Grâce à SuperCam, Mars 2020 va chercher des traces de vie sur Mars… et plus si affinités

Développé par des équipes franco-américaines, SuperCam aura la lourde tâche de trouver des traces d'une vie sur Mars, alors que nous savons qu'elle a déjà été habitable. La NASA compte aussi mettre de côté des échantillons à récupérer plus tard. L'agence spatiale multiplie aussi les expériences avec un drone et un micro sur le rover Mars 2020.

Après avoir examiné de près l'intérêt particulier que représente Mars pour la recherche de la vie, il est temps de se projeter dans l'avenir avec les prochaines missions Mars 2020 de la NASA et ExoMars de l'agence européenne (entre autres).

La première partira à la recherche de traces de vie passée, notamment grâce à son instrument SuperCam (une évolution de ChemCam, développé par des Français). La seconde s'intéressera également à la vie martienne, mais en visant principalement « une niche » : creuser la surface de la planète à une profondeur d'un mètre ou deux. 

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

Quatre lancements vers Mars en 2020 ? En théorie oui !

En 2016, l'atterrisseur européen Schiaparelli devait rejoindre les rovers en place. Malheureusement, il s'est écrasé au sol à grande vitesse à cause d'un bug logiciel. Malgré cet échec, de nombreux pans de la mission ont été un succès, notamment l'orbiteur TGO (Trace Gas Orbiter).

Dans tous les cas, l'Europe prépare la seconde partie de sa mission avec le rover ExoMars 2020, initialement prévue pour 2018, mais retardé de deux ans. Le Conseil de l'agence spatiale européenne avait d'ailleurs réaffirmé son soutien à ExoMars en validant son financement en décembre 2016, quelque semaines seulement après que le module s'écrase. Un signal fort à l'époque.

L'Europe ne sera pas seule à tenter l'aventure : les Émirats arabes unis et les Chinois veulent aussi être du voyage avec leur propre engin martien en 2020. L'astrophysicien Sylvestre Maurice revient sur les motivations des deux pays : il explique avoir demandé aux EAU : « Pourquoi voulez-vous aller sur Mars ? ». Réponse des responsables : « Ce sera les 50 ans de la naissance de notre pays »... « C'est une bonne raison », lâche le planétologue avec un certain amusement.

L'histoire est similaire pour les Chinois : « on leur a dit qu'ils n'étaient pas prêts, et demandé s'ils ne voulaient pas repousser le lancement ». Réponse des intéressés : « Non, ce sont les 100 ans du parti communiste ». « On ne peut pas se battre », conclut le scientifique, là encore sur le ton de l'humour.

La quantité de science embarquée augmente avec les missions

Bien évidemment, il y aura également ceux qui dominent la discipline de la tête et des épaules : les Américains avec Mars 2020, un véhicule largement inspiré de Curiosity, y compris au niveau du design, mais avec des instruments plus performants (la liste est disponible par ici).

Sylvestre Maurice en profite pour retracer l'évolution des laboratoires dédiés à la science dans les différents rovers : le premier, Pathfinder, embarquait « 800 grammes de sciences », contre environ dix fois plus pour Spirit et Opportunity (deux jumeaux), et de nouveau un rapport d'un à dix avec Curiosity, soit quasiment 100 fois plus de science sur trois générations.

Curiosity dispose en effet d'une dizaine d'instruments scientifiques pour une charge utile de 75 kg, sur une masse totale de 899 kg. Le détail de Mars 2020 n'est pas encore connu, mais devrait être du même ordre que son petit frère.

Mars 2020 reprend 85 % de Curiosity

Construire Curiosity a demandé environ 20 000 années-personnes de travail, pour un coût d'environ 2,5 milliards de dollars estime Sylvestre Maurice. Mars 2020 est un très proche cousin (les deux sont même quasiment des jumeaux), et cette filiation se retrouve jusque dans le design des deux robots. À la différence de Curiosity, Mars 2020 sera « capable de collecter et stocker des échantillons de roche martienne dans des conteneurs spécifiques » . Nous y reviendrons en détails.

Ce nouveau véhicule « repose largement sur la conception et le matériel de rechange crées précédemment pour le rover Curiosity de la mission Mars Science Laboratory » explique la NASA. Elle ajoute qu'environ « 85% de la masse du nouveau rover repose sur cet "héritage" matériel ».

« C'est un atout majeur pour cette mission » affirme Jim Watzin, directeur du programme d'exploration de la NASA : « cela nous permet d'économiser de l'argent, du temps et surtout de réduire les risques » en utilisant du matériel dont la robustesse a été éprouvée durant plusieurs années sur Mars. Bref, Mars 2020 est un peu la version 2.0 de Curiosity.

