Objectif Mars
Alors que le robot Perseverance fait ses premiers tours de roue sur Mars et que plusieurs sondes spatiales arrivent à proximité, la planète rouge revient sur le devant de l’actualité. Certains parlent maintenant d’y envoyer à brève échéance une mission spatiale habitée, alors même que les futures missions habitées vers la Lune ne sont encore qu’en phase préparatoire.
Mars est sans doute le seul corps du système solaire au-delà de la Lune où il semble possible dans un futur pas trop éloigné, bien qu’encore indéterminé, d’envoyer un jour des humains. On a cependant rappelé dans d’autres articles de ce blog quelles étaient les difficultés d’un vol habité vers Mars[1] : outre le voyage lui-même, on se heurte au problème de poser d’abord sur Mars un module atterrisseur qui serait bien plus lourd et volumineux que les robots actuels et ensuite de faire redécoller de la surface martienne un véhicule beaucoup plus important que les porteurs d’échantillons dont on parlera plus loin. On a dit également combien l’idée de voir en Mars une planète de rechange lorsque la Terre sera devenue inhabitable ou que ses ressources auront été épuisées, voire d’envisager une « terra-formation » de Mars, était illusoire[2].
Cinquante années d’exploration spatiale du système solaire ont révélé une diversité d’objets, de stades d’évolution, d’activité géologique et de degrés de complexité d’une richesse précédemment insoupçonnée. La planétologie comparée cherche à expliquer les spécificités de ces objets et élucider les mécanismes de leur évolution. Quatre étapes successives jalonnent cette approche : (i) l’observation à distance de l’objet, depuis la Terre à l’aide d’un télescope ou au moyen d’une sonde spatiale passant à proximité, (ii) la télédétection rapprochée globale et continue à l’aide d’un satellite orbiteur, (iii) des analyses in situ grâce à un véhicule atterrisseur et enfin (iv) le retour d’échantillons qui seront analysés dans un laboratoire terrestre.
Afin de mieux comprendre la formation puis l’évolution du Système Solaire, notamment pendant son premier milliard d’années, plusieurs missions spatiales récentes ou en préparation ont pour objectif le retour sur Terre d’échantillons provenant des petits corps, astéroïdes et comètes, résidus de sa formation et conservant la trace des conditions originelles[3]. Le retour d’échantillons de corps ayant subi différentes étapes d’évolution planétaire est l’autre volet de cette démarche. On dispose aujourd’hui d’échantillons lunaires rapportés par six missions américaines Apollo[4] et trois mission russes Luna[5] entre 1969 et 1976, et depuis peu, en Décembre 2020, par la mission chinoise Chang’e 5. On dispose également de quelques météorites d’origine martienne, éjectés de la surface de Mars lors d’impacts météoritiques et retombés sur Terre mais on ignore de quels terrains ils ont été extraits.
Or Mars est un objet particulièrement remarquable parmi les corps du système solaire. Elle a en effet traversé tous les stades de l’évolution planétaire, depuis la jeunesse agitée jusqu’à la vieillesse paisible, en passant par le bombardement intense du premier milliard d’années et une phase de forte activité géologique, visible encore aujourd’hui au travers de structures volcaniques, tectoniques, et fluviatiles marquées[6]. Parce qu’elle a échappé à un processus d’effacement global, contrairement à la Terre où le mouvement des plaques tectoniques a recyclé les terrains anciens et où l’érosion a effacé les reliefs, Mars présente encore aujourd’hui des types de terrains acquis tout au long de son histoire.
Avec la question de la formation des systèmes planétaires se pose celle de l’émergence de la vie, puis de sa co-évolution avec l’environnement planétaire dans lequel elle est née. La vie est-elle apparue dans le système solaire ailleurs que sur Terre ? Si oui, y est-elle encore présente aujourd’hui ? La première cible est évidemment Mars, la seule planète du système solaire, en dehors de la Terre, qui ait peut-être présenté à un moment de son histoire les conditions propres à l’émergence et au développement de la vie.
