Version classiqueVersion mobile
OpenEdition Books

Le ciel à découvert

 | 
Jean Audouze

Première partie. Le Soleil et le Système solaire

4. La planète Mars

Jean-Pierre Bibring

Texte intégral

1Au Panthéon grec puis romain, il ne manquait pourtant de déesses ni de dieux exemplaires, aux prouesses héroïques, aux talents incomparables, aux romances ineffables : pourquoi avoir affublé la planète Mars du nom du seul qui ne fît envie ni fût de bonne compagnie, le Dieu de la guerre, au seul prétexte que sa couleur était celle du sang ! Il aura fallu deux millénaires pour qu’insensiblement Mars voit son statut évoluer de planète de mort à monde de vie, dès lors que son rouge fît penser non plus au sang mais à la rouille : si le fer s’y est oxydé, c’est qu’il y a de l’eau ; s’il y a de l’eau, il y a de la vie. Ces syllogismes, tenaces, perdurent jusqu’à aujourd’hui, tant la recherche de vie hors de la Terre transcende la démarche scientifique, faisant de la quête de l’eau le véritable graal. Le mot d’ordre des programmes d’exploration spatiale martienne de la NASA ne demeure-t-il pas : « follow the water » ? Que Mars ait été rouillée, voilà qui restait à être démontré ; que ce fut par de l’eau, est-ce bien sûr ? Et quand bien même, cela a-t-il suffi à rendre Mars habitable ? L’observation puis l’exploration martiennes ont constamment revêtu des objectifs exobiologiques, tant la conviction est demeurée profonde que pour autant que, dans le Système solaire, la vie a émergé ailleurs que sur Terre, ce fut sur Mars. Et cela n’est pas près de changer : les résultats des missions en cours relancent le débat, car ils éclairent d’un jour tout nouveau l’histoire de Mars, en mettant en évidence une ère, très ancienne, où l’eau a pu y jouer un rôle majeur.

2Avant l’ère spatiale, les observations télescopiques indiquaient de grandes similarités entre Mars et la Terre. Certes, l’année martienne est plus longue, puisqu’à une distance héliocentrique moyenne de 1,55 unités astronomiques, Mars parcourt son orbite en 687 jours terrestres (en conséquence, Mars et la Terre se retrouvent en des positions similaires tous les 26 mois, ce qui donne la fréquence des observations et des créneaux de lancement favorables). Mais on savait l’année martienne découpée comme sur Terre de saisons marquées, repérées par l’extension récurrente des givres recouvrant les deux calottes polaires. En outre, la position de ces dernières a permis de déterminer la position de l’axe de rotation diurne : Mars tourne sur elle-même en un peu plus de 24 h (24 h et 37 mn), avec une obliquité (25,2°) à peine plus élevée que celle de la Terre (23,3°). On ne manquait pas de ressemblances avec la Terre. En revanche, les observations ne permettaient ni de confirmer ni de réfuter l’existence de vie martienne : la résolution spatiale des images et des spectres télescopiques était de loin insuffisante pour y détecter quelque structure que ce soit attribuable de manière non ambiguë à des organismes vivants. L’interprétation des données s’apparentait plus à une croyance, voire à un dogme, qu’à un raisonnement scientifique. Le carcan idéologique de la pluralité des mondes, dont Giordano Bruno a payé le plus lourd tribut, était encore suffisamment tenace pour que la tendance dominante fût de favoriser l’hypothèse de l’existence sur Mars d’organismes vivants. Ainsi, dans leur ouvrage de référence Astrophysique Générale, dont la dernière édition est postérieure à Spoutnik 1, Jean-Claude Pecker et Evry Schatzman écrivaient au chapitre Mars (p. 713) : « Mars est une planète bien connue (…). Des régions vert-sombre couvrent 3/8 de la planète, le reste est de couleur rouille, à l’exception des calottes polaires blanches. Les variations saisonnières des calottes polaires sont remarquables. Des points blancs sont laissés en arrière, quand elles rétrécissent, au printemps : il s’agit sans doute du sommet des montagnes martiennes. Les régions vert sombre tournent au jaunâtre à l’automne martien. Il pourrait s’agir de plantes du type thallophytes ou muscinées ou d’algues de glacier ». Cette citation ne vise qu’à illustrer combien en absence de contrainte expérimentale, le réflexe était fort – irrépressible – de privilégier l’hypothèse que Mars abrite des structures vivantes.

3Les premières missions spatiales allaient abonder dans ce sens, non par de nouvelles observations de Mars, mais de la Terre. Souvenons-nous qu’il fallut attendre décembre 1968 et Apollo 8 pour que trois hommes, Frank Borman, James Lowell et Williams Anders, dans leur périple pionnier vers la Lune (dont ils firent le tour spectaculaire) prennent, pour la première fois, le large par rapport à la Terre : les premiers, ils ont pu l’observer et la photographier dans son intégralité de planète sphérique, distante, « flottant » dans l’espace, planète parmi les autres d’un système fait d’objets d’allure semblable ; planète banale. Les analyses des échantillons lunaires et météoritiques qui allaient suivre confirmèrent la profonde unité d’origine des différents objets du Système solaire : même date, même lieu, même nuage moléculaire. Origine commune, donc destins communs ! Tout venait conforter un sentiment dépassant largement la sphère scientifique : les propriétés terrestres auraient un caractère générique ; la vie terrestre ne pouvait faire exception, elle devait être la règle. À l’exploration de Mars de le confirmer.

