Premiers résultats de l'orbiteur d'étude des gaz à l'état de traces (TGO) d'ExoMars
Publié par Redbran le 16/04/2019 à 14:00
Source: ESA
Cet article est un développement plus complet de notre précédent article sur le même sujet: Premiers résultats pour l'ExoMars Trace Gas Orbiter.

Parmi les moments forts de la première année en orbite de l'orbiteur d'étude des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout le...) à l'état de traces (TGO) d'ExoMars (ExoMars est le nom d'une mission spatiale de l'Agence spatiale européenne prévue pour 2016 dans le cadre du programme Aurora. Elle consiste à envoyer sur la surface de Mars un rover automatisé...) figurent de nouvelles preuves de l'impact qu'a eu l'orage (Un orage, de l'ancien français ore qui signifiait vent, est une perturbation atmosphérique d'origine convective associée à un type de nuage particulier : le cumulonimbus. Ce dernier est à forte extension...) de poussière à l'échelle planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire (le Soleil et ses planètes) en tout ou partie. Généralement les...) sur l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), et la surprenante absence de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par...).


Analyse de l'atmosphère martienne

Deux articles scientifiques décrivant ces nouveaux résultats ont été publiés cette semaine dans la revue Nature, et discutés lors d'un point (Graphie) presse dédié à l'Union européenne des géosciences à Vienne.

Un troisième article, soumis à Proceedings of the Russian Academy of Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour...), présente la carte la plus détaillée jamais produite de la glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) d'eau ou des minéraux hydratés présents à faible profondeur sous la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...) de Mars.

L'orbiteur (Dans le domaine de l'astronautique, un orbiteur est un vaisseau satellisé autour d'une planète. Plus précisément, il est utilisé pour désigner :) d'étude des gaz à l'état de traces (TGO) d'ExoMars, la mission conjointe ESA-Roscosmos, est arrivé en octobre 2016 à proximité de la planète rouge (Planète rouge (Red Planet) est un film américain réalisé par Antony Hoffman, sorti en 2000.), avant de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) plus d'un an à effectuer un aérofreinage (L'aérofreinage ou freinage atmosphérique est la manœuvre d'un vaisseau spatial qui réduit le point haut de son orbite elliptique (apoapside) en volant au travers de l'atmosphère au point bas de son orbite...) qui lui a permis d'atteindre son orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les...), qui dure deux heures (L'heure est une unité de mesure  :), environ 400km au-dessus de la surface de Mars.

"Nous sommes ravis des premiers résultats obtenus par TGO," déclare Håkan Svedhem, scientifique du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...) TGO à l'ESA.

"Nos instruments se comportent extrêmement bien, et nous ont fournis dès les premiers mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) exquises, d'un niveau bien supérieur à celui des données précédentes."


Premiers résultats de TGO
La mission scientifique de TGO a débuté fin avril 2018, à peine deux mois avant le début de la tempête (Une tempête est un phénomène météorologique violent à large échelle dite synoptique, avec un diamètre compris en général entre 200 à 1 000 km,...) de poussière à l'échelle planétaire qui allait conduire à la fin de la mission du rover Opportunity (Opportunity est le deuxième rover (ou astromobile) de la mission Mars Exploration Rover de la NASA. Il a atterri sur la planète Mars le...) de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est...), après 15 années passées à arpenter la surface de Mars.

Les sondes en orbite ont quant à elles profité d'un point de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) unique, et TGO a suivi la formation et le développement de la tempête, et observé la manière dont l'augmentation de la poussière a influé sur la vapeur () d'eau contenue dans l'atmosphère, ce qui est important pour comprendre l'histoire de l'eau sur