Le point sur la géologie et la climatologie martienne. Compte rendu de la session martienne du 8ème congrès suisse des géosciences.

Objectif Mawrth Vallis ?

La session martienne du 8ème Congrès Suisse des Geosciences (« 8SGM ») qui s’est tenue à l’Université Pérolles2 de Fribourg, toute la journée du 20 Novembre, à l’initiative de la Mars Society Switzerland et sur invitation du Centre d’Hydrogéologie et de Géothermie de l’Université de Neuchâtel et du Département des Géosciences de l’Université de Fribourg, a été l’occasion pour les spécialistes suisses et étrangers de faire le point des connaissances géologiques ainsi que des moyens et des objectifs de l’exploration de Mars.

Cela ne peut laisser indifférent car Mars, pendant ses quatre ou cinq premières centaines de millions d’années, a probablement connu une histoire assez semblable à celle de la Terre et elle a pu donc abriter les prémisses de la vie. Comme par la suite la quasi-totalité de l’atmosphère s’est dissipée dans l’Espace et l’érosion s’est presque arrêtée, on peut, en l’observant, consulter les premières pages du livre de notre propre Histoire, pages qui nous manquent pour avoir été effacées, sur Terre, par la tectonique des plaques et l’érosion.

Pour décrire le rôle de l’eau dans cette Histoire de Mars (et donc déterminer les endroits les plus susceptibles d’avoir permis l’émergence de la vie), deux théories différentes ont été exposées durant ce congrès.

D’une part, Charles Frankel, membre du conseil d’administration de l’Association Planète Mars et géologue diplômé de l’Université d’Arizona, pense, sur la base du relief de la planète et d’indices morphologiques, que de l’eau liquide stable a subsisté longtemps au-delà de la première ère géologique, dans les basses terres de l’hémisphère Nord (« Vastitas Borealis », dont le fond s’étend en plaines lisses et plates de 3000 à 6000 mètres en dessous du niveau d’altitude moyen de la planète). Il pense que l’eau a coulé pendant de longues périodes par les lits asséchés des fleuves et s’y est déversée par les estuaires qui y débouchent. Ces fleuves auraient eu beaucoup plus de ramifications d’affluents que précédemment estimé (compte tenu d’observations de plus en plus précises). Après que l’atmosphère se soit raréfiée, l’eau aurait éventuellement été protégée de la sublimation, par de la glace en surface. Il croit pouvoir suspecter la présence de lignes de rivage (même si cela reste incertain) et estime que la surface des plaines du Nord présente des similarités avec le fond de nos océans.

D’autre part, le Professeur Jean-Pierre Bibring, chef de l’Institut d’Astrophysique Spatiale de l’Université Paris Sud et responsable du spectromètre OMEGA (embarqué sur le satellite Mars Express de l’ESA) qui a dressé la carte minéralogique de Mars, observe que les minéraux (phyllosilicates, carbonates) résultant d’une longue immersion des roches dans l’eau, sous une atmosphère épaisse de gaz carbonique, se trouvent presque exclusivement dans les terrains anciens cratérisés du Sud de la planète. Les roches de surface au Nord (dans l’océan « putatif » considéré par Charles Frankel) ne sont que magmatiques, les roches hydratées métamorphisées (observable dans le pic du cratère Leighton par exemple) n’apparaissant que sous la couche volcanique. Selon Jean-Pierre Bibring l’ « océan » boréal ne serait qu’une « mer » de type lunaire, complètement anhydre, créé à la fin de la période humide (vers -4 milliards d’années) par un impacteur géant lors du grand bombardement tardif causé par les réajustements d’orbite de Neptune et Uranus. C’est ce choc qui aurait créé la dichotomie crustale observée aujourd’hui.

La dynamo interne de la planète s’étant ensuite arrêtée du fait du refroidissement et de la rigidification de son manteau, la magnétosphère aurait disparu, l’atmosphère aurait été soufflée par le vent solaire et n’aurait plus jamais été suffisamment dense (malgré des époques de fort volcanisme) pour permettre à l’eau de rester longtemps liquide en surface. Les lits de fleuves et les estuaires ne seraient que les traces de flots cataclysmiques d’eau qui se serait très vite sublimée, sans jamais former de mer stable.

