Premiers résultats de l'orbiteur d'étude des gaz à l'état de traces (TGO) d'ExoMars

Deux articles scientifiques décrivant ces nouveaux résultats ont été publiés cette semaine dans la revue Nature, et discutés lors d’un point presse dédié à l’Union européenne des géosciences à Vienne.

Un troisième article, soumis à Proceedings of the Russian Academy of Science, présente la carte la plus détaillée jamais produite de la glace d’eau ou des minéraux hydratés présents à faible profondeur sous la surface de Mars.

Ces résultats sont particulièrement intéressants pour des chercheurs et ingénieurs belges. Un instrument embarqué sur le TGO, NOMAD (acronyme de Nadir and Occultation for Mars Discovery) a été développé par l'Institut d'aéronomie spatiale de Belgique (IASB) et de nombreuses entreprises belges ont contribué à sa réalisation, au premier rang desquelles on trouve la société OIP à Audenarde. Plus d'informations sur NOMAD sont disponibles sur le site web de l'IASB.

L'orbiteur d'étude des gaz à l'état de traces (TGO) d’ExoMars, la mission conjointe ESA-Roscosmos, est arrivé en octobre 2016 à proximité de la planète rouge, avant de passer plus d’un an à effectuer un aérofreinage qui lui a permis d’atteindre son orbite scientifique, qui dure deux heures, environ 400km au-dessus de la surface de Mars.

« Nous sommes ravis des premiers résultats obtenus par TGO, » déclare Håkan Svedhem, scientifique du projet TGO à l’ESA.

« Nos instruments se comportent extrêmement bien, et nous ont fournis dès les premiers mois des données exquises, d’un niveau bien supérieur à celui des données précédentes. » 

La mission scientifique de TGO a débuté fin avril 2018, à peine deux mois avant le début de la tempête de poussière à l’échelle planétaire qui allait conduire à la fin de la mission du rover Opportunity de la NASA, après 15 années passées à arpenter la surface de Mars.

Les sondes en orbite ont quant à elles profité d’un point de vue unique, et TGO a suivi la formation et le développement de la tempête, et observé la manière dont l’augmentation de la poussière a influé sur la vapeur d’eau contenue dans l’atmosphère, ce qui est important pour comprendre l’histoire de l’eau sur Mars au fil du temps.

Exploiter la tempête de poussière

Les deux spectromètres embarqués, NOMAD et ACS, ont procédé aux premières mesures haute résolution de l'atmosphère en occultation solaire, en analysant la manière dont la lumière du soleil est absorbée par l’atmosphère afin de révéler l’empreinte chimique de ses ingrédients.

Cela a permis de déterminer la distribution verticale de la vapeur d’eau et de l’eau «semi-lourde» (dont un atome d’hydrogène est remplacé par un atome de deutérium, une forme d’hydrogène avec un neutron supplémentaire) depuis la proximité de la surface martienne et jusqu’à plus de 80 km d’altitude. Les résultats obtenus mettent en évidence l’influence des poussières dans l’atmosphère sur l’eau, ainsi que la fuite d’atomes d’hydrogène dans l’espace.

«Sous les latitudes septentrionales, nous avons observé des phénomènes tels que des nuages de poussière situés à une altitude d'environ 25 à 40 km, qui n'existaient pas auparavant, ainsi que des couches de poussière se déplaçant vers des altitudes plus élevées sous les latitudes méridionales», explique Ann Carine Vandaele, chercheuse principale de l’instrument NOMAD à l'Institut royal d'aéronomie spatiale de Belgique.

«L’augmentation de la vapeur d’eau dans l’atmosphère a été remarquablement rapide, elle s’est faite en quelques jours au début de la tempête, ce qui indique une réaction rapide de l’atmosphère à la tempête de poussière.»

Les observations sont cohérentes avec les modèles de circulation à l’échelle planétaire. La poussière absorbe les radiations du Soleil, chauffant le gaz environnant et provoquant son expansion, redistribuant à son tour d'autres ingrédients - comme l'eau - sur une plage verticale plus large. Un contraste de température plus élevé s’installe entre les régions équatoriales et polaires, et renforce la circulation atmosphérique. Parallèlement, les températures plus élevées font que moins de nuages de glace d'eau se forment ; en temps normal ils confineraient la vapeur d'eau à des altitudes plus basses.

