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OSIRIS-REx mettra environ deux ans à se rendre vers sa cible, l'astéroïde Bennu. OSIRIS-REx embarquera cinq instruments scientifiques (anglais seulement) qui cartographieront l'astéroïde dans les longueurs d'onde du visible, de l'infrarouge et des rayons X. L'altimètre laser canadien OLA (OSIRIS-REx Laser Altimeter) prendra des mesures des matières superficielles et de la topographie du petit corps céleste. Lorsqu'OSIRIS-REx aura atteint Bennu en 2018, l'instrument OLA passera près de six mois à cartographier toute la surface de l'astéroïde pour nous révéler de nouvelles données sur son histoire, sa composition et sa morphologie. Par la suite, les scientifiques chargés de la mission utiliseront ces données pour choisir le site où l'engin spatial prélèvera son échantillon. OSIRIS-REx descendra près de la surface (anglais seulement) et, sans se poser, déploiera son bras robotisé. Il effectuera alors une manœuvre d'échantillonnage « à la volée » pour saisir plus de 60 g de fin gravier, de poussière et de matière de surface (c'est-à-dire du régolithe). La capsule qui rapportera l'échantillon atterrira dans le désert de l'Utah en 2023.
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