Une précision accrue pour l'atterrissage, le choix du site encore à définir

En plus d'améliorations sur les instruments scientifiques, le système de navigation en vol a aussi été revu afin de déterminer plus précisément quand déclencher le parachute, pour réduire de 50 % l'ellipse d'atterrissage sur Mars. Pour rappel, Curiosity était déjà arrivé sur Mars avec une très grande précision, mais Mars 2020 pourrait se poser dans des zones inaccessibles à Curiosity.

Cette fois encore, la recherche du site où poser le rover prend du temps... beaucoup de temps. Pour le moment, trois finalistes : un ancien lac dans le cratère Jezero, un volcan au nord-est de la région Syrtis Major (une région où de l'eau chaude aurait pu être présente) et les collines de Columbia Hills situées près du cratère Gusev où se trouve le rover Spirit. « Les trois sites ont une géologie riche et peuvent potentiellement abriter des signes de vie microbienne » affirme l'agence spatiale américaine. Le nom du vainqueur ne sera probablement pas connu avant plusieurs mois.

Concernant ExoMars, le « site d'atterrissage favori » a d'ores et déjà été sélectionné depuis des années puisque la mission devait d'abord décoller cette année : Oxia Planum. « Sélectionné parmi quatre candidats, le site offre le meilleur compromis entre intérêt scientifique et contraintes techniques. Se trouvant dans le prolongement de la trajectoire d’entrée dans l’atmosphère du module de descente, Oxia Planum recèle des argiles dont les minces feuillets ont pu conserver les traces d’une éventuelle forme de vie microscopique passée », explique le CNES.

À la recherche de la vie avec SuperCam, une version améliorée de ChemCam

Comme longuement expliqué, les scientifiques ont déjà accumulé de nombreuses preuves de la présence d'eau liquide à la surface de Mars, mais aussi de l'habitabilité de la planète. Par contre, ils n'ont pu préciser la période concernée.

La prochaine étape est toute tracée pour Mars 2020 : trouver des traces de vie. Pour y arriver, Philippe Caïs, ingénieur de recherche CNRS au LAB de Bordeaux et chef de projet SuperCam Mast Unit (la partie française dans le mât), nous explique que son instrument a été grandement amélioré.

Comme ChemCam, SuperCam est un instrument franco-américain. La partie française dans la « tête » du rover est le fruit de la « collaboration de sept laboratoires constructeurs », détaille Philippe Caïs. De leur côté, les américains gèrent une nouvelle fois la partie de SuperCam se trouvant dans le corps du robot (analyse spectrographique), les deux étant cette fois encore reliées par une fibre optique.

« La fréquence du laser est doublée : de rouge on est passé à vert. On ne va pas exploser la roche, mais simplement exciter les molécules », une technique jamais utilisée sur Mars affirme le fabricant du laser, Thales, qui « permettra de pister d’éventuels marqueurs de la vie ». Pour cela, l'instrument utilise une spectroscopie Raman et infrarouge dont le fonctionnement est détaillé par l'observatoire de Paris.

Jusqu'à 1 000 tirs d'affilée

Ce n'est pas tout : « le laser SuperCam peut enchainer des salves de tirs 10 fois plus longues, 1 000 tirs d’affilée contre 100 tirs maximum pour ChemCam ». Ce nouvel instrument dispose de l'infrarouge alors que ce n'était pas le cas de ChemCam. Bref, « en fonction des composés, on pourra déterminer un peu plus que la minéralogie. On va chercher la vie passée » affirme Philippe Caïs.

Le premier modèle de qualification a été livré à la NASA : « C'est 18 mois de travail et une centaine d'hommes ». La version définitive est attendue pour la fin de l'année. En cas de souci avec celle-ci, le modèle de qualification devrait pouvoir prendre sa place. « il faudra qu'on le retravaille et qu'on le nettoie, mais c'est ce qu'on a vendu à la NASA » lâche le scientifique.

Au total, il a fallu « trois ans pour programmer l'instrument ». Une opération entièrement réalisée dans les laboratoires de Bordeaux, déclare le chef de projet de l’instrument SuperCam Mast Unit. 

 Mars 2020 va se la jouer petit poucet sur Mars

L'autre grosse nouveauté du prochain rover est sa capacité à « ramasser des cailloux, les classer et les déposer dans de petites capsules ». Elles seront regroupées par « petits tas » le long de la route du rover, avec la géolocalisation précise renvoyée sur Terre. Sylvestre Maurice nous assure que les vents sur place ne risquent pas de les déplacer, ceux-ci étant bien trop faibles.

À charge ensuite aux scientifiques de convaincre l'agence spatiale américaine d'organiser une mission de récupération, en s'appuyant sur les mesures effectuées sur place : « On va dire à la NASA d'aller les chercher car on est sûr, après avoir fait toutes les études avec tous les instruments, que ces échantillons contiennent des traces de vie passée ».