Les équipes ont également procédé à la première observation simultanée d’eau semi-lourde et de vapeur d’eau, qui a fourni des informations essentielles sur les processus qui contrôlent la quantité d’atomes d’hydrogène et de deutérium qui s’échappent dans l’espace. Cela signifie également que le rapport deutérium sur hydrogène (D/H) peut être dérivé, ce qui est un marqueur important de l'évolution de l'inventaire des ressources en eau sur Mars.

«Nous constatons que l’eau, deutérée ou non, est très sensible à la présence de nuages de glace, qui l’empêche d’atteindre les couches atmosphériques les plus hautes. L'eau a atteint des altitudes beaucoup plus élevées pendant la tempête, » affirme Ann Carine. « C’était prédit de manière théorique par les modèles depuis longtemps, mais c'est la première fois que nous avons pu l'observer. »

Comme le rapport D/H est supposé changer en fonction des saisons et des latitudes, les mesures régionales et saisonnières continues de TGO devraient fournir une preuve supplémentaire des processus en jeu.

Le mystère du méthane s'épaissit

Les deux instruments complémentaires ont également commencé leurs mesures des gaz à l‘état de  traces dans l'atmosphère martienne. Les gaz à l'état de traces représentent moins de 1% de l'atmosphère en volume et nécessitent des techniques de mesure très précises pour déterminer leurs empreintes chimiques dans la composition. La présence de gaz à l’état de traces est généralement mesurée en «partie par milliard en volume» (ppbv). Ainsi, si on prend l’exemple du stock de méthane de la Terre, soit 1800 ppbv, cela signifie que pour chaque milliard de molécules, 1800 sont du méthane.

Le méthane revêt un intérêt particulier pour les scientifiques qui travaillent sur Mars, car il peut être une signature de la vie, ainsi qu’un indicateur de processus géologiques. Sur Terre, par exemple, 95% du méthane dans l'atmosphère provient de processus biologiques. Puisqu'il peut être détruit par le rayonnement solaire à l’échelle de quelques centaines d'années, toute détection de la molécule à l'époque actuelle implique qu'elle a été libérée relativement récemment - même si le méthane lui-même a pu être produit il y a des millions ou des milliards d'années et être resté emprisonné dans des réservoirs souterrains jusqu'à maintenant. De plus, les gaz à l'état de traces sont quotidiennement mélangés de manière efficace à la surface de la planète ; les modèles de circulation des vents à l’échelle planétaire indiquent que le méthane serait réparti uniformément sur l’ensemble de la planète en quelques mois.

Les signalements de méthane dans l’atmosphère martienne ont fait l’objet de vives discussions, car les détections ont été très sporadiques en termes de lieu et de lieu et frôlaient souvent la limite de détection des instruments. La mission Mars Express de l’ESA a fourni en 2004 l’une des premières mesures en orbite ; elle indiquait à ce moment-là une présence de méthane de l’ordre de 10 ppbv.

Les télescopes basés sur Terre ont également soit signalé l’absence de méthane, soit détecté temporairement des valeurs pouvant aller jusqu’à environ 45 ppbv. Le robot Curiosity de la NASA, qui explore le cratère Gale depuis 2012, a suggéré un niveau de fond de méthane variant avec les saisons entre 0,2 et 0,7 ppbv, avec des pointes plus élevées. Plus récemment, Mars Express a observé un pic de méthane un jour après l’un des relevés les plus élevés de Curiosity.

Les nouveaux résultats de TGO fournissent l'analyse à l’échelle planétaire la plus détaillée à ce jour, avec une limite supérieure de 0,05 ppbv, soit 10 à 100 fois moins de méthane que toutes les détections précédemment rapportées. La limite de détection la plus précise, soit 0,012 ppbv, a été atteinte à 3 km d'altitude.