4Dès qu’on eut la capacité d’expédier des robots pour analyser Mars in situ, l’objectif premier était fixé : y trouver la vie. Ce fut l’extraordinaire mission Viking, décidée avant même la fin du programme Apollo, pour célébrer le deux centième anniversaire de la naissance des États-Unis (4 juillet 1976) par cette découverte qui ferait date dans l’épopée humaine. Ces missions ont accumulé des observations, au sol et en orbite, offrant de Mars, en complément des sondes Mariner, une vision très détaillée, avec une diversité de structures attestant d’une intense activité passée : terrains cratérisés sur près d’un hémisphère ; volcans géants, depuis longtemps éteints ; réseaux de gorges, de plusieurs milliers de kilomètres de long ; structures fluviatiles aujourd’hui asséchées. Ces missions ont constitué un succès scientifique et technologique impressionnant, comblant et alimentant pour plusieurs décennies différentes communautés scientifiques sauf une : celle dont l’espoir avait été de mettre en évidence des organismes vivants. Aux deux sites explorés, Mars se révélait être un désert d’une aridité extrême. Les résultats des expériences pouvaient s’expliquer par des réactions chimiques d’oxydation, sans faire appel à des processus biologiques. Les échantillons analysés ne manifestaient aucune capacité métabolique ; ils ne contenaient même aucune quantité détectable de matière organique. Si Mars n’abrite pas la vie, où ailleurs dans le Système solaire pourrait-on trouver de quoi héberger des conditions de stabilité d’eau liquide, ingrédient semblait-il indispensable à l’habitabilité planétaire ? Seul Titan, le plus massif des satellites de Saturne, paraissait entouré d’une atmosphère capable de maintenir, par effet de serre, les conditions thermodynamiques requises : on y avait détecté du méthane, qui pouvait en constituer le composé majeur. Voyager eut cet objectif prioritaire, de survoler Titan à suffisamment basse altitude pour y détecter lacs, marécages ou geysers éventuels. On le sait aujourd’hui, à la suite des missions Voyager, puis Cassini et surtout après l’atterrissage réussi de la sonde européenne Huygens sur le sol de Titan en 2007 : son atmosphère est très majoritairement constituée d’azote moléculaire, qui ne peut être détecté en infrarouge proche – et pour cette même raison ne retient pas le rayonnement thermique ; le méthane n’y est qu’à l’état de trace (1 %), incapable d’élever la température au sol bien au-dessus de la température de l’azote liquide (il y fait – 180 C). Plus se poursuivait l’exploration spatiale du Système solaire, plus augmentait la diversité des objets qu’on y analysait, contrastant avec leur profonde communauté d’origine. Par de nombreux aspects la Terre se distinguait par les propriétés de son intérieur, de sa surface et de son atmosphère. Surtout, elle tranchait comme seul objet, semblait-il, ayant connu et préservé, jusqu’à aujourd’hui, les conditions d’émergence et d’évolution du vivant. En deux décennies d’exploration spatiale, de planète banale la Terre devenait, tout au contraire, profondément singulière.

Fig. 1 – Globes de relevés altimétriques construits à partir des données MOLA/MGS

Fig. 2 – Structure d’écoulement fluviatile observée dans les terrains cratérisés. (NASA)

5On est bien loin encore de maîtriser ce qui gère l’évolution planétaire et rend compte des spécificités acquises. Pour tenter de décrypter ces processus, la planétologie comparative s’est avérée une piste particulièrement féconde : les différences ne sont pas trop fortes pour empêcher toutes comparaisons. Dans cette démarche, la planète Mars joue un rôle fondamental. Suffisamment massive, elle a accumulé un réservoir énergétique (accrétion et radioactivité) à l’origine d’une activité interne importante. Par contraste avec la Lune, dix fois moins massive, pour laquelle la seule manifestation en surface de la convection mantellique fut la formation des mers, qui s’est stoppée il y a plus de 3 milliards d’années, Mars présente une diversité de structures magmatiques, volcaniques, tectoniques et d’altération autrement plus riche.

  • 1 MOLA : Mars Orbiter Laser Altimeter
  • 2 Mars Global Surveyor de la NASA a exploré Mars depuis son orbite de 1997 à 2007.

6Le relevé altimétrique fait par le laser MOLA1 de Mars Global Surveyor (MGS)2 de la NASA (figure 1) met en évidence l’essentiel de ces structures que le code de couleurs, du bleu (pour les plus basses) au rouge et blanc (pour les plus élevées) fait nettement apparaître.

  • 3 Les chasmata (pluriel de chasma, du grec χασμα, abîme) sont des structures géologiques profondes : (...)

7La première caractéristique est une dichotomie marquée entre, au Nord, de vastes plaines lisses de basse altitude et, au Sud, des plateaux plus élevés recouverts à saturation de cratères d’impact (image de droite) ; ceux-ci datent du bombardement primordial qui a affecté l’ensemble des objets du Système solaire durant leurs premiers 600 millions d’années. D’autres grandes unités sont également visibles (image de gauche) : un vaste dôme de très haute altitude, Tharsis, sur lequel sont juchés les principaux volcans géants. Mars possède en effet des volcans qui, par contraste avec leurs homologues terrestres, sont beaucoup moins nombreux mais de bien plus grandes dimensions. Le Mont Olympe, le plus grand volcan du Système solaire, fait plus de 25 km de haut, et 600 km de base. L’activité volcanique s’est égrenée tout au long de l’histoire de Mars, jusqu’à ces dernières dizaines de millions d’années, comme en témoigne la densité de cratères observés sur les flancs des volcans : Mars vient juste d’atteindre la mort géologique. À l’Est de Tharsis, un vaste ensemble de gorges fend la planète sur plusieurs milliers de km : c’est le complexe de Valles Marineris, qui résulte non pas de l’érosion fluviatile d’un matériau tendre, mais de la fracture de la croûte fragilisée par la construction du dôme de Tharsis excessivement massif, en un réseau de failles et de dépressions (chasmata3). Enfin, et peut-être surtout, de nombreuses structures de type fluviatile (figure 2), aujourd’hui asséchées, attestent d’écoulements passés.