Par ailleurs la nature des roches hydratées (abondance du Phyllosilicate de Magnésium) correspond bien à des roches magmatiques primordiales (richesse en magnésium et en fer) non transformées ultérieurement.
Jean-Pierre Bibring rejette l’argument « géographique » du fait que le relief contemporain de la période humide a pu être totalement bouleversé par l’histoire géologique ultérieure de Mars. Le grand bombardement tardif, suivant d’ailleurs le bombardement météoritique originel, et le volcanisme puissant de l’époque hespérienne ont dû en effet complètement bouleverser la surface de la planète.

Ces divergences, qui existent aussi chez les scientifiques qui conseillent la NASA et l’ESA, auront une incidence directe sur le choix du site d’atterrissage de la prochaine mission Mars Science Laboratory de la NASA (« MSL »). Pour le moment quatre sites sont en compétition, tous dans le Nord de la planète, car MSL doit arriver sur Mars malheureusement pendant l’hiver austral martien. Il serait empêché d’agir par un flux lumineux insuffisant (pour ses panneaux solaires) et par le froid s’il se posait dans l’hémisphère sud (où les roches hydratées sont les plus abondantes). Parmi ces sites préqualifiés, tous se situent dans des estuaires mais un seul dans un environnement où les roches anciennes de type Phyllosien sont accessibles. Ce site, c’est l’embouchure de « Mawrth Vallis » (d’après le nom gallois de la planète Mars), un fleuve qui après avoir traversé la région d’Arabia Terra, se jette dans Chrise Planitia (partie des grandes plaines du Nord) à la latitude 22°4 Nord.

Localisation de Mawrth Vallis, site potentiel d’atterrissage du Mars Science Laboratory à la frontière des zones élevées du Sud et des zones basses du Nord. Les trois autres sites potentiels figurent également sur cette image. (image NASA)

En bleu les zones où l’instrument Omega de l’Institut d’Astrophysique Spatiale de l’Université Paris Sud, embarqué sur la sonde européenne Mars Express, a détecté des phyllosilicates (argiles), signes d’une présence passée d’eau. On note qu’il n’y en a pas dans la vallée. (image ESA/OMEGA/HRSC)

L’ellipse d’atterrissage du Mars Science Laboratory (dans la mesure où ce site serait retenu) sur les hauteurs de Mawrth Vallis. (image NASA)

Après avoir choisi les sites d’atterrissage simplement sur la base de critères géographiques, ne faudrait-il pas essayer autre chose (même si les terrains anciens, plus cratérisés et d’altitude plus élevée, sont plus difficiles d’accès) ? Si on fait un mauvais choix, les conséquences seront graves car malheureusement, les missions martiennes avec dépose de robot au sol sont rares, au mieux tous les deux ans et demi, et aussi parce que des découvertes significatives sont déterminantes pour inciter à poursuivre l’exploration.

Personnellement, je suis plus convaincu par la minéralogie que par la géographie et je vote pour Mawrth Vallis (mais ce n’est pas moi qui décide !!).

Cette controverse a dominé la rencontre mais elle n’en a pas constitué le seul intérêt. Après une introduction générale sur les raisons, en termes de connaissances géologiques, d’aller sur Mars et l’intérêt ainsi que la faisabilité des missions habitées (que j’ai présentée en tant qu’organisateur de l’événement), les autres intervenants ont apporté des contributions à la pointe de leur domaine respectif de recherches.

Gregor Golabek (doctorant de l’Institut für Geophysik ; ETH de Zürich) a exposé une modélisation de la formation du noyau et de la croûte de la planète, prenant en compte les différents facteurs ayant pu jouer et rendant bien compte de la dichotomie crustale de la planète. La modélisation permet des simulations étonnantes montrant que l’impact qui a conduit à la dichotomie devrait avoir frappé le Sud de Mars et non le Nord comme on le pensait jusqu’à présent. L’époque pourrait se situer avant la fin de la formation du  noyau ou peu de temps après (vers 4,2 milliards d’années). L’impact explique aussi bien l’activation du magma dans une région du type de Tharsis, qui a subsisté durablement, que la différence d’altitude du Sud et du Nord, la croûte étant plus épaisse dans le Sud : l’étalement de l’impacteur et de la masse de magma qu’il a mobilisé ne sont pas parvenus à englober la totalité de la planète avant de se figer et les mouvements de convection, moins vigoureux au plus loin de l’impact, ont empêché la formation d’une croûte épaisse au Nord.

Cédric Gillmann, doctorant, également à l’Institut für Geophysik de l’ETH de Zürich, a présenté les effets à long terme du volcanisme et de la dissipation de l’atmosphère dans l’espace, sur l’évolution des conditions à la surface de Mars durant les quatre derniers milliards d’années (c’est-à-dire en excluant la première période géologique de Mars). Ses travaux reposent sur les données d’observation des corps volatils (proportion des différents composants de l’atmosphère et des isotopes de carbone, d’azotes et d’argon) entrées dans une modélisation informatique.