Rien n'est encore fait et le retour d'échantillons n'est pas encore une réalité confirme Sylvestre Maurice. Les rapports de force ont été inversés : aux scientifiques d'aller sur Mars de trouver des échantillons et de prouver qu'ils sont intéressants, avant de penser à une mission retour.

Il y a donc « un petit risque » que la récupération ne se fasse jamais, mais c'est « un très, très gros programme pour ramener trois ou quatre kilos de Mars ». En effet, « pour envoyer un robot d'une tonne, il faut le mettre dans une capsule qui fait environ trois tonnes et il faut cinq cents tonnes de carburant... Imaginez quand il faut repartir » soulignent les scientifiques.

Une maquette à l'échelle 1:1 de Mars 2020. De gauche à droite : Sylvestre Maurice, Pascal Borde, Philippe Caïs et Philippe Paillou

Hélicoptère, micro : les autres nouveautés du rover 

Lors de notre déplacement à l'université de Bordeaux, Sylvestre Maurice évoque un « grand scoop pour faire de la publicité » : un hélicoptère autonome (drone). Il serait fixé sous le rover qui « le laisserait tomber au sol, comme s'il le pondait, avant de s'éloigner d'une centaine de mètres » avait-il déjà expliqué il y a quelques semaines.

Le drone pourrait améliorer la cartographie de la surface avec un point de vue plus haut que les deux mètres (environ) de son bras articulé. De plus, il pourrait permettre aux ingénieurs en charge d'établir le plan de route de mieux visualiser les alentours. Problème, un engin de ce genre « ne vole pas bien sur Mars » à cause de la pression atmosphérique de 6/7 millibars seulement.

Ce projet est réalisé « par des étudiants », déclare le responsable de mission. Rappelons qu'il a déjà au moins trois ans, mais il ne semble pas encore définitivement validé, la décision devant apparemment être prise au printemps. Dans tous les cas, le drone sera du voyage à condition qu'il ne représente pas de risque pour le rover.

Autre tentative : installer un micro sur le rover afin de capter les sons environnants, notamment celui des tirs laser. Philippe Caïs se rappelle que cette expérience a déjà été tentée par deux fois, pour deux échecs.

Il faut maintenant attendre deux ans avant le lancement puis encore plusieurs mois avant que le rover ne se pose à la surface de la planète rouge (février 2021 si tout se passe comme prévu).

Aller plus loin dans l'analyse des échanges d'eau entre le sol et l'atmosphère

Les scientifiques explorent également des manières « non prévues » d'utiliser l'instrument SuperCam afin de récolter des données pour de nouvelles expériences. C'est le cas du professeur Philippe Paillou de l'université de Bordeaux. Avec son équipe composée de spécialiste des atmosphères et des planètes, il tentera de mesurer les transferts d'eau de l'une à l'autre sur Mars.

Le design du rover étant arrêté depuis longtemps, il n'est pas question d'ajouter des instruments scientifiques, mais d'exploiter le laser de SuperCam d'une autre manière. Le scientifique affirme qu'il existe « une dynamique, un cycle de l'eau martien même s'il est plus modeste que sur la Terre ». Même en précipitant toute l'eau dans l'atmosphère, on n'obtiendrait qu'une couche de 16 microns d'épaisseur sur toute la surface de Mars, pense en effet Sylvestre Maurice.

Malgré tout, « il y a des transports saisonniers entre les pôles et l'équateur. Des choses changent à la surface de Mars, encore de nos jours » selon Philippe Paillou. Il donne un exemple : « Il y a des dépôts de givre à la surface de Mars, mais elle ne passe pas par l'état liquide. Elle est directement sublimée en vapeur d'eau. C'est ce genre de phénomène qu'on aimerait tracer avec SuperCam ». 

S'ajoutant à la mission en cours de route, l'équipe de Philippe Paillou doit d'abord démontrer qu'elle est capable de détecter ces phénomènes avec l'instrument SuperCam de Mars 2020, sans aucune modification physique. Des essais sont justement en cours dans des laboratoires de l'université de Bordeaux : « On simule le sol martien, que nous mettrons dans des conditions d'atmosphère et de température martienne, puis injecter de très faibles quantités d'eau. On va créer des couches de givre de l'ordre du micron d'épaisseur. Suivront des tirs de laser et, grâce à un spectromètre, une reproduction du mode de fonctionnement de SuperCam ».

Le scientifique espère non seulement détecter ces phénomènes, mais aussi les quantifier. « Si on y arrive, on aura des éléments pour aller dans les "interminables réunions" [quotidiennes] du rover » et demander que le laser soit pointé dans telle direction à telle heure.

Pour le moment rien n'est fait, mais « en science si on veut obtenir des résultats, il faut rêver », dit-il en guise de conclusion.