8Si Mars a possédé suffisamment de réserves énergétiques pour engendrer une telle variété de structures, elles ne furent cependant pas capables d’en effacer les traces par une activité géologique trop forte : dix fois moins massive que la Terre, Mars a conservé la mémoire de l’essentiel des étapes qui en ont jalonné l’histoire. C’est cette double propriété, d’avoir connu et préservé les effets d’une activité intense, qui fait de Mars un objet de choix de la planétologie contemporaine.

9L’entrée en scène de nouveaux acteurs, européens, aux côtés des États-Unis et de l’Union Soviétique devenue Russie, a changé la donne de l’exploration spatiale de la Mars. Le rythme des découvertes s’est accéléré, en particulier grâce aux expériences à bord de la sonde MarsExpress de l’ESA, l’Agence spatiale européenne (figure 3), en opération orbitale depuis janvier 2004, stimulant une coopération étroite avec les deux Mars Exploration Rovers Spirit et Opportunity de la NASA, lancés au même moment, et avec la sonde Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), lancée deux années plus tard, tous encore en opération simultanée.

Fig. 3 – Image d’artiste de la sonde Mars Express de l’ESA, en orbite martienne. (ESA, D. Ducros)

Fig. 4 – Terrains contenant des minéraux hydratés identifiés par OMEGA : sulfates (en bleu et vert) et phyllosilicates (en rouge et jaune)

  • 4 HRSC : High Resolution Stereo Camera.
  • 5 HiRISE : High Resolution Imaging Science Experiment.
  • 6 Un imageur spectral fournit, pour chaque point de l’image qu’il acquiert, le spectre complet, dans (...)
  • 7 OMEGA : Observatoire pour la Minéralogie, l’Eau, les Glaces et l’Activité, développé sous la respo (...)
  • 8 CRISM : Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars.
  • 9 SPICAM : Spectroscopy for Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Mars, développé so (...)
  • 10 PFS : Planetary Fourier Spectrometer.
  • 11 MARSIS : Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding.
  • 12 SHARAD : Shallow Subsurface Radar.

10Au plan des observations, ce qui a changé est que l’on peut désormais corréler les structures observées sur les images (HRSC4 /Mars Express et HiRISE5 /MRO) à des mesures de composition, de l’atmosphère, du sol et du sous-sol, en particulier grâce à des imageurs spectraux6 opérant dans le visible et l’infrarouge proche (OMEGA7 /Mars Express, et CRISM8 /MRO), à des observations spectroscopiques dans l’ultraviolet (SPICAM9 /Mars Express) et l’infrarouge thermique (PFS10 /Mars Express), ainsi qu’à des sondages radars (MARSIS11 /Mars Express et SHARAD12/MRO). Ces observations conduisent à une ré-écriture en profondeur de l’histoire de Mars dont nous allons donner les grandes lignes.

  • 13 Pyroxènes et olivines sont des familles de silicates, minéraux à base de tétraèdre SiO4, que l’on (...)

11La composition à grande échelle révèle que les terrains cratérisés sont constitués de matériaux magmatiques très peu altérés : on y distingue les silicates d’origine (pyroxènes et olivines13). Plus précisément, les laves volcaniques sont enrichies en pyroxènes à forte concentration de calcium, cation dont on sait qu’il passe le premier en solution : cela indique une recristallisation à partir d’un magma faiblement fondu. Par contraste, les affleurements les plus anciens ont une composition mélangeant des pyroxènes à teneurs en calcium variées, attestant une recristallisation à partir d’un magma à très haut degré de fusion. Au total, il existe à la surface de Mars des terrains très anciens, non altérés, datant des premières phases de solidification, de la croûte puis des laves ; l’analyse des pyroxènes qui les constituent permet de les identifier et de distinguer ceux formés par recristallisation dans l’océan de magma primordial de ceux formés plus tardivement, à partir d’effluves volcaniques. On sait ainsi où trouver et analyser des terrains non altérés, mis en place dans les premières centaines voire dizaines de millions d’années suivant la formation de la planète.

  • 14 L’hématite est un oxyde ferrique anhydre de formule brute Fe2O3. Lorsqu’il se présente sous la for (...)

12Par contraste, une moitié de la surface de Mars ne présente plus la signature des matériaux magmatiques dont pourtant ils furent constitués : ils ont été altérés. Cette dichotomie de composition suit celle de l’altitude, l’altération ayant principalement affecté les terrains les moins élevés. C’est en particulier le cas de Vastitas Borealis, vaste ensemble des plaines du Nord de basse altitude (en bleu sur la figure 1), qui constituent les terrains à la fois les plus clairs et les plus rougeâtres – quand ils ne sont pas recouverts de leurs givres hivernaux. Leur formation est analogue à celle des mers lunaires, qui procèdent du remplissage par de la lave des bassins d’impact les plus profonds. OMEGA a montré que leur surface est recouverte d’une mince pellicule d’hématite14 nanocristalline (α-Fe2 O3) rougeâtre : Mars a bien été rouillée.