I. les enjeux scientifiques de l’exploration de Mars
La Terre et ses deux voisines, Vénus et Mars, présentent aujourd’hui, en dépit de certaines similitudes, des différences frappantes résultant d’évolutions fortement divergentes à partir de conditions initiales assez proches. Cependant, les événements géologiques majeurs de cette évolution ne sont datés que de manière approximative par l’estimation de la densité des cratères d’impact. L’essentiel de ce que nous savions sur Mars jusqu’au milieu des années 90 provenait des sondes américaines Viking 1 et 2 qui avaient cartographié la planète et déposé en 1976 deux atterrisseurs équipés de divers équipements d’analyse in situ. Cette connaissance a été révolutionnée par l’orbiteur Mars Global Surveyor de la NASA, lancée en 1996, puis les orbiteurs Mars Express de l’ESA (2003) et Mars Reconnaissance Orbiter de la NASA (2005), qui ont révélé une variété de terrains et de reliefs dont les tentatives d’interprétation ont suscité de nombreux débats et soulevé de nouvelles questions. Ces sondes ainsi que les robots mobiles Spirit et Opportunity, puis Curiosity, encore en opération, ont permis de ré-écrire l’histoire géologique et climatique de Mars.
Au début de son histoire, vers -4,5 milliards d’années, l’atmosphère de Mars, comme celle de la Terre primitive, était sans doute dense, dominée par le gaz carbonique, l’azote et la vapeur d’eau. Cette atmosphère maintenait par effet de serre des conditions de température et de pression permettant la présence en abondance d’eau liquide en surface. Cette phase chaude et humide, dont témoigne la présence d’argiles, aurait cessé vers -3,8 milliards d’années. Mars aurait ensuite connu un volcanisme intense ayant entrainé une acidification des eaux et la formation de sulfates, ainsi qu’un bouleversement climatique[7]. Depuis trois milliards d’années Mars est une planète froide et sèche avec une atmosphère résiduelle ténue de gaz carbonique, les autres constituants n’y existant qu’à l’état de traces ; l’eau résiduelle est concentrée dans la glace des calottes polaires et dans le sous-sol perpétuellement gelé ; la couleur rougeâtre de la surface provient de la présence d’oxydes de fer anhydres.
La présence d’eau liquide au début de l’histoire de Mars a pu favoriser une évolution chimique voire biochimique ayant éventuellement conduit à la formation de structures moléculaires complexes[8]. Les deux atterrisseurs Viking n’ont pas détecté de preuve convaincante d’une activité biologique en surface. Cependant, puisque les plus anciennes traces de vie sur Terre datent semble-t-il de 3,8 milliards d’années, on peut se demander si les conditions qui existaient probablement sur Mars à la même époque n’y ont pas permis l’émergence d’une forme de vie primitive, dont on pourrait peut-être retrouver les traces fossiles. De surcroît, la découverte sur Terre de micro-organismes dans des environnements a priori très hostiles, par exemple dans les lacs sub-glaciaires de l’Antarctique ou les sols gelés en permanence de la Sibérie, suggère même qu’une vie martienne primitive, si elle est apparue jadis, pourrait éventuellement subsister aujourd’hui, abritée dans certaines niches du sous-sol.
In fine, les 3 objectifs majeurs de l’étude scientifique de Mars sont les suivants[9] :
h retracer l’histoire géologique de Mars,
h retracer l’histoire climatique de Mars,
h retracer l’histoire biologique éventuelle de Mars.
L’étude scientifique de Mars intéresse une très large communauté incluant géologues et géophysiciens, minéralogistes et géochimistes, climatologues et hydrologues, et biologistes. Elle joue ainsi un rôle fédérateur puisqu’au-delà de la planétologie, elle attire de nouvelles équipes venues des Sciences de la Terre et de l’Environnement et des Sciences de la Vie.
II. l’intérêt scientifique du retour d’échantillons
Les analyses en laboratoire des échantillons martiens rapportés sur Terre devraient permettre des avancées considérables sur la connaissance de Mars. Il faut au préalable rappeler ce qu’ont apporté les analyses des échantillons lunaires provenant des missions américaines Apollo et des missions russes Luna : la validation du modèle dit de « l’impact géant » rendant compte de l’origine de la Lune[10], la détermination de l’origine des cratères lunaires, la mise en évidence d’un océan de magma en surface après sa formation, la composition des « mers » lunaires, des montagnes et du manteau, et la chronologie précise, par datation absolue des roches, de l’histoire des événements lunaires depuis sa formation.
