Mercredi 19 octobre, la mission ExoMars 2016, de l'Agence spatiale européenne, sera au plus proche de la Planète rouge : la capsule Schiaparelli atterrira à sa surface et le satellite TGO s'insérera dans l'orbite de Mars pour étudier son atmosphère. © ESA, D. Ducros

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Avec ExoMars 2016, la compréhension de Mars fera un bond sans précédent

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Rémy Decourt, Futura-Sciences

La mission ExoMars 2016 va bientôt connaître un tournant. En effet, mercredi 19 octobre, la capsule Schiaparelli atterrira sur la Planète rouge. Quant au satellite TGO, il s'insérera dans l'orbite de Mars pour étudier son atmosphère. Fabriqués par Thales Alenia Space, les deux engins ont connu un développement chaotique qui a failli contraindre l’ESA (Agence spatiale européenne) à abandonner la mission ! Aujourd’hui, c’est de l’histoire ancienne. Franck Montmessin, directeur de recherche CNRS au laboratoire Atmosphères, milieux, observations spatiales (Latmos), nous explique les enjeux scientifiques de cette mission.

Mission ExoMars : en quête de vie sur la Planète rouge  La mission ExoMars est parmi les plus ambitieuses jamais entreprises sur la Planète rouge. Elle a pour but d'y rechercher des traces de vies passées ou présentes. L'ESA nous offre en vidéo un avant-goût de cette mission qui s’avère passionnante. 

Près de 13 ans après le lancement de la sonde Mars Express (juin 2003), l'Agence spatiale européenne (ESA) s'intéresse de nouveau à la planète Mars avec ExoMars 2016. Cette mission comprend deux parties : l'orbiteur TGO (Trace Gas Orbiter) et le démonstrateur d'entrée, de descente et d'atterrissage EDM (Entry, Descent and Landing Demonstrator Module), plus joliment baptisé capsule Schiaparelli.

Si Mars Express, avait pour objectif de cartographier Mars, analyser son sous-sol et étudier son atmosphère, avec le TGO d’ExoMars 2016, l'étude de la Planète rouge va franchir « une étape qualitative sans précédent », nous explique Franck Montmessin, directeur de recherche CNRS au laboratoire Atmosphères, milieux, observations spatiales (Latmos). Il est le responsable science du capteur de champs électrique embarqué à bord de Schiaparelli et coresponsable de l'instrument russe ACS à bord de TGO. L'orbiteur de la mission est conçu pour étudier avec une précision jamais atteinte la composition de l'atmosphère martienne et inventorier les « gaz présents à l'état de trace et déterminer leur origine biologique ou géologique ».

Pour cela, le TGO embarque quatre instruments dont Nomad et ACS, instruments phares de la mission. Le premier est un ensemble de spectromètres « mesurant le spectre de la lumière du Soleil dans différentes longueurs d'onde (infrarouge, visible) et dans l'ultraviolet ». ACS est un instrument du même type, lui aussi constitué de trois spectromètres « utilisés pour déterminer le spectre de la lumière solaire réfléchie par le sol martien ou traversant l'atmosphère martienne dans le cadre d'une occultation du Soleil par la planète ».

Nomad et ACS, des instruments pour analyser l'atmosphère

Ces deux instruments sont complémentaires pour « la caractérisation de l'atmosphère martienne et notamment la recherche des espèces rares, en particulier le méthane ». Ils sont certes similaires dans leur fonctionnement mais se différencieront par le domaine spectral qu'ils couvriront bien qu' « ils auront des plages de recouvrement commune et des zones qui leur seront spécifiques ».

La capacité de mesure de l'instrument Nomad dans l'ultraviolet « permettra d'aller chercher l'ozone par exemple » alors que l'instrument ACS sera plus « efficace dans la gamme du proche infrarouge et thermique », ce qui permettra de « détecter des espèces pas faciles à voir habituellement ». Dans l'infrarouge thermique, il sera « capable de récupérer des informations sur le dioxyde de carbone », qui compose l'essentiel de l'atmosphère, et « fournira des informations sur la température de l'atmosphère à différentes altitudes ».

L'atmosphère martienne est l'objectif principal de l'orbiteur TGO d'ExoMars 2016. © Kornmesser, ESO

Avec les données des deux instruments, « on recouvrira de manière assez globale et assez complète l'ensemble du spectre de la lumière, de l'ultraviolet à l'infrarouge thermique ». Quant aux zones spectrales en recouvrement, elles « sont très bien adaptées à la recherche des espèces à l'état de traces » et, surtout, permettront de « consolider les découvertes éventuelles sur des espèces liées à l'activité martienne quelle que soit sa forme ».