Fig 6 – Le léger bêchage du sol par les roues recouvre la fine pellicule de surface, claire et oxydée, par du matériau sous-jacent, plus sombre car non altéré. (NASA)

13Cette oxydation a-t-elle été induite par de l’eau ? L’imagerie spectrale dans le proche infrarouge est idéale pour détecter l’eau, sous toutes ses formes, et en caractériser l’état : vapeur, givre et glaces, liaisons OH, adsorbées ou de structure, ont des signatures légèrement distinctes. OMEGA a permis de dresser une carte de répartition de l’ensemble des minéraux hydratés à la surface de Mars (figure 4).

  • 15 La goethite est un oxyde ferrique, de formule FeO (OH), contenant le radical OH dans sa structure.

14Les terrains martiens rougeâtres (qui apparaissent en noir en haut de la figure 4) n’en font pas partie : ils sont strictement anhydres. Les oxydes ferriques ne sont pas ceux (tels la goethite15) qui proviennent d’une altération aqueuse. L’eau liquide n’est pas responsable de ce que Mars est rouge (figure 5).

15Plus vraisemblablement, l’oxydation résulte d’une altération atmosphérique, par des constituants tels H2O2 présents à l’état de trace (quelques ppb) : elle exige des milliards d’années et n’affecte que les premières dizaines de micromètres, ce qui explique tout à la fois que les terrains cratérisés, de plus haute altitude, n’aient pas encore été affectés, et que l’on puisse suivre par leurs traces les déplacements de Spirit et Opportunity (figure 6). Pourquoi alors des terrains élevés, comme le dôme de Tharsis et les volcans géants, sont clairs et rougeâtres, indiscernables des plaines du Nord qui les entourent ? C’est que la circulation atmosphérique les a recouvert de fine poussière altérée, venue d’en bas.

16Finalement, contrairement à ce que l’on pouvait croire, si l’on cherche à explorer des terrains jadis recouverts d’eau, il faut avant tout éviter les terrains rougeâtres et oxydés.

17La carte des minéraux hydratés apporte une seconde information « négative » (non détection) d’importance : à l’absence d’oxydes ferriques hydratés s’ajoute celle de carbonates. La sensibilité d’OMEGA pour la détection de carbonates, démontrée par étalonnage au sol, est très élevée : 1 % de carbonates, parmi 99 % d’autres minéraux même fortement hydratés, suffit. C’est donc à ce niveau que se situe la limite supérieure de la présence éventuelle de carbonates : contrairement à une hypothèse ancienne, la faible pression atmosphérique de Mars (< 10 mbars) ne provient pas de la transformation du gaz carbonique primordial en carbonates, dans d’anciens océans, comme ce le fut pour la Terre. Le CO2 se serait-il gelé aux pôles ? OMEGA a montré que la calotte polaire Sud ne constitue pas un réservoir de glace carbonique comme certains l’avaient proposé : elle est constituée, comme celle du Nord, d’un vaste glacier d’eau, de plusieurs kilomètres d’épaisseur. Ce qui brille est bien du CO2, mais sous la forme d’une pellicule superficielle très fine, de quelques mètres au plus, équivalent à moins de 1 mbar. Absence de champs de carbonates et de glaces carboniques épaisses : l’essentiel du gaz carbonique actuel semble se trouver dans l’atmosphère, pourtant bien ténue ; l’atmosphère ancienne s’est échappée. C’est ce qui explique que le rapport N2/CO2 (3 %) soit voisin de celui de Vénus, ou de la Terre si l’on tient compte de ce que les réserves en calcaires et autres carbonates correspondent à plusieurs dizaines de bars. Si l’appauvrissement en CO2 sur Mars était dû à la précipitation aqueuse en carbonates, on s’attendrait à ce que l’essentiel de l’azote soit resté dans l’atmosphère – comme c’est le cas de la Terre : autant le CO2 se dissout aisément dans l’eau, où il s’ionise et précipite, autant l’azote exige des conditions très particulières (passage par l’acide nitrique ou action d’organismes vivants) pour se transformer en minéral : c’est pourquoi il est essentiellement demeuré dans l’atmosphère terrestre. Il serait difficile d’admettre que pour Mars, deux processus totalement distincts (précipitation aqueuse pour CO2, et non pour N2) soient capables de transformer plus de 99,9 % des molécules, avec un même rendement, au point de conduire au même rapport d’abondance ! Il est plus vraisemblable que CO2 et N2 ont été appauvris, massivement, par un même processus ne faisant pas appel à la composition chimique, ni à la présence d’océans : un échappement atmosphérique. On va voir qu’un tel processus est très probablement survenu, et qu’il a entraîné un bouleversement de son climat.

  • 16 Les phyllosilicates, ou silicates en feuille, sont des minéraux d’altération aqueuse, dont les arg (...)
  • 17 La jarosite est un sulfate hydraté de composition brute KFe3 (OH)6 (SO4).