L’intérêt majeur d’analyser des échantillons en laboratoire est d’abord l’utilisation des techniques les plus innovantes et les plus sensibles, qu’on ne saurait pas mettre en oeuvre avec la même ambition in situ, et de bénéficier de leurs améliorations. Un autre intérêt est une capacité de réaction rapide vis-à-vis de résultats préliminaires, ce qui peut être difficile voire impossible lors d’investigations in situ : il est donc plus aisé d’aboutir à des conclusions admises par l’ensemble de la communauté scientifique. Il y a enfin la possibilité pour plusieurs équipes de travailler en parallèle et de confronter leurs résultats.
Sur Terre, les progrès des techniques d’analyse géochimiques ont permis de révéler la différenciation entre croûte, manteau et noyau de l’intérieur de notre globe. Ces mêmes techniques d’analyse géochimiques pourront être appliquées à la composante solide des échantillons martiens, ce qui permettra de caractériser l’intérieur de Mars et de dater de façon absolue et avec une excellente précision les roches martiennes. De surcroît l’analyse fine de la composante fluide (eau et volatils piégés) permettra de caractériser la présence éventuelle de matières organiques d’origine pré-biotique ou biologique. Enfin, les analyses en laboratoire seront les seules à pouvoir déterminer et caractériser sans ambiguïté la présence de microstructures d’origine biologique.
Il convient de souligner qu’a priori ces objectifs ne pourront pas être atteints par une mission unique mais par un ensemble de missions visant à rapporter des échantillons choisis avec soin provenant de divers sites.
III. l’intérêt technique et technologique
Il est nécessaire pour la communauté scientifique comme pour l’industrie spatiale de concevoir et réaliser des programmes mobilisateurs et innovants. Le programme de retour d’échantillons martiens est de ceux-là. Il constitue un programme spatial de grande envergure, dont les objectifs scientifiques ne sont pas contestés, auquel l’adhésion du public est assez facilement acquise, et susceptible de donner lieu à un effort coopératif international.
Les Européens ont développé des compétences et des outils dans un certain nombre de domaines clés nécessaires à un programme d’exploration et dans la maîtrise d’œuvre de systèmes spatiaux complexes. Dans le domaine des lanceurs il y a bien sûr la famille Ariane et dans celui des systèmes orbitaux, et plus particulièrement des satellites scientifiques, on peut par exemple citer Huygens, Soho, Rosetta, Mars Express. Une contribution européenne à un programme de retour d’échantillons martiens mettra en valeur et enrichira ces compétences et ces outils. De surcroît la contribution européenne devra avoir un contenu technique innovant, qui fasse de l’Europe un partenaire majeur des programmes futurs d’exploration du système solaire.
IV. les enjeux médiatiques
L’étude de Mars intéresse ainsi une très large communauté scientifique incluant géologues et géophysiciens, atmosphéristes et climatologues, minéralogistes et géochimistes, hydrologues et biologistes. La reconstitution de son histoire climatique permettra notamment de valider les modèles d’évolution du climat de notre propre planète. Les connaissances acquises sur Mars amélioreront ainsi notre compréhension de la Terre et de ses évolutions passées et à venir.
En considérant l’énorme intérêt du public pour l’exploration du système solaire et en particulier de Mars, qui s’est notamment manifesté à nouveau lors de la récente arrivée du robot Perseverance, on voit qu’un programme d’exploration de Mars peut être un support extrêmement efficace pour stimuler sa curiosité scientifique. Cela est d’autant plus vrai que les objectifs scientifiques poursuivis concernent des questions fondamentales auxquelles le public et les médias sont très sensibles : apparition de la vie, modifications de l’environnement, évolution planétaire. Mieux comprendre l’histoire géologique, climatique et biologique de Mars nous apprendra beaucoup sur l’évolution de notre propre planète, havre de vie dont nous percevons de plus en plus la fragilité.
Un tel programme intéressera notamment les jeunes et pourra les « attirer vers les études scientifiques et techniques, puis vers les métiers de la recherche et de l’innovation, moteurs de la croissance économique »[11]. C’est particulièrement vrai s’il est l’amorce d’un programme d’exploration à long terme avec diverses composantes et visant à « projeter la présence humaine, robotique ou réelle, au-delà des limites de notre planète »[12], qui sera l’un des enjeux des civilisations avancées du XXIème siècle.
