H₂O

1La molécule d'eau est constituée d’hydrogène primordial et d’oxygène né au cœur des étoiles. Atomes parmi les plus abondants, molécule stable et facile à synthétiser, forme solide résistante aux agressions cosmiques, il n’est pas étonnant que l’eau soit partout dans l’Univers (cf. II.4).

2Dans le Système Solaire, l'eau est présente de Mercure à Neptune ; elle est une constituante importante de presque tous les petits corps (lunes, astéroïdes, comètes, trans-neptuniens*) et a même été détectée sur le Soleil ! En surface, elle existe sous forme de glace (comme sur Europe ou Pluton), rarement liquide. Les océans terrestres sont une exception qui tient à notre distance au Soleil. Les scientifiques suspectent toutefois l’existence d’océans sous les surfaces d’Europe et de Ganymède, autour de Jupiter. Elle existe également sous forme de vapeur dans les atmosphères (comme sur Jupiter, Terre ou Mars) ou quand elle s’échappe en geyser d’Encelade autour de Saturne.

3L’eau est partout mais en quantités variables, quantités qui résultent de la distribution de H₂O au moment de la formation de chacun de ces corps, mais aussi d’histoires locales qui nous sont encore souvent inconnues. Dans la nébuleuse proto-solaire, le proto-Soleil* impose un fort gradient thermique. La «  ligne des glaces » se situe entre les orbites actuelles de Mars et de Jupiter. À l’extérieur, il fait froid et l’eau, très abondante, est sous forme de glace. Elle participe à la croissance des planètes géantes et de leurs satellites, mais aussi des comètes qui sont expulsées jusqu’au fin fond du Système Solaire. À l’intérieur, il fait plus chaud et l’eau est gazeuse ; elle contribue peu à l’accrétion des planètes telluriques*, qui en seront largement dépourvues. Les scientifiques débattent encore sur l’origine de l’eau terrestre. Les mesures du rapport entre l’hydrogène et son isotope, le deutérium, sur les comètes (satellites Herschel et Rosetta) alimentent le débat. Il semble que 30 % de notre eau date de la formation de la Terre, alors que le reste aurait été «  livré » par des astéroïdes et des comètes. Ces dernières sont donc considérées comme des porteuses d’eau, qui, croisant les orbites planétaires, peuvent les percuter et les enrichir en eau.

4Pour compliquer l'affaire, il faut imaginer que les conditions à la surface des corps du Système Solaire varient : l’eau liquide un jour peut changer d’état, car le climat a changé, ou l’inverse. Certaines histoires d’eau ne sont toujours pas résolues, comme ce qu'il s'est passé à la surface de Vénus avant que son effet de serre ne s’emballe, et d’autres dévoilent peu à peu leurs secrets. Il en est ainsi de l’exploration de la Lune et de Mars.

La Lune

5Les compositions isotopiques de la Lune et de la Terre sont si semblables, que les scientifiques imaginèrent, dans les années 1980, que la Lune fut créée à la suite d’un impact géant entre une planète de taille martienne et la proto-Terre*. Les données provenant de l’analyse d’échantillons des missions Apollo et Luna étayent ce scénario. De cet impact serait née une Lune dépourvue de volatils, anhydre. Durant les 4,5 milliards d’années qui suivirent, elle aurait été soumise au bombardement continu du vent solaire, saturant les 4 à 5 premiers mètres du régolite* de 50 ppm* d’hydrogène.

6Dans les années 1990, la sonde Clementine repéra des cratères situés si près de l’axe de rotation de la Lune qu’ils ne voient jamais le Soleil.

7Quelques années plus tard, Lunar Prospector sonda leur intérieur par spectroscopie neutron. Elle détecta jusqu’à 1 500 ppm d’hydrogène dans les cratères sombres, bien au-delà de la saturation du vent solaire. La découverte fit grand bruit, la mesure fut répétée, mais les scientifiques ne confirmèrent jamais qu’il s’agissait bien de glace d’eau. Que cela pourrait-il être d’autre ?

8Pour interpréter ces données, il faut imaginer que plusieurs comètes auraient heurté la Lune et y auraient déposé leur eau. Côté nuit, les molécules sont relativement stables. Côté jour, elles se vaporisent ; celles qui ne sont pas dissociées par les UV solaires se redéposent, peut-être du côté nuit où elles attendent le prochain lever du Soleil, ou dans un cratère sombre qui les piège à jamais. Ainsi, les cratères sombres aux pôles de la Lune s’enrichissent de l’eau des comètes. À moins de 80 K (-195°C), cette glace subsiste depuis plusieurs centaines de millions d’années. Elle se mélange à la poussière des impacts météoritiques Cette eau aux pôles de la Lune a enregistré en partie l’histoire des impacts dans le Système Solaire.

Mars

9L’eau est le fil conducteur de l’exploration de Mars, depuis la découverte par la sonde Mariner 9 (1972) de traces d’écoulements à sa surface. Aujourd’hui, il y a de la vapeur d’eau dans l’atmosphère (16 μm précipitables), de la glace aux pôles et, dans des conditions bien particulières (saturation par des sels de perchlorates), de l’eau liquide. Les conditions thermodynamiques (7 mbar, entre-90 ° et 0°C), qui prévalent aujourd’hui à la surface de Mars, ne permettent pas d’interpréter les traces d’écoulement à grande échelle qu’observent nos orbiteurs de Mars depuis Mariner 9. Il faut enquêter sur une planète bien différente de cet astre froid et sec depuis 3 milliards d’années : il devait alors exister une atmosphère suffisamment dense pour qu’un effet de serre subsiste durablement. Les modèles prédisent 2 bars de CO₂. Qu’est devenue cette atmosphère ? C’est ce qu’étudie en ce moment la sonde Maven, qui explore son interaction avec le vent solaire, le présumé-coupable de l’évaporation de l’atmosphère.

10Il y a bien eu de l’eau liquide sur Mars, mais en quelle quantité ? Les traces morphologiques évoquent des vallées fluviales avec des débits de 5 000 m³/sec comparables à certains fleuves terrestres, des vallées de débâcle, peut-être un océan qui couvrit l’hémisphère nord. Ces observations conduisent à une hauteur équivalente d’eau de 500 à 1 000 m (à comparer aux 3,7 km sur Terre). Cette eau est probablement toujours là : glace aux pôles et sous la surface, eau liquide souterraine et minéraux hydratés.

11Les missions en fonctionnement autour de Mars (Odyssey, MEx, MRO) ou à sa surface (Opportunity, Curiosity) nous renseignent sur la nature de ces étendues liquides. Au fond du cratère Gale, les scientifiques ont déterminé qu’il y avait jadis un lac, de l’eau douce à PH neutre, des réserves d’énergie sous forme de sulfures et des éléments d’intérêt exobiologique : carbone, hydrogène, azote, oxygène, phosphore et souffre. Ils en ont conclu qu’alors Mars devait être une planète habitable. Pendant combien de temps ? Avant que la planète n’épuise sa chaleur interne et que son atmosphère ne s’échappe, l’eau est-elle restée liquide suffisamment longtemps pour favoriser la synthèse de la vie ? Peut-être le saurons-nous grâce aux missions ExoMars et Mars 2020 qui décolleront en 2018 et en 2020 à la recherche de traces de vie sur Mars.