Premières missions sur Mars : de la recherche de traces d’eau à l’habitabilité

Les nombreuses missions vers Mars nous ont déjà appris plusieurs choses : de l'eau douce à l'état liquide a été présente, ainsi que de l'oxygène dans l'atmosphère. Ces découvertes sont entre autres dues à l'instrument franco-américain ChemCam, dont une version améliorée prendra place sur le rover Mars 2020.

Dans deux ans, deux missions décolleront vers la planète rouge, avec des ambitions bien différentes pour chaque agence spatiale. Cette année, Insight est dans les starting-blocks après un report, et devrait décoller le mois prochain si tout va bien. Son but sera d'analyser la structure interne de la planète, notamment grâce à l'instrument SEIS, un sismomètre capable de détecter les moindres mouvements de la planète rouge, « même plus faibles que le rayon d’un atome d'hydrogène » selon le CNES.

De nouvelles annonces sont donc attendues, mais en attendant commençons par un rappel des deux rovers présents sur Mars et des résultats scientifiques qu'ils ont permis d'obtenir sur le sujet du jour : la recherche de la vie. Ils sont déjà nombreux avec une conclusion importante : la quatrième planète du système solaire a été habitable dans le passé.

Comme nous l'avons expliqué dans la première partie de notre dossier, explorer la planète rouge, c'est en quelque sorte se plonger dans le passé « oublié » de la Terre, ce qui explique pourquoi la planète rouge intéresse tant les scientifiques. Sur plus de 220 missions extraterrestres, « on a lancé 53 missions vers Mars, 103 vers la lune et une trentaine vers Venus » détaille Sylvestre Maurice.

Notre dossier sur l'exploration de Mars et la recherche de la vie avec Mars 2020 :

• Naissance de la vie : « regarder Mars, c'est regarder une fenêtre du passé »
• Premières missions sur Mars : recherche de traces d'eau et habitabilité
• Grâce à SuperCam, Mars 2020 va chercher des traces de vie sur Mars... et plus si affinités
• Mars : les limites de la science in situ, préparer l'arrivée de l'Homme
• Et si on trouvait des traces de vie sur la planète Mars ? Les explications de Sylvestre Maurice

Deux rovers sur Mars... pas toujours en parfait état

Le planétologue spécialiste du système solaire continue son décompte : « on a six véhicules en orbite autour de Mars : trois américains de la NASA (Odyssey, MRO et Maven), deux européens de l'ESA (Mars Express et TGO) et un indien (MOM), mais il n'y pas trop d'embouteillage » ajoute-t-il sur le ton de la plaisanterie. Deux rovers roulent même encore à la surface : Curiosity et Opportunity.

Ce dernier « était là pour durer trois mois, ça fait à peu près quinze ans qu'il est sur place ». Il est néanmoins dans un état de vieillesse avancé : « une roue est bloquée, le coude est cassé et ces derniers temps, il oublie des commandes. Il a un Alzheimer un peu sérieux » indique Sylvestre Maurice. 

De son côté, Curiosity n'est pas non plus en parfait état : ses roues montrent des signes d'usure prononcée depuis plusieurs années, tandis que le laser de l'instrument ChemCam (développé par des Français) est tombé en panne : « On a perdu le nez, le laser de focus », se souvient le responsable de mission.

« Il nous a fallu huit personnes pendant six mois pour le réparer. On a recodé complètement l'instrument » ajoute-t-il. C'est en effet la seule opération possible depuis la Terre. Il est évidemment impensable d'effectuer la moindre réparation directement sur site.

Pour réussir à tout de même faire la mise au point du laser et continuer les analyses, l'équipe a trouvé une « astuce » : prendre plein d'images avec un focus manuel réglé sur différentes profondeurs de champ, puis identifier le meilleur cliché, permettant ainsi d'en déduire précisément la distance de l'objet. « On l'a testé au sol pendant des semaines, des mois [...] Et en fait, c'est même mieux que la solution précédente, elle fonctionne depuis 1 000 sols », les jours martiens d'une durée d'environ 24 heures et 40 minutes.

Le long choix du site d'atterrissage...

Mais avant d'en arriver là, le chemin était long pour les scientifiques. Sylvestre Maurice se souvient, avec humour, du choix du site d'atterrissage de Curiosity : « Vous mettez tous les spécialistes de Mars dans une salle, on est environ 400. On se pose alors la question de savoir où est-ce qu'on veut se poser. Tout le monde arrive avec dix idées et pendant à peu près quatre ans, on vote et on fait des études ». 