V. La coopération internationale
Les projets scientifiques, seuls susceptibles d’accepter les risques de l’innovation, contrairement aux projets opérationnels et commerciaux, ont toujours été les moteurs des projets spatiaux. MSR est sans doute le programme spatial le plus complexe depuis les missions Apollo. Pour la NASA, le principal acteur jusqu’à présent, l’exploration de Mars offre la perspective d’un programme spatial à long terme de grande envergure, dont les objectifs scientifiques ne sont pas contestés, auquel l’adhésion du public est assez facilement acquise. Mais il ne s’agit plus d’aller vite et tous seuls. Le robinet des finances n’est plus ouvert en grand, le fardeau doit être partagé et l’exploration de Mars est susceptible de donner lieu à un effort coopératif international, que les Etats-Unis voient bien entendu sous leur leadership. Dans les scénarios actuels, MSR reposera sur une coopération entre les Etats-Unis et les européens, et en ce qui concerne ces derniers aussi bien à travers l’Agence Spatiale Européenne (ESA) que dans le cadre de relations bilatérales. Un partage des tâches entre l’Europe et les Etats-Unis est prévu, chacun des partenaires ayant la responsabilité de certaines de ces étapes critiques. Cette interdépendance par laquelle chaque partenaire exprime sa confiance dans les compétences de l’autre permet d’entreprendre une coopération équilibrée techniquement autant que financièrement[13].
VI. Scénario de mission
Les scénarios de mission pour un retour d’échantillons martiens (Mars Sample Return, MSR) ont été étudiés de façon intensive tant aux USA qu’en Europe[14]. Un groupe de travail international mis en place par l’IMEWG (International Mars Exploration Working Group)[15] a élaboré une architecture qui devra inspirer les programmes à venir[16]. Plusieurs étapes sont prévues dans la perspective d’un retour d’échantillons de Mars.
D’abord un véhicule mobile va récolter des échantillons ; c’est l’une des fonctions du robot Perseverance. Une mission ultérieure sera dédiée à la récupération des échantillons et à leur retour sur Terre. Elle comprendra deux éléments, un orbiteur et un atterrisseur ; ce dernier libèrera un robot mobile chargé d’aller rechercher les échantillons et de les installer dans une petite fusée, le Mars Ascent Vehicle ou MAV ; le MAV placera le conteneur d’échantillons sur une orbite martienne, où il sera capturé par l’orbiteur qui retournera ensuite vers la Terre et larguera au passage une capsule de rentrée contenant les échantillons.
Le scénario MSR comporte plusieurs phases critiques, notamment l’atterrissage à la surface de Mars, le décollage du MAV, le rendez-vous et la capture en orbite martienne, et la rentrée dans l’atmosphère terrestre. Ces diverses phases existent également dans un scénario de mission habitée, c’est pourquoi la réussite de MSR apparait comme un préalable nécessaire avant d’entreprendre une mission habitée. Cependant on ne pourra pas dimensionner en masse et en volume une mission habitée par un simple facteur d’échelle à partir de MSR[17]. Il faudra donc mettre en œuvre de nouvelles techniques innovantes, qu’on devra au préalable valider par des missions sans équipage. En raison de la complexité globale, la fiabilité maximale est requise pour chaque élément, ainsi que la tenue de performances pouvant, pour certains d’entre eux ,aller bien au-delà de ce que pourraient apporter des solutions déjà éprouvées. Le défi majeur est donc de trouver un juste équilibre entre innovation et robustesse. Il s’agit alors « de concevoir, aux frontières des possibilités technologiques du moment, les outils appropriés »[18] ce qui « contribue ainsi à accroître le savoir des ingénieurs et techniciens de l’industrie spatiale et non spatiale en les confrontant sans cesse à de nouveaux défis »[19].
VII. Préparation du retour d’échantillons
L’accès aux échantillons rapportés résultera certainement d’une procédure de sélection très compétitive ; il sera donc nécessaire de disposer d’équipements d’analyse performants constituant en quelque sorte le segment sol scientifique de la mission de retour d’échantillons. Il faudrait également préparer suffisamment en amont les équipes scientifiques européennes pour qu’elles puissent participer à cette compétition dans les meilleures conditions possibles.
