ExoMars repère une lueur verte unique sur la Planète rouge

Sur Terre, l'oxygène incandescent est produit lors des aurores polaires, lorsque les électrons énergétiques de l’espace interplanétaire viennent frapper la haute atmosphère. Cette émission de lumière alimentée par l'oxygène donne aux aurores polaires leur belle teinte verte caractéristique.

L'aurore n'est cependant qu'un des moyens par lesquels les atmosphères planétaires s'illuminent. Les atmosphères des planètes, y compris celle de la Terre et de Mars, brillent constamment, de jour comme de nuit, lorsque la lumière du Soleil interagit avec les atomes et les molécules de l'atmosphère. Les lueurs diurnes et nocturnes sont causées par des mécanismes légèrement différents : le « nightglow » ou lueur nocturne résulte de la recombinaison de molécules qui ont été brisées, alors que le « dayglow » ou lueur du jour se produit lorsque le rayonnement solaire excite directement les atomes et les molécules (tels que l’azote et l’oxygène).

Sur Terre, la couche verte de la lueur nocturne est assez faible, si bien qu'elle ne peut être vue qu’en regardant « au bord » de la couche d'émission, comme l’illustrent les nombreuses photos spectaculaires prises par les astronautes à bord de la station spatiale internationale. Sa faible luminosité peut poser problème lorsqu’on cherche cette lueur sur d’autres planètes car la surface très lumineuse de ces dernières peut la masquer complètement.

Cette lueur verte a maintenant été aperçue pour la première fois sur Mars par l'orbiteur d'étude des gaz à l'état de traces (TGO) de la mission Exomars, en orbite autour de Mars depuis octobre 2016.

« L’une des émissions les plus lumineuses que l’on peut voir sur Terre provient de la lueur nocturne. Et plus précisément des atomes d’oxygène qui émettent une longueur d’onde de lumière particulière qui n’a jamais été observée autour d’autres planètes », explique Jean-Claude Gérard (Université de Liège), l’auteur principal de la nouvelle étude publiée dans Nature Astronomy. « L'existence d'une telle émission sur Mars avait cependant été prédite depuis environ 40 ans, et grâce à TGO, nous l’avons finalement découverte ».

Jean-Claude et ses collègues ont pu détecter cette émission en utilisant un mode d’observation spécifique de TGO. En effet, parmi la gamme d’instruments avancés de l’orbiteur, NOMAD (Nadir and Occultation for Mars Discovery) et son canal UVIS (Ultraviolet and Visible Spectrometer) sont à même de réaliser des observations dans différentes configurations. L’une de ces configurations positionne ses instruments de façon à pointer directement vers la surface martienne (orientation au nadir).

« Les observations précédentes n’ayant capturé aucune sorte de lueur verte sur Mars, nous avons décidé de réorienter le canal Ultraviolet et Visible (UVIS) de l'instrument de son orientation typique au nadir vers le « bord » de Mars, par analogie avec la perspective que l’on peut voir dans les clichés de la Terre pris depuis l’ISS », ajoute la co-auteure Ann Carine Vandaele, de l’Institut royal d'aéronomie spatiale de Belgique, et par ailleurs investigateur principal de NOMAD.

Entre le 24 avril et le 1^er décembre 2019, Jean-Claude, Ann Carine et leurs collègues ont utilisé NOMAD-UVIS afin de balayer deux fois par orbite les altitudes allant de 20 à 400 km de la surface de Mars. L’analyse de l’ensemble des données a révélé la présence généralisée d’émissions d’oxygène vert. 

« La lueur était la plus intense à une altitude d’environ 80 km et variait en fonction de la distance changeante entre Mars et le Soleil », ajoute Ann Carine. 

L’étude de la lueur de l’atmosphères d’une planète peut fournir une importante quantité d’information sur la composition et la dynamique d’une atmosphère et dévoiler la façon dont l’énergie provenant de la lumière du Soleil et du vent solaire – soit le courant de particules chargées émanant de notre étoile – se dépose.