En tant que limite supérieure, 0,05 ppbv correspond encore à l’émission de 500 tonnes de méthane si l’on retient une durée de vie de 300 ans pour la molécule en considérant les seuls processus de destruction atmosphérique, mais dispersé dans toute l'atmosphère, c’est une valeur extrêmement faible.

«Nous avons de belles données de grande précision qui indiquent des signaux d’eau dans la plage où nous nous attendions à voir du méthane, mais nous ne pouvons toutefois que faire état d’une limite supérieure modeste qui suggère une absence globale de méthane», déclare Oleg Korablev, chercheur principal d'ACS, de l'Institut de recherche spatiale de l’Académie des sciences de Russie (Moscou).

«Les mesures haute précision effectuées par TGO semblent être en contradiction avec les détections précédentes; pour réconcilier les différents jeux de données et faire correspondre la transition rapide des panaches précédemment signalés au niveau de fond apparemment très faible, nous devons trouver ce qui détruit efficacement le méthane près de la surface de la planète. »

«La question de la présence de méthane et de sa provenance potentielle a suscité beaucoup de débats, et la question de savoir où il va et avec quelle rapidité il peut disparaître est tout aussi intéressante, » déclare Håkan.

« Nous n’avons pas encore toutes les pièces du puzzle et nous n’avons pas encore de vue d’ensemble, mais c’est pour cette raison que nous sommes là avec TGO ; faire une analyse détaillée de la planète avec les meilleurs instruments dont nous disposons, afin de mieux comprendre le degré d’activité, géologique ou biologique, de cette planète. »

La meilleure carte de l’eau présente à faible profondeur

Alors que se poursuit le débat animé sur la nature et la présence de méthane, une chose est sûre : l’eau a existé sur Mars, et s’y trouve encore sous forme de glace d’eau ou de minéraux hydratés. Et là où il y a eu de l’eau, il pourrait également y avoir eu de la vie.

Afin d’aider à comprendre l’emplacement et l’histoire de l’eau à la surface de Mars, FREND, le détecteur à neutrons de TGO, cartographie la distribution de l’hydrogène dans le premier mètre sous la surface de la planète. Puisqu’il est l’un des principaux composants de la molécule d’eau, l’hydrogène indique la présence d’eau. Il peut également indiquer de l’eau qui a été absorbée par la surface, ou des minéraux qui se sont formés en présence d’eau.  

Cette tâche de cartographie de la surface va durer une année martienne environ, presque deux années terrestres, afin de produire les meilleures statistiques en vue de générer une carte de la meilleure qualité possible. Les premières cartes présentées, produites à partir de quelques mois de données, dépassent déjà la résolution des mesures précédentes.

“En seulement 131 jours, l’instrument avait déjà permis de produire une carte à plus haute résolution que les données collectées depuis 16 ans par son prédécesseur embarqué sur Mars Odyssey de la NASA – et elle va continuer à s’améliorer, » explique Igor Mitrofanov, chercheur principal de l’instrument FREND, de l'Institut de recherche spatiale de l’Académie des sciences de Russie (Moscou).

Outre le pergélisol évidemment riche en eau des régions polaires, la nouvelle carte fournit des détails plus affinés de régions «humides» et «sèches». Elle met également en évidence les matériaux riches en eau dans les régions équatoriales qui peuvent indiquer la présence de pergélisol riche en eau à l’époque actuelle, ou les anciens emplacements des pôles de la planète dans le passé.

“Les données s’améliorent en permanence et nous aurons à terme les données de référence pour cartographier les minéraux riches en eaux situés à faible profondeur sur Mars, qui sont cruciaux pour comprendre l’évolution de Mars et où se trouve toute l’eau à présent, » ajoute Igor. « C’est important pour la science martienne, et également pour des explorations futures de Mars. »

« Nous profitions déjà de belles images et vues en stéréo de Mars grâce au système d’imagerie de TGO, et nous sommes ravis de pouvoir à présent partager un premier regard sur les données issues des autres instruments, » conclut Håkan.

« Nous avons un bel avenir devant nous : nous allons pouvoir contribuer à de nombreux aspects de la science martienne, depuis la distribution de l’eau sous la surface aux mystères de l’atmosphère martienne en passant par les processus actifs à la surface. »