Quels gaz sur Mars ?

Ce qui manque aujourd'hui dans la connaissance de Mars, c'est la « réalisation d'un inventaire complet des espèces qui pourraient être révélatrices d'une activité géophysique potentielle ou de tout autre processus qui pourrait être le signe d'une activité sur Mars ». À ce jour, nous n'avons pas cette cartographie complète des gaz présents dans l'atmosphère. Cependant, on sait à peu près à quoi s'attendre grâce à notre connaissance des processus géologiques qui se produisent sur Terre. Par analogie terrestre, il est en effet « a priori possible de prédire des espèces soufrées et hydrocarbonées comme le méthane par exemple ».

Cet inventaire n'a pas encore été fait « non pas parce que l'on n'a pas cherché à le faire mais simplement parce que, quand on a souhaité le faire, on n'a jamais réussi à découvrir aucune de ces espèces » ! On sait dire en dessous de quels seuils elles sont susceptibles d'exister mais « c'est tout ce que l'on sait dire ». C'est un problème car, vu qu'il n'est pas possible de quantifier, « on ne peut que travailler sur des scénarios trop peu contraints ».

Le TGO va pouvoir réaliser des « relevés d'espèces avec des seuils de détection améliorés d'un facteur de 50 ou 100 par rapport à ce qui a été fait jusqu'à maintenant ». Un changement d'échelle inédit dans l'étude de Mars. Grâce à cette sensibilité, tous les gaz prédits par la théorie, mais invisibles aux instruments existants, seront détectés par le TGO. Le seuil de détection du TGO sera en effet « de 10 à 50 parties pour mille milliards ». Atteindre cette valeur sur Terre est déjà très compliqué. Alors sur Mars, cela implique une performance technique inédite.

Prenons l'exemple du méthane, « présent dans l'atmosphère de la Terre à raison de 1.780 molécules par milliard de molécules d'air » : sur Mars, compte tenu d'une densité atmosphérique 200 fois moins élevée et d'une concentration relative du méthane 100 fois plus faible, « c'est a priori 10.000 fois plus difficile de le détecter là-bas que sur Terre ». Dans les faits, l'orbiteur d'ExoMars 2016 sera capable de détecter de 6 à 50 molécules d'une espèce par millier de milliards.

Une stratégie d’observation inédite autour de Mars

Pour réaliser sa mission, TGO utilisera deux modes d'observation « avec chacun des avantages et très complémentaires pour faire à la fois de la caractérisation et du suivi temporel ». Le premier est dit « de détection ». C'est le mode en occultation solaire qui consiste à « regarder le Soleil se coucher derrière l'atmosphère martienne de façon à le voir à travers l'atmosphère ». Nomad et ACS assureront cette tâche, « l'orbite du TGO a été tracée pour que l'engin observe un coucher ou un lever à pratiquement chaque orbite ». Ce mode procure deux avantages. En premier lieu, l'observation de sources très brillantes, en l'occurrence ici le Soleil, permet de capter un nombre très important de photons, ce qui « amène à moins d'incertitude sur la détection et donne, statistiquement, de la confiance dans les résultats obtenus ». L'autre avantage de l'occultation « est que les photons parcourent une plus grande distance au sein de l'atmosphère avant d'atteindre les instruments ». En quelque sorte, on agrandit artificiellement la profondeur de l'atmosphère. Cela augmente les chances pour un photon d'être intercepté par les molécules à l'état de trace et donc celles de détecter leur signature dans l'atmosphère. Avec cette stratégie d'observation, expérimentée avec Mars Express, le « niveau de sensibilité est quasiment un million de fois plus fort que celle d'observations depuis le sol. Il est donc très efficace pour débusquer des espèces qui seraient présentes en très faible quantité ».

Le deuxième mode est une observation directe de l'atmosphère. La lumière réfléchie par l'atmosphère et la surface est plus faible que celle recueillie par occultation mais ce mode permet « d'observer toute la profondeur de l'atmosphère et dans beaucoup d'endroits de la planète Mars ». C'est aussi une différence par rapport au mode de l'occultation qui ne « permet pas de regarder partout et à tout moment, à cause de la poussière. En occultation, en dessous de 10 km, l'atmosphère en contient tellement que l'on est incapable de récupérer un photon provenant du Soleil ».

Le TGO embarque également un capteur qui regardera s'il y a de l'eau sous la surface de Mars à une profondeur d'environ 1 à 1,5 mètre. La sonde Mars Odyssey, de la Nasa, fait de même mais « le TGO le fera de 5 à 8 fois mieux dans la régularité de la mesure ».

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