Il faudrait enfin prévoir d’installer en Europe un centre de conservation à long terme d’échantillons martiens (« centre de curation ») qui assurerait leur maintien dans des conditions ad hoc et leur distribution à la communauté scientifique au delà d’une période de quarantaine dans un centre spécialisé. Ce « centre de quarantaine » aura pour fonction de s’assurer que les échantillons rapportés sur Terre ne présentent aucun risque biologique ou toxique avant d’être distribués aux laboratoires scientifiques. De fait, ce centre aura un accès privilégié aux échantillons et certaines analyses y seront faites avant la dissémination des échantillons. Le centre de quarantaine sera presque certainement basé aux Etats-Unis. L’existence éventuelle d’un second centre de quarantaine basé en Europe est un point ouvert mais les Européens risquent de se heurter à un mur : la négociation sur ce sujet avec le partenaire américain sera difficile, voire impossible[20]. Ces centres européens de quarantaine et de curation pourraient être reconnus comme des infrastructures de recherche européennes et être financés par l’Union Européenne.
[1] Une base lunaire réellement internationale devrait logiquement être le prochain objectif des vols spatiaux habités
[2] La déprime menace-t-elle Icare ?
[3] Notamment la mission spatiale japonaise Hayabusa 2 et la mission américaine Osiris Rex.
[4] D’Apollo 11 en juillet 1969 à Apollo 17 en Décembre 1972, sauf la mission avortée Apollo 13 en Avril 1970.
[5] Luna 16 en 1970, Luna 20 en 1972 et Luna 24 en 1976.
[6] On peut noter la forte dissymétrie entre l’hémisphère sud, fortement cratérisé donc constitué de terrains anciens, et l’hémisphère nord, plus lisse car formé de terrains plus jeunes. L’existence d’un ancien océan sur l’hémisphère nord est débattue.
[7] On peut proposer le scénario suivant, : la petite taille de la planète a entraîné son refroidissement rapide et l’arrêt des mouvements convectifs d’un noyau métallique liquide ; ces mouvements du noyau auraient été la source d’un champ magnétique, qui protégeait l’atmosphère et la surface de la planète des particules chargées du vent solaire en les défléchissant comme le fait la magnétosphère terrestre ; quand cette dynamo interne s’est arrêtée, la magnétosphère protectrice a disparu, et l’atmosphère a été directement exposée au vent solaire et balayée sans pouvoir être retenue par la faible gravité de la planète ; l’effet de serre a progressivement cessé, et l’eau de surface s’est évaporée alors que la pression et la température diminuaient.
[8] Le site d’atterrissage de Perseverance, un ancien cratère jadis occupé par un lac dans lequel se jetaient deux fleuves, a été choisi dans cette perspective.
[9] Pour en savoir plus sur les objectifs scientifiques d’un retour d’échantillons de Mars, voir par exemple Science priorities for Mars sample return, Astrobiology 8(3):489-535 (Août 2008), DOI 10.1089/ast.2008.0759, auteurs MEPAG Next Decade Science Analysis Group.
[10] La Lune serait née lors de la formation du système solaire à la suite de l’impact d’un corps de la taille de Mars avec la proto-Terre. Les débris éjectés par cet impact et en orbite autour de la Terre auraient formé la Lune.
[11] Plan stratégique du CNES 2001 – 2005.
[12] Ibidem.
[13] Ce qui n’a pas toujours été le cas dans les coopérations entre Européens et Américains, ces derniers rechignant à laisser à leurs partenaires la responsabilité d’éléments critiques.
[14] Notamment en France à travers le défunt programme bilatéral CNES-NASA MARS PREMIER au début des années 2000.
[15] L’IMEWG rassemble des représentants des principales agences spatiales et institutions engagées dans l’exploration de Mars.
[16] Pour en savoir plus sur l’architecture du programme de retour d’échantillons de Mars, voir par exemple T. Haltigin, C. Lange, R. Mugnuolo, C. Smith, iMARS, Working Group, iMARS Phase 2. Astrobiology, 18(S1), S1-S124 (2018), DOI 10.1089/ast.2018.29027.mars.
[17] Par exemple la technique d’atterrissage des petits robots Spirit et Opportunity grâce à une espèce de cocon gonflable ne pouvait pas être étendue aux gros véhicules Curiosity et Perseverance, et de même la technique utilisée pour ceux-ci ne peut pas être extrapolée aux gabarits nécessaires à une mission habitée.
[18] Plan stratégique du CNES 2001 – 2005.
[19] Ibidem.
[20] C’était un point de blocage au cours de la définition du défunt programme CNES-NASA de retour d’échantillons de Mars PREMIER au début des années 2000.