Au bout du compte, le cratère Gale est sélectionné. Parmi les raisons de ce choix, la présence d'une montagne au centre (elle est même plus haute que les bords du cratère) et de traces d'argiles sur les bords, des lieux parfaits pour chercher des traces d'eau. De plus, le Gale se trouve quasiment sur la bordure de séparation des deux hémisphères, bien différents pour rappel. La vallée Mawrth Vallis, ainsi que les cratères Eberswalde et Holden étaient les trois autres finalistes.

ChemCam : une collaboration franco-américaine

Sylvestre Maurice revient ensuite sur l'instrument ChemCam, dont il est coresponsable avec Roger Wiens de Los Alamos. Les scientifiques tirent d'ailleurs sur la corde patriotique, chacun dans son pays : ChemCam est français en France, américain aux États-Unis, alors qu'il est le fruit d'une collaboration étroite entre les deux pays... mais ainsi « tout le monde est content », lâche le scientifique. La France s'occupe principalement de la partie de tête, tandis que les Américains ont développé l'analyseur de spectre intégré dans le corps du rover. Les deux sont reliées par une fibre optique.

Cette collaboration est d'ailleurs mise à rude épreuve dans la gestion quotidienne du rover : « Tous les jours il faut une centaine de personnes pour le piloter ». Concernant ChemCam en particulier, il existe une alternance entre les centres de Toulouse (8 à 10 personnes) et de Los Alamos.

Sylvestre Maurice détaille au passage une journée type sur Mars : « On déroule à peu près 17 réunions, de 17h à 3h du matin » pour déterminer les ordres à envoyer au rover pour les prochains jours. Il faut ainsi trancher avec les responsabes des instruments, qui n'ont pas tous les mêmes objectifs. Un goût de Twitch Plays Pokémon en plus sérieux, avec une latence supérieure.

Plus de 550 000 tirs avec laser sur Mars 

Le CNES détaille le principe de fonctionnement de ChemCam : « Un laser de puissance tire sur une cible, ce qui provoque la fusion du matériau et l'apparition d'un plasma que l'on détecte à distance en spectroscopie UV-visible. Cette nouvelle technique jamais embarquée permet de faire une première analyse sélective des roches environnantes de Mars sans avoir besoin de déplacer le rover ». Le but étant de détecter les éléments présents dans la roche : fer, calcium, fluor, silice, etc. 

« On vient de célébrer nos 550 000 tirs lasers » pour environ 2 000 cibles analysées, se félicite le responsable. Pourquoi une telle différence entre ces deux chiffres ? La cité de l'espace donne des explications : 

« Pour analyser correctement une cible donnée (une roche, le sol ou du sable par exemple), on ne peut pas se contenter d’un seul tir. Pour le faire, y compris un peu en profondeur, et ne pas seulement analyser la poussière qui la recouvre (et qui n’a pas toujours la même composition), il est préférable de compter au moins 10 à 100 tirs par point d’analyse. On peut même aller jusqu’à plusieurs milliers de tirs pour des analyses encore plus en profondeur (toutes proportions gardées, car on parle ici de profondeurs de l’ordre du millimètre).

Mais cela ne suffit pas. Les scientifiques veulent aussi évaluer la variabilité de composition des cibles choisies, ou analyser des veines ou des incrustations de matériau différent au sein d’une roche. Pour cela, il faut réaliser plusieurs points disposés en ligne ou selon une matrice (points arrangés en carré), afin de recueillir l’analyse spectroscopique en plusieurs endroits sur la même cible, en vue d’en affiner le "portrait" (comprenez la composition). »

« Ça fait plus de 2 000 sols qu'on est sur Mars. L'expérience devait fonctionner une année martienne, soit 668 sols (mission nominale). On va bientôt entamer la troisième mission étendue. Honnêtement tant que l'instrument marche on ne va pas s'arrêter, il n'y a pas de raison » ajoute-t-il.

Chaque impulsion « a une puissance d’un million de watts pendant environ cinq nanosecondes ». Il en résulte une chaleur d'environ 8 000 °C et un trou de 4 mm dans la roche, alors que le faisceau du laser ne mesure que 0,4 mm de diamètre. Avec ChemCam, les résultats scientifiques arrivent rapidement... comme les idées des communicants. 

Curiosity : à la croisée des chemins entre la science et... le marketing

Sylvestre Maurice se souvient d'une demande du responsable de l'université de Toulouse où a été développée la partie française de ChemCam (notamment le laser) : « tu ne peux pas écrire université Paul Sabatier [sur Mars] ? ». « Il y a un nombre de personnes qui me l'a demandé, c'est incroyable. On est les poinçonneurs de Mars » ironise-t-il.