Pour mieux comprendre cette lueur verte sur Mars et la comparer avec ce que nous voyons autour de notre propre planète, Jean-Claude et ses collègues ont dû se focaliser sur la façon dont elle s’est formée.

« Nous avons modélisé cette lueur et nous avons découvert qu’elle est principalement générée lorsque le dioxyde de carbone (CO₂), est décomposé en ses parties constitutives : l'oxygène et le monoxyde de carbone », explique Jean-Claude. « Nous avons constaté que les atomes d'oxygène qui en résultent brillent dans le visible et l'ultraviolet ».

La comparaison simultanée de ces deux types d’émissions a montré que l’émission visible était 16,5 fois plus intense que celle en ultraviolet.

« Les observations sur Mars sont en accord avec les modèles théoriques précédents, mais contredisent les observations faites lors d’aurores polaires sur Terre, où la lueur visible est bien plus faible », ajoute Jean-Claude. « Ceci suggère que nous avons beaucoup à apprendre sur le comportement des atomes d’oxygène, ce qui est extrêmement important pour notre compréhension de la physique atomique et de la physique quantique ».

Cette compréhension est fondamentale pour caractériser les atmosphères planétaires et les phénomènes connexes, telles les aurores polaires. En décortiquant la structure et le comportement de cette couche lumineuse verte dans l’atmosphère de Mars, les scientifiques peuvent en apprendre davantage sur une amplitude altimétrique qui est demeurée largement inexplorée. Ils peuvent également suivre son évolution en fonction des variations de l’activité du Soleil ou encore en fonction de la position de Mars sur son orbite autour de notre étoile.

« C’est la première fois que cette lueur est observée autour d’une autre planète que la Terre, et cet événement marque également la première publication scientifique basée sur des observations issues du canal UVIS de l’instrument NOMAD de l'orbiteur d'étude des gaz à l'état de traces (TGO) d’Exomars », souligne Håkan Svedhem, scientifique sur le projet TGO à l’ESA.

« Ceci démontre la haute sensibilité et la qualité optique remarquables de l’instrument NOMAD. C'est d’autant plus vrai que cette étude a exploré la face illuminée de Mars, qui est bien plus lumineuse que la face sombre et qui rend la détection d’une faible lueur encore plus compliquée ».

Comprendre les caractéristiques de l’atmosphère de Mars n’est pas uniquement intéressant d’un point de vue scientifique, c’est également crucial pour opérer les missions que nous envoyons vers la planète rouge. La densité atmosphérique affecte directement la résistance à laquelle sont confrontés les satellites en orbite ou les parachutes utilisés pour amener les sondes à la surface de Mars.

« Ce type d’observation par télédétection, associé à des mesures in situ à hautes altitudes, nous aide à prédire comment l’atmosphère martienne réagira aux changements saisonniers ainsi qu’au variations de l’activité solaire », ajoute Håkan. « Prédire les changements de densité atmosphérique est particulièrement important pour les prochaines missions, y compris la mission ExoMars 2022 qui verra l’envoi d’un rover et d’une plate-forme scientifique pour explorer la surface de la Planète rouge ».

Plus d’informations

“Detection of green line emission in the dayside atmosphere of Mars from NOMAD-TGO observations" par J.-C. Gérard et al. (2020) est publié dans Nature Astronomy.

ExoMars est une initiative conjointe de l’Agence spatiale européenne et de Roscosmos. L’expérience NOMAD est dirigée par l’Institut d’aéronomie spatiale de Belgique (IASB), assisté par des équipes (co-PI teams) d’Espagne (IAA-CSIC), d’Italie (INAF-IAPS) et du Royaume-Uni (Open University). Le projet bénéficie du soutien financier de la Politique scientifique fédérale belge – avec la coordination financière et contractuelle du département PRODEX de l’Agence spatiale européenne, du MICINN espagnol à travers son Plan Nacional, ainsi que des agences spatiales britannique et italienne.