18Pour reconstruire l’histoire de Mars, d’autres résultats récents ont joué un rôle majeur. OMEGA, puis CRISM, ont identifié, caractérisé et localisé deux familles de minéraux hydratés, très distinctes dans leur distribution spatiale et partant dans leur contexte géomorphologique, qui chacune témoigne d’une période et de conditions globales d’environnement spécifiques : des sulfates et des phyllosilicates16. Les sulfates ont été découverts simultanément par OMEGA, en orbite, et Opportunity, au sol. Posé dans un site présentant des affleurements clairs différents de tout ce qui avait été observé jusque-là, ce rover a mis en évidence, pour la première fois, des roches non plus seulement volcaniques, mais vraisemblablement sédimentaires : elles contiennent des sulfates (parsemés de concrétions d’hématite) dont la formation requiert, au moins sur Terre, la présence d’eau. La composition des sulfates (dont de la jarosite17) indique un environnement très acide. Est-ce à dire que ces minéraux s’étaient accumulés au fond de lacs salés, comme cela a été immédiatement proposé ? Des dépôts de sel peuvent parfaitement se produire alors même que l’eau s’évapore, pour n’être pas dans des conditions de stabilité thermodynamique ; leur existence ne traduit pas nécessairement la pérennité d’étendues lacustres.

19Le contexte géologique dans lesquels ces dépôts de sulfates ont été observés, depuis l’orbite, permet d’en dater la formation. Pour l’essentiel, ils se situent en effet dans des sites situés en bordure Est du dôme de Tharsis, dans les chasmata de Valles Marineris, dans Terra Meridiani (où s’est posé Opportunity) jusqu’à Aram Chaos, plus au Nord. Les terrains correspondants, anciens, sont toutefois peu cratérisés : ils ont été mis en place après l’arrêt du bombardement primordial, et après que Tharsis ait été construit, c’est-à-dire entre 3.6 et 4 milliards d’années typiquement. Leur composition indique un environnement alors très acide.

  • 18 Les smectites constituent une famille spécifique de phyllosilicates monocliniques, dont la montmor (...)

20Par contraste, les phyllosilicates hydratés sont trouvés dans de très nombreux spots, souvent de très petites dimensions, éparpillés dans l’ensemble de la croûte cratérisée, qui constitue les plus anciens des terrains martiens. Des smectites ferromagnésiennes18 constituent la phase dominante : elles indiquent un pH neutre, voire basique. La formation des phyllosilicates procède de l’altération aqueuse de roches magmatiques ; contrairement aux sulfates, ces minéraux requièrent un lessivage lent et prolongé. Ils constituent le meilleur témoignage de ce que Mars, dans son passé le plus ancien, était vraisemblablement recouverte d’eau liquide stable.

  • 19 Le LHB, pour Late Heavy Bombardment, caractérise la dernière phase du bombardement primordial.

21Pourquoi alors ne recouvrent-ils pas intégralement la croûte cratérisée ? Notre réponse est la suivante : les conditions de stabilité de l’eau liquide sur Mars, comme nous le discutons plus loin, ont cessé avant la fin du bombardement primordial. Les dernières phases de celui-ci, qui ont très probablement pris la forme d’un bombardement tardif19 entre 3,9 et 4 milliards d’années, ont recouvert la surface par du matériau sous-jacent, magmatique et non altéré, celui-là même dont OMEGA a identifié la composition décrite plus haut. C’est pourquoi on n’observe aujourd’hui de phyllosilicates que dans des sites de petites dimensions, exhumés par érosion ou impact.

22Phyllosilicates hydratés sur la croûte ancienne, sulfates plus tardifs, pellicule d’oxydes ferriques anhydres : les minéraux détectés à la surface de Mars traduisent l’évolution dans le temps des conditions d’environnement globales : neutres ou basiques tout d’abord, avec de l’eau liquide en surface, très acides ensuite, avec de l’eau charriée régionalement, puis globalement sèches jusqu’à aujourd’hui. L’Histoire de Mars qui ressort de ces observations, couplant contexte et composition, fait ainsi apparaître trois ères distinctes, chacune enregistrée par une famille minéralogique distincte. Elles ne se superposent pas strictement à celles, déduites de la seule imagerie, qui faisaient loi jusqu’à présent ; celles-ci reposaient sur des processus purement exogènes, faisant du taux de bombardement le critère dimensionnant : le Noachien, correspondant aux terrains très cratérisés, précède l’Hespérien, période de transition vers l’Amazonien, lequel commence quand s’est achevé le bombardement primordial. Une autre chronologie est désormais possible, fondée sur l’évolution de l’environnement propre de la planète.

23L’ère la plus ancienne est celle où Mars abritait des conditions de stabilité d’eau liquide en surface, dont témoignent les phyllosilicates : nous l’avons baptisée phyllosien. Elle s’est arrêtée avant la fin du bombardement primordial. Le theiikien (pour theiikos, sulfate en grec) a suivi, traduisant une ère où le soufre, issu du dégazage massif accompagnant la formation de Tharsis et le remplissage des plaines du Nord, a été transformé, régionalement, en sulfates, par un apport localisé mais massif d’eau. De courte durée, cette période a laissé la place au sidérikien (oxyde ferrique se dit siderikos en grec) qui perdure jusqu’à aujourd’hui. Comment se sont faits ces changements environnementaux, qui se traduisent par des familles distinctes de minéraux ?

24L’ère de stabilité de l’eau liquide pourrait avoir été très semblable à celle qui prévalait sur la Terre également, il y a plus de 4,1 milliards d’années, lorsqu’un océan recouvrait la croûte non encore totalement refroidie. On sait en effet que la découverte récente de zircons terrestres très anciens, et l’analyse isotopique de l’oxygène qu’ils contiennent est une indication forte que des océans existaient bien avant la fin du bombardement : la transition entre l’Hadéen et l’Archéen pourrait avoir eu lieu bien avant le LHB (voir note 19). Celui-ci n’aurait pas nécessairement été stérilisateur, mais aurait au contraire ménagé une fraction majeure des océans terrestres. La vie pourrait donc avoir émergé peu de temps après la formation de la Terre. L’impact géant qui a conduit à l’accrétion de la Lune dans le disque d’éjection, puis à la précipitation d’eau dans le magma encore chaud, a été suivi d’un lent refroidissement qui a vu un océan se former et se stabiliser, au milieu de continents : on ne peut exclure que cela ait sui pour faire de la surface de la Terre un environnement habitable – et rapidement habité, dans ses océans. La géologie terrestre a effacé la quasi-totalité des traces qui permettraient d’en confirmer la réalité. Il est remarquable que les phyllosilicates martiens, formés dans des conditions peut-être semblables, préservent quant à eux la mémoire de cette période : ils en constituent les seuls témoins, dans le Système solaire.

Fig. 7 – Carte du magnétisme rémanent à la surface de Mars : la croûte s’est solidifiée en présence d’un champ magnétique global. En revanche, Tharsis, les volcans, les plaines du Nord et les grands bassins se sont solidifiés après l’arrêt de la dynamo. (NASA, Mars Global Surveyor, Connerney, J. E. P. et al. 2005, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, n° 42)

  • 20 Mars Global Surveyor Magnetometer and Electron Reflectometer.

25Pourquoi le phyllosien, ère de stabilité de l’eau liquide, se serait rapidement éteint, quelques centaines de millions d’années au plus après que Mars se soit formée, alors que sur Terre les océans ont perduré jusqu’à aujourd’hui ? Qu’est-ce qui a conduit à des évolutions divergentes de Mars et de la Terre ? La raison principale est peut-être à chercher dans la taille des deux objets : les réserves radioactives de Mars n’ont pas été suffisantes pour maintenir une convection mantellique efficace. Le déclin du régime de convection dans le manteau, en diminuant l’efficacité de l’extraction d ‘ énergie du noyau liquide, a entraîné la diminution de la convection dans celui-ci, ce qui a conduit à l’arrêt de la dynamo martienne. On en a écho dans la carte du magnétisme rémanent, faite par l’instrument MAGER20 sur la sonde MGS : seuls les terrains cratérisés ont enregistré un magnétisme alors qu’ils se sont refroidis. Aussi bien le dôme de Tharsis et ses volcans géants, que les plaines du Nord et les bassins d’impact tels qu’Hellas et Argyre, sont non magnétisés (figure 7). C’est une indication forte que ces derniers se sont solidifiés après que la dynamo se soit arrêtée.

26Mars a donc vu son bouclier magnétique disparaître tôt dans son Histoire, après la cristallisation de la croûte, et avant le LHB et les premières manifestations volcaniques (Tharsis) ; à cette époque, le Soleil, étoile encore jeune, émetteur EUV (ultraviolet extrême) puissant, a pu, par l’intensité du rayonnement ionisant et du vent émis, chasser massivement les atmosphères non suffisamment protégées. Mars aurait vu s’échapper dans l’espace l’essentiel de ses constituants gazeux, et en particulier des gaz à effet de serre maintenant les conditions thermodynamiques de stabilité de l’eau liquide (d’autant plus nécessaires que la luminosité solaire était alors significativement plus faible). Le phyllosien se serait éteint et l’eau se serait à la fois évaporée (puis échappée) et infiltrée dans le sol, percolant sous la forme d’un pergélisol (permafrost) peu profond. L’arrêt de la dynamo aurait entraîné un changement climatique global.

27La diminution de la convection mantellique aurait donné naissance à la chute de masses froides, créant des instabilités à l’interface manteau/noyau, générant des plumes ascendantes dont la construction de Tharsis et le remplissage des plaines du Nord sont le résultat. Dans cette hypothèse, ces événements sont survenus après que l’essentiel de l’atmosphère a été soufflé : le dégazage intense qui a accompagné la montée des laves a éjecté de grandes quantités d’espèces volatiles, dont des composés soufrés qui, en présence du rayonnement solaire, ont été fortement oxydés. Ils sont retombés au sol sous une forme très acide, tout autour de la planète. La montée de lave, en des régions précises, s’est également accompagnée de celle du front géothermique, projetant en surface une partie du pergélisol qui s’était accumulé. Ces montées d’eau liquide massives ont cimenté en vastes dépôts de sulfates le soufre provenant du dégazage volcanique antérieur (lié à la formation de Tharsis et au remplissage des plaines du Nord). Leur localisation traduit les sites, essentiellement liés à la construction de Tharsis, où ces remontées d’eau ont eu lieu. Pour autant, l’eau, projetée liquide en surface, n’y a pas trouvé de conditions de stabilité, car l’atmosphère dense avait disparu : elle a pu creuser des structures impressionnantes, comme ces vallées de débâcle, tout en percolant et s’évaporant, laissant les sulfates comme témoins de ces processus violents, transitoires et hors d’équilibre. Ils n’ont pas alimenté de réservoirs pérennes. Les sulfates, contrairement aux phyllosilicates, ne sont pas les traceurs de l’ère la plus favorable à l’émergence du vivant. En revanche, si la vie avait démarré au phyllosien, les remontées d’eau du theiikien ont pu réactiver les fonctions vitales d’espèces passées en mode dormant, et jouer un rôle critique de maintien du vivant.

Fig. 8 – Il est suggéré d’explorer dans l’avenir les zones où OMEGA a découvert des phyllosilicates hydratés, comme ici (en blanc) sur les flancs de Mawrth Vallis, dont HRSC a reconstitué une spectaculaire image stéréoscopique. ESA

28Cette activité de surface, traduite par l’accumulation localisée de sulfates, n’a guère duré, quelques centaines de millions d’années au plus : le theiikien a rapidement laissé la place au sidérikien, ère d’extrême aridité. Les principales manifestations, qui ont jalonné les 3 derniers milliards d’années, résultent d’épanchements volcaniques espacés, et des effets de changements d’obliquité. Sans lune suffisamment massive pour être stabilisatrice, Mars est entrée dans des phases d’oscillation marquée de son obliquité, comme l’a montré le travail de J. Laskar et de son équipe. Des dépôts de glace, sublimée des pôles, ont pu se former en des sites favorisant leur condensation, comme les flancs des volcans géants. Suivis de débâcles rapides, à l’occasion d’impacts, de volcanisme ou de nouveaux changements d’obliquité, ils ont pu donner naissance à des structures d’écoulement glaciaire, bien identifiables. Même si de tels processus ont pu modeler le climat régional, peu d’évolution a toutefois marqué Mars tout au long de cette ère, caractérisée principalement par la lente constitution d’une pellicule d’oxyde rougeâtre, anhydre.

Fig. 9 – MSL/NASA

Fig. 10 – ExoMars/ESA

29Si Mars a jadis été une planète bleue, ce n’est donc pas au fond des plaines de basse altitude (que certains pensaient être recouvertes d’un océan ancien), qu’il faut en rechercher la trace. La rouille actuelle n’est pas le bon indicateur. Tout au contraire, c’est dans les terrains très fortement cratérisés, non oxydés, que demeurent des vestiges de cette ère d’habilité potentielle de Mars (figure 8). Ils sont repérés, non par des structures visibles sur des images, mais par la présence de minéraux spécifiques, des phyllosilicates hydratés, dont la découverte récente s’avère essentielle.

30Il est remarquable qu’il existe à la surface de Mars des sols ayant préservé les propriétés acquises avant même l’arrêt du bombardement primordial. Leur analyse microscopique pourrait permettre de caractériser ce que fut l’environnement de Mars, et peut-être de la Terre, quand l’eau liquide y était stable. Surtout, il sera possible de rechercher si, dans les échantillons les plus favorables pour avoir été travaillés par de l’eau, d’autres phases, et en particulier des molécules carbonées complexes, ont été synthétisées. Si des bio-reliques existent, c’est là qu’il devrait être possible de les identifier. C’est ce à quoi les deux missions en préparation, MSL (NASA) et ExoMars (ESA) sont dédiées (figures 9 et 10).

31Plus vraisemblablement, c’est à une mission de retour d’échantillons que reviendra de répondre à la question : Mars aussi a-t-elle vu l’inerte évoluer vers le vivant ? Les missions en opération actuellement, et singulièrement Mars Express, ont considérablement fait avancer cette recherche, principalement en identifiant les sites les plus favorables pour en permettre l’étude. Il apparaît en effet que, contrairement à ce qui s’est passé sur Terre où la biosphère a conquis de très vastes territoires, marins et continentaux jusqu’aux plus désertiques, seuls de très petits îlots préservent, à la surface de Mars, la signature des conditions d’éventuelle habitabilité passée. C’est ce qui explique par exemple que les météorites martiennes, qui n’échantillonnent qu’un tout petit nombre de sols profonds, dans la croûte, éjectés par quelques impacts aléatoires, n’ont pas de valeur exobiologique marquée : seule l’étude de sites très soigneusement sélectionnés peut se révéler féconde de ce point de vue.

32Si Mars a abrité des formes de vie, les terrains phyllosiens devraient en avoir conservé la trace. Le changement climatique global, qui est survenu quelques centaines de millions d’années au plus après que Mars se soit formée, pourrait avoir mis fin à cette ère de stabilité d’eau liquide en surface. On pourrait comprendre, si l’on découvrait des micro-fossiles dans de tels échantillons, pourquoi l’évolution vivante n’aurait pu se prolonger. Il se peut que, tout au contraire, l’exploration martienne nous révèle que Mars est demeurée inerte : d’autres ingrédients critiques, présents sur Terre, auraient manqué sur Mars pour permettre l’émergence du vivant. La liste s’allonge en effet des processus qui ont profondément affecté l’évolution de la Terre primitive : l’impact géant qui a conduit à la formation de la Lune a considérablement modifié l’environnement et modelé l’évolution du manteau et de l’atmosphère terrestres, notamment dans sa composante aqueuse. Le maintien durable d’une dynamo magnétique, par un réservoir radioactif mantellique suffisant, pourrait également avoir joué un rôle majeur. Bien d’autres facteurs encore, tels ceux qui entretiennent une couverture nuageuse très singulière, entrent également en jeu. Il est remarquable que plusieurs décennies après les missions Viking, la recherche des processus responsables de l’évolution planétaire, et tout particulièrement de l’émergence et du maintien du monde vivant, prend une actualité totalement renouvelée. Avec l’exploration spatiale de Mars, l’exobiologie entre réellement dans l’ère scientifique, avec des approches spécifiques, et déjà des résultats majeurs.

Bibliographie

Références bibliographiques

• Bell J. F. ed., 2007, The Martian Surface : Composition, Mineralogy, and Physical Properties, Cambridge University Press, Planetary Science Series.

• Bibring J-P., 2009, Mars, planète bleue ?, Odile Jacob.

• Bibring J-P. et al., 2006, «Global Mineralogical and Aqueous Mars History Derived from OMEGA/Mars Express Data», Science 312, 400-404.

• Forget F., Costard F., Lognonné P., 2006, La planète Mars, Histoire d’un autre monde, Belin.

• Poulet F. et al., 2005, «Phyllosilicates on Mars and implications for early martian climate», Nature 438, 623-628.

• Rocard F., 2006, Planète Rouge. Dernières nouvelles de Mars, Dunod.

Notes

1 MOLA : Mars Orbiter Laser Altimeter

2 Mars Global Surveyor de la NASA a exploré Mars depuis son orbite de 1997 à 2007.

3 Les chasmata (pluriel de chasma, du grec χασμα, abîme) sont des structures géologiques profondes : dépressions, failles ou gorges.

4 HRSC : High Resolution Stereo Camera.

5 HiRISE : High Resolution Imaging Science Experiment.

6 Un imageur spectral fournit, pour chaque point de l’image qu’il acquiert, le spectre complet, dans un domaine de longueur d’onde donné : les données se présentent sous la forme de « cube-images » tridimensionnels (x, y, λ).

7 OMEGA : Observatoire pour la Minéralogie, l’Eau, les Glaces et l’Activité, développé sous la responsabilité principale de l’IAS à Orsay, et du LESIA de l’Observatoire de Paris-Meudon.

8 CRISM : Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars.

9 SPICAM : Spectroscopy for Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Mars, développé sous la responsabilité principale du Service d’Aéronomie à Verrières-le-Buisson.

10 PFS : Planetary Fourier Spectrometer.

11 MARSIS : Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding.

12 SHARAD : Shallow Subsurface Radar.

13 Pyroxènes et olivines sont des familles de silicates, minéraux à base de tétraèdre SiO4, que l’on rencontre dans les roches volcaniques et magmatiques.

14 L’hématite est un oxyde ferrique anhydre de formule brute Fe2O3. Lorsqu’il se présente sous la forme de petits grains nanométriques, il est de couleur rougeâtre, ce qui lui a donné son nom (hematos, sanguin en grec).

15 La goethite est un oxyde ferrique, de formule FeO (OH), contenant le radical OH dans sa structure.

16 Les phyllosilicates, ou silicates en feuille, sont des minéraux d’altération aqueuse, dont les argiles font partie.

17 La jarosite est un sulfate hydraté de composition brute KFe3 (OH)6 (SO4).

18 Les smectites constituent une famille spécifique de phyllosilicates monocliniques, dont la montmorillonite, la nontronite et la saponite font partie. La majorité de celles que l’on a observées sur Mars contient de grandes abondances de fer et de magnésium.

19 Le LHB, pour Late Heavy Bombardment, caractérise la dernière phase du bombardement primordial.

20 Mars Global Surveyor Magnetometer and Electron Reflectometer.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Globes de relevés altimétriques construits à partir des données MOLA/MGS
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11530/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 904k
Légende Fig. 2 – Structure d’écoulement fluviatile observée dans les terrains cratérisés. (NASA)
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11530/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 286k
Légende Fig. 3 – Image d’artiste de la sonde Mars Express de l’ESA, en orbite martienne. (ESA, D. Ducros)
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11530/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 2,5M
Légende Fig. 4 – Terrains contenant des minéraux hydratés identifiés par OMEGA : sulfates (en bleu et vert) et phyllosilicates (en rouge et jaune)
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11530/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 219k
Légende Fig. 5
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11530/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 166k
Légende Fig 6 – Le léger bêchage du sol par les roues recouvre la fine pellicule de surface, claire et oxydée, par du matériau sous-jacent, plus sombre car non altéré. (NASA)
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11530/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 257k
Légende Fig. 7 – Carte du magnétisme rémanent à la surface de Mars : la croûte s’est solidifiée en présence d’un champ magnétique global. En revanche, Tharsis, les volcans, les plaines du Nord et les grands bassins se sont solidifiés après l’arrêt de la dynamo. (NASA, Mars Global Surveyor, Connerney, J. E. P. et al. 2005, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, n° 42)
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11530/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 1,2M
Légende Fig. 8 – Il est suggéré d’explorer dans l’avenir les zones où OMEGA a découvert des phyllosilicates hydratés, comme ici (en blanc) sur les flancs de Mawrth Vallis, dont HRSC a reconstitué une spectaculaire image stéréoscopique. ESA
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11530/img-8.jpg
Fichier image/jpeg, 1,6M
Légende Fig. 9 – MSL/NASA
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11530/img-9.jpg
Fichier image/jpeg, 276k
Légende Fig. 10 – ExoMars/ESA
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11530/img-10.jpg
Fichier image/jpeg, 274k

Auteur

Professeur de physique à l’université Paris-Sud et astrophysicien à l’Institut d’Astrophysique spatiale (IAS) d’Orsay, où il coordonne les programmes d’exploration du Système solaire et des systèmes stellaires. Il est responsable de plusieurs instruments d’observation spatiale, principalement sur les missions Mars Express, Rosetta et Phobos Grunt. Ses recherches portent sur la formation et à l’évolution des objets du Système solaire, en particulier de la planète Mars. Son dernier livre a pour titre : Mars, planète bleue ? (Odile Jacob)

© CNRS Éditions, 2010

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540