Depuis, les équipes marketing se sont rabattues sur une autre piste : le fameux « selfie » de Curiosity, constitué de 57 photos assemblées. « Il y a eu tellement de publicité autour de ce selfie qu'on en fait un tous les six mois » explique Sylvestre Maurice. « Quel est le raisonnement scientifique ? » aurait-il demandé aux responsables, obtenant une réponse sur le ton : « Ce n’est pas grave, Selfie ! ». Cela fait partie du jeu explique-t-il : « On envoie à la presse et on continue la science ».

C'est visiblement le prix à payer pour obtenir des publications régulières dans les journaux (pas uniquement spécialisés) et ainsi entretenir l'engouement du grand public pour les missions spatiales. Les scientifiques s'exécutent donc, d'autant que cette exposition médiatique leur permet certainement de pousser des demandes de financement pour de nouvelles missions, ou de prolonger les existantes. 

Cette approche était largement exploitée par Carl Sagan lors du lancement de la sonde Voyager-1 (lire notre analyse). Elle prenait alors la forme d'un disque comprenant des images et des sons censés dresser un portrait de la Terre. Il avait d'ailleurs remis le couvert en 1990 avec le fameux « portrait de famille ».

De l'eau douce sur la surface, de l'oxygène dans l'atmosphère 

Revenons à la mission scientifique de Curiosity, dont le but était de prouver que la planète était habitable par le passé. C'est l'étape intermédiaire d'un vaste programme international d'exploration martienne. La première était de savoir si de l'eau a existé à une époque, tandis que la prochaine sera de trouver des traces de vie à l'aide de SuperCam, une évolution de ChemCam (nous y reviendrons). 

Sylvestre Maurice détaille deux avancées de ChemCam qui, selon lui, sont parmi les plus instructives. La première concerne des tirs de laser dans de petites veines blanches, qui sont en fait du sulfate de calcium, autrement appelé gypse sur Terre. Un thésard a été chargé d'approfondir l'étude de ces veines.

« Trois ans plus tard, il me répond : "c'est un sulfate de calcium". Au bout de trois ans quand même... mais qu'est-ce ? "C'est la forme anhydre qui n'a pas d'eau [...] c'est du plâtre de Paris". » La découverte n'est pas le plus important, mais ses conséquences : « Ça veut dire que de l'eau douce à 50° a coulé dans la fracture de la roche » conclut Sylvestre Maurice. Non seulement Mars avait de l'eau, mais elle était douce et à une cinquantaine de degrés.

Le second résultat concerne la présence de manganèse sur Mars. Là encore, le message caché est bien plus important que le résultat brut. Les scientifiques ont consulté des spécialistes de cet élément. Il en ressort que « dans le passé il y a eu de l'oxygène dans l'atmosphère ».

Ils ajoutent que sur Terre, la présence de manganèse est souvent associée à celle de vie. Ce n'est pourtant absolument pas suffisant pour en tirer la moindre conclusion sur Mars, tranche rapidement Sylvestre Maurice. « Le jour où on trouvera de la vie sur Mars, il nous faudra énormément d'évidence, ce n'est pas une petite évidence qui nous validera une découverte aussi importante. »

En quoi ces résultats sont importants ?

Donc, Mars a pendant une époque eu de l'eau douce à sa surface (à une cinquantaine de degrés de surcroit) et de l'oxygène dans son atmosphère, alors qu'elle est désormais composée à 96 % de dioxyde de carbone. De plus, « on a vu des molécules organiques, et des matériaux réduits [...] c'est-à-dire une réserve d'énergie. Vous mettez tout ça ensemble et vous pouvez déclarer que dans le passé, Mars était une planète habitable ».

Cette conclusion n'est pas nouvelle, elle date de 2013/2014, quelques années seulement après l'arrivée de Curiosity sur Mars. Il reste par contre à préciser pendant combien de temps et à quelle époque elle était habitable, deux variables encore inconnues à l'heure actuelle. Il reste également à comprendre pourquoi cette période s'est arrêtée brusquement, ajoute Maurice.

Dans tous les cas, « c'est énorme comme résultat » selon le responsable scientifique. « Jusqu'à présent, dans le système solaire, je n'avais qu'une [planète habitable], la Terre. Maintenant j'en ai deux. Alors, deux sur huit, ce n'est pas une statistique, mais pensez à ces milliards de milliards de planètes. Vous pouvez imaginer qu'il y en a un grand nombre qui est probablement habitable. »

Prochaine étape : la recherche de la vie, l'objectif du rover Mars 2020 dont le lancement devrait intervenir dans deux ans, sauf report de dernière minute.