155nm] EUV grating baffle mirror shutter slit FUV grating NUV detector 404, 422 nm Scanner mechanism FUV detector [145 – 315nm] mechanical structure House keeping monitoring thermal housing DPU Power converter Spacecraft

8. PHEBUS sur Mercury Planetary Orbiter PHEBUS STM (Structure and Thermal Model) intégré sur MPO STM

9. Spectre UV simulés sur les détecteurs Simulateur des émissions exosphériques (modèle radiométrique)

10. Résultats attendus • - Quelques espèces facilement détectables (< 1 min). • EUV range : He I, CO, O I, H I, C I, N I • FUV range : Mg I, Si I, Na I, C I, Fe I, S I, Al I, CO, H I, Ni I, Mg II, O I • - Quelques espèces qui nécessitent un très grand temps d’intégration pour être observée (>> 1 hour). • EUV range : Kr I, Ar I • FUV range : Al II, K I • - Quelques espèces non résolues spectralement. • EUV range : Xe I with S I • FUV range : OH with Al I • - Limite de détection estimée. • EUV range : ~ 0.1 Rayleigh • FUV range : ~ 0.2 Rayleigh • - Résolution spectrale théorique • EUV range : 0.5 nm • FUV range : 0.8 nm 1 Rayleigh = 106/4 photons/cm2/s/str

11. Etalonnage optique au sol Objectifs : relier la mesure R à l’intensité de la source I Calibration au sol Instrument Sub - System Geometrique Radiometrique Geometric and/or Radiometric and/or Spectral Spectrale EUV FUV NUV G or S FOV  Geff or Seff M0i PSF Bandwidth ISRF • Modèle de Qualification (QM) • Mesures des propriétés optiques des sous éléments du modèle QM • Alignement optique (miroir/scan, fente) • Atténuation du baffle • Facteur géométrique, Field of view (FOV) • Mesures sur modèle complet en aout 2013

12. Statut du développement Structure and Thermal model (STM)  Integration : 2-3 June 2011 Modèle électronique (EM)  Integration/ETB tests : 22-25 March 2011 EM IST : 1-2 September 2011 Modèle de Qualification (QM) Fin campagne de qualification QM Juin 2013 Etalonnage optique du système complet : Aout 2013 (Université de Padoue) Livraison ESA Sept 2013 Modèle de vol (FM) Livraison printemps 2014