L’objet principal de l’étude est évidemment le gaz carbonique, constituant essentiel de l’atmosphère martienne, l’histoire de l’argon (reflété par la mesure de ses isotopes 40Ar/36Ar) posant les limites de la dissipation de ce gaz.

Il semble, d’après cette étude, que l’atmosphère primordiale ait très largement disparu à la fin de l’époque noachienne et qu’elle ait été reconstituée par le volcanisme de l’Hespérien, puis entretenue régulièrement par un volcanisme épisodique. En fait l’âge moyen de l’atmosphère ne serait que de 1,9 à 2,3 milliards d’années et peut-être moins si le volcanisme tardif a été plus puissant. Ceci implique une vitalité interne de la planète bien au-delà de la fin de l’Hespérien (ou Theiikien).

Cependant ce « réapprovisionnement » en composants volatils reste modeste. Compte tenu de l’abondance du dégazage volcanique et des pertes atmosphériques, la pression n’a jamais dû excéder 50 mb durant la période, ce qui confirmerait la perte massive subie à la fin du Noachien. L’azote serait le composant le plus ancien. Il n’a pas été renouvelé. Le carbone est plus jeune (stabilité du ratio (12C/13C). Une partie est peut être venue des comètes. L’eau est modérément abondante mais il est peu vraisemblable qu’elle ait jamais été sous forme liquide stable pendant la période considérée, sauf exceptions (changements d’obliquité de la planète ou épisodes de fort volcanisme).

L’étude confirme ainsi les faibles possibilités d’habitabilité en surface depuis la fin du Noachien/Phyllosien.

Par ailleurs des spécialistes d’instruments embarqués ou devant l’être, ont décrit ces instruments et leur rôle. Ces merveilles d’ingéniosité dans la conception et dans la réalisation font honneur aux chercheurs et aux entreprises qui les ont réalisés.

Sebastian Gautsch (SAMLAB/IMT/EPFL-Neuchâtel ; vice président de la Mars Society Switzerland) dont la thèse de doctorat était consacrée au microscope à force atomique embarqué sur Phoenix (« FAMARS »), a mis en évidence sa miniaturisation (taille d’une boite d’allumettes) et décrit son fonctionnement (mesure par effet piézo-électrique de la flexion d’un levier minuscule au contact de l’objet à observer). Il a donné d’autre part un aperçu des poussières qui ont été examinées (taille d’environ 1 µm). Une publication, faisant état des types de roches d’où proviennent ces poussières, est en cours d’achèvement et permettra de mieux évaluer le rôle de l’érosion et de l’eau dans les périodes récentes, ainsi que les échanges entre la glace d’eau et l’atmosphère.

FAMARS (image NASA/JPL/Nanosurf/IMT Neuchatel/IFP Basel) embarqué sur Phoenix (image NASA)

Le Dr Beda Hofmann (Institut des Sciences Géologiques de l’université de Berne), conseiller scientifique pour la préparation de l’instrument de prise d’images « CLUPI » pour « Close UP Imaging », a décrit l’instrument et les cibles qu’il devra rechercher.

Image LPCE CNRS-Orléans

CLUPI est un appareil de « macrophotographie », qui prend des vues avec résolution de 15 microns par pixels (usage entre le microscope et la camera panoramique). On a déjà utilisé ces appareils (rovers MER et Phoenix, sans compter Beagle2) mais celui-ci prendra des images en couleurs. Fabriqué sous la direction du Space Exploration Institute (Neuchâtel), il équipera le rover d’ExoMars (mission ESA dont le lancement est prévu pour 2018).

Beda Hofmann teste actuellement l’instrument pour mieux identifier les informations que l’on pourra en obtenir.

Le but principal de la mission sera de rechercher des traces de vie (passée ou présente). CLUPI sera essentiel pour permettre d’interpréter les surfaces du sol et des rochers. Le rover sera aussi équipé d’un foret et CLUPI examinera les carottes prélevées.

Les premiers objets d’étude exobiologique à l’observation desquels le Dr Hofmann cherche à préparer CLUPI, sont d’éventuels stromatolithes et tissus de filaments microbiens. Etant les formes de vie « organisée » les plus anciennes sur Terre, il espère qu’on en trouvera sur Mars. Afin de les différencier des autres roches, il s’efforce d’identifier les critères biogéniques de ces formations.

