Le rover Curiosity a montré que le méthane est parfois produit ou libéré près du cratère de Gale, sans que l'on sache comment ni où. © Nasa, JPL

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Sur Mars, d'étranges émanations de méthane autour de Curiosity

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À partir de données acquises par Curiosity, une équipe de chercheurs de plusieurs pays suggère que le taux de méthane atmosphérique dans le cratère Gale est en général plus faible que prédit mais avec de fréquents pics. Autrement dit, ce gaz est périodiquement émis par une source proche du rover mais inconnue ! Pierre-Yves Meslin, chercheur à l'Irap, nous explique ces derniers rebondissements de l'affaire du mystérieux méthane martien.

Sur Terre, de 80 à 90 % du méthane atmosphérique (CH4) est d'origine biologique ou thermogène, c'est-à-dire lié à la transformation en profondeur de la matière organique que l'on trouve dans les sédiments. Environ 10 % sont produits par l'activité volcanique et hydrothermale de la planète. Alors quand en 2003, la sonde de l'Agence spatiale européenne Mars Express en découvre pour la première fois sur Mars, mesures par la suite corroborées par d'autres sondes martiennes et également depuis la Terre, les spécialistes de la Planète rouge s'emparent de la question.

Cette découverte soulève beaucoup de questions d'autant plus que les résultats sont assez difficiles à comprendre et sujets à polémique, en particulier à cause d'incohérences entre les différents jeux de données. L'idée de vaches dégazant dans les plaines martiennes est rapidement abandonnée mais depuis 2003 les chercheurs butent sur les processus de production et de destruction de ce gaz dans l'atmosphère.

Pour répondre à ces questions, Curiosity embarque un instrument spécifiquement dédié à la recherche du méthane. Il s'agit du spectromètre TLS, un des instruments de la suite instrumentale SAM. Ce spectromètre est un laser ajustable qui s'accorde dans l'infrarouge à 3,3 microns, ce qui correspond à un ensemble de bandes d'absorption du méthane et dont l'intensité au travers de la cellule de prélèvement atmosphérique varie avec l'abondance de ce gaz. C'est donc la première fois que le méthane est mesuré à la surface de Mars et que l'étude qui en découle est publiée. Les données correspondent à 13 mesures effectuées durant les 600 premiers jours de la mission de Curiosity. Le résultat de cette étude « suggère que le méthane est parfois produit ou libéré près du cratère de Gale, de façon sporadique, et qu'il se disperse rapidement lorsque ces épisodes cessent », nous explique Pierre-Yves Meslin de l'institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), du CNRS et de l'université Paul Sabatier de Toulouse qui a participé à cette étude internationale aux côtés d'autres chercheurs internationaux, dont le Français Patrice Coll du Laboratoire inter-universitaire des systèmes atmosphériques (Lisa) et du CNRS à Paris.

Première détection de méthane depuis la surface

Curiosity a bien confirmé son existence mais à un niveau plus faible que prédit par certains modèles basés sur la dégradation de matière organique d'origine météoritique par le rayonnement UV en surface. Il s'y trouve à quelque 0,7 ppbv (part per billion by volume), c'est-à-dire en moyenne 0,7 molécule pour un milliard de molécules de gaz, une valeur jusqu'à plusieurs dizaines de fois plus faible que ce qui avait été précédemment mesuré. Cette teneur est « très vraisemblablement le niveau de fond du méthane dans l'atmosphère martienne ». Mais le plus surprenant est que « des pics de concentrations ont été mesurés à quatre reprises sur une période de 60 jours ». Curiosity a en effet enregistré des niveaux des pics environ dix fois plus élevés, « autour de 7 ppbv, ce qui nous a surpris puisque les modèles photochimiques de l'atmosphère martienne prédisent que ce gaz aurait une durée de vie d'environ 300 ans, ce qui implique une répartition homogène dans l'atmosphère... sauf si la source est actuelle et locale ».

Sources et mécanismes de dégradation possibles du méthane martien : apport de matière organique par des météorites (cosmic dust) transformée ensuite en méthane par les UV, production par des micro-organismes enfouis (microbes), altération de l'olivine en présence d'eau liquide (water), stockage sous forme de clathrates (clathrate storage), transformation par les UV (photochemistry) en formaldéhyde et méthanol puis en CO2. © Nasa/JPL/SAM-GSFC/Univ. of Michigan

Pour expliquer cette augmentation sur une échelle de temps aussi réduite, les scientifiques suggèrent donc un dégazage de méthane relativement proche du site de Curioisity. La Nasa a bien essayé d'identifier ce site mais sans résultat. Les mesures météorologiques, dont celles des vents enregistrées par Curiosity, permettront peut-être de « circonscrire la zone source que l'on suppose être au nord de sa position ». Les scientifiques ont également regardé dans les environs du cratère Gale pour vérifier si récemment un cratère d’impact s’était formé. La chute d'une météorite faisait en effet partie des différents scénarios envisagés.

Les variations des teneurs en méthane restent inexpliquées

Cette faible concentration de méthane dans l'atmosphère martienne (en comparaison des autres valeurs publiées jusqu'à présent) pourrait s'expliquer par un apport continuel de météorites « dont celles de la famille des chondrites carbonées qui possèdent de la matière organique », ou de particules de poussières interplanétaires, qui ensemencent la surface de la planète. « Le méthane serait produit par la dégradation de la matière organique apportée par ces météorites sous l'effet de l'intense rayonnement UV à la surface de la planète, un phénomène mis en évidence en laboratoire » qui convertit le carbone organique qu'elles contiennent en méthane. Des modèles montrent que le méthane ainsi produit pourrait s'élever à une concentration globale d'environ 2 ppbv dans l'atmosphère martienne.

Pour expliquer que la concentration en méthane atteint des pics environ dix fois plus élevés, plusieurs hypothèses cohabitent. L'une d'elles est que de « la matière organique non biologique - par exemple résultant de l'apport météoritique - se trouve enfouie puis transformée dans le sol en profondeur avec des sédiments ». On peut imaginer également des processus d'altération de minéraux primaires en présence d'eau liquide libérant du méthane en profondeur ou, enfin, que des hydrates de méthane soient devenus instables. Au fil du temps, comme cela se passe sur Terre avec la production de gaz thermogène, cette matière « finirait par se dégrader et laisserait échapper son méthane ». L'hypothèse biologique, avec une activité microbienne productrice de méthane, est envisageable mais probablement seulement en profondeur. Cependant, aussi attrayante soit-elle, « cette hypothèse n'explique pas par simple diffusion jusqu'à la surface les amplitudes importantes relevées par Curiosity ».

Il est également possible que des poches de méthane se soient formées en profondeur il y a bien longtemps, d'origine quelconque, « volcanique, hydrothermale, biologique ou par transformation de matière organique », et soient devenues instables à la suite de la chute d'un bolide ou d'une activité sismique. Le méthane ainsi libéré aurait pu être transporté en surface par des failles ou des fractures. Il est donc tout à fait possible, et probable, que ce méthane ne résulte pas de la dégradation de matière organique d'origine biologique ou d'une production d'origine microbienne.

Quant à l'hypothèse du volcanisme« elle est peu probable » car les volcans martiens sont endormis depuis bien longtemps. On date à plusieurs millions d'années l'activité des derniers volcans. « Les cartes thermiques de la planète n'ont jamais révélé la présence de points chauds ni d'anomalies thermiques. » D'autres hypothèses ont été aussi émises, comme celle de Pierre-Yves Meslin qui a vu dans l'adsorption de ce gaz dans un sol froid, puis son relargage dans l'atmosphère quand il fait plus chaud, un mécanisme possible conduisant à des variations de la concentration atmosphérique. Mais ce processus ne pouvait pas expliquer des variations aussi importantes dans l'atmosphère.

À cela s'ajoute que la durée de vie du méthane, 300 ans dans l'atmosphère martienne, pose un problème. « Les modèle de la photochimie rendent assez bien compte de la distribution d'autres gaz mais pour le méthane, avec une telle durée de vie, on ne s'attend pas à observer des variations saisonnières ou spatiales importantes. » Les modèles, selon le chercheur, se trompent peut-être...

Malgré les observations de Curiosity, le problème de la production et la disparition du méthane reste donc entier. Dans les modèles utilisés, « il manque un processus de destruction du méthane plus rapide que ce que l'on pensait ». Le rover de la Nasa va poursuivre ses mesures mais « on attend surtout beaucoup de l'orbiteur TGO de la mission ExoMars 2016 qui emporte un instrument spécifiquement conçu pour traquer le méthane ». La sonde indienne, Mars Orbiter Mission, récemment arrivée autour de la planète, embarque aussi un détecteur de méthane qui devrait améliorer nos connaissances sur ce sujet.

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