Pour éclairer les perspectives ouvertes à la Recherche par les instruments en préparation, Jean-Luc Josset, président du Space Exploration Institute (à Neuchâtel), a donné en fin de session une présentation générale d’ExoMars, de ses buts et de ses instruments (qu’il connait bien du fait de son implication dans CLUPI).

Il rappelle qu’ExoMars fera l’objet de deux lancements, l’un en 2016 avec un orbiteur qui doit analyser les gaz rares dans l’atmosphère et un atterrisseur qui doit tester la capacité des européens à descendre un engin sur Mars (rappelons que l’Europe n’a pas encore réussi cette opération…souvenons nous de Beagle 2 !). La seconde mission partira en 2018 (et arrivera donc en 2019). En plus de Pasteur, elle emportera un rover de la NASA. Les deux seront déposés sur le sol martien par une « grue céleste » (« sky crane ») de la NASA.

Le nouvel ensemble de missions ExoMars en coopération NASA ESA. (image NASA/ESA)

Les buts scientifiques (à effectuer dans le cadre d’une mission de 180 jours) seront :

-de chercher des signes de vie présente ou passée ;

-d’étudier l’environnement aqueux et géochimique en fonction de la profondeur (sous-sol immédiat) ;

-d’étudier les traces de gaz rares dans l’atmosphère et leurs sources.

Les recherches en géologie et en exobiologie seront menées avec les instruments embarqués au nombre de neuf (composant la charge utile du rover, « Pasteur »). Quatre de ces instruments doivent effectuer des observations préliminaires : PanCam (camera à grand angle, à haute résolution et vision 3D); CLUPI (Close UP Imager); Ma_Miss (Mars Multispectral Imager for Sub-surface Science; WISDOM (Water Ice & Subsurface Deposit Observations on Mars, un radar polarimétrique pouvant pénétrer le sol).

Il y aura ensuite six forages, jusqu’à une profondeur de 2 mètres. Les carottes de forage, une fois écrasées, seront photographiées par CLUPI, puis étudiées par les instruments situés à l’intérieur du rover : MIRU (Micromega InfraRed Unit for hyperspectral imagination); RAMAN IOH (Spectromètre Rahman); MARS-XRD (difractomètre à rayons X); MOMA (Mars Organic Molecule Analyser, un chromatographe pour les gaz et un spectromètre de masse ) et LMC (Life Marker Chip). Ce seront les premières études du sous-sol immédiat de Mars.

Le système de forage du rover Exomars. (image ESA-AOES Medialab)

On a abordé succinctement l’exploration par vols habités, dans l’introduction de la session et dans la dernière présentation qui consistait en une projection de deux extraits du film de Richard Dindo, The Marsdreamers. Le sujet est délicat car, parmi les partisans de l’exploration de Mars, il y a désaccord sur la nécessité d’investir dans ce mode d’exploration. Les opposants mettent en avant les ressources rares diverties des programmes purement robotiques et les risques de pollution de Mars. Les membres de la Mars Society connaissent bien ces objections et y apportent leurs réponses (exploration plus efficace, environnement stérile probable en surface de Mars, attrait et perspectives de l’aventure humaine).

Ce qu’il faut surtout dans cette première phase d’exploration où les dangers d’abandon sont grands (on l’a vu clairement dans l’absence de mission entre 1976 et 1996 et ensuite dans les délais supplémentaires imposés à différents programmes comme ExoMars ou encore dans les coupes faites aux différents budgets), c’est que tous ceux qui reconnaissent l’intérêt de l’exploration martienne unissent leurs efforts. Que ceux qui veulent promouvoir les vols habités le fassent, nous le faisons, mais il faut surtout se préoccuper de faire avancer notre cause commune en soulignant l’intérêt de la recherche martienne et en l’encourageant. Montrer les avantages que donnerait sur place la présence des hommes, possible dès demain avec Mars Direct, ne doit pas conduire à un affrontement préjudiciable à tous.

Dans ce sens, le bilan de cette journée est très positif. L’association Mars Society Switzerland a montré qu’elle pouvait être un organisme de concertation scientifique de haut niveau. Elle a permis à des spécialistes de divers domaines intéressés par l’exploration de Mars de se rencontrer et d’échanger des informations et des réflexions sur leurs recherches et leurs perspectives. Elle  a pu reparler de la faisabilité des vols habités.

De bonnes raisons de persévérer.

Pierre Brisson

Président de la Mars Society Switzerland

Membre du bureau de l’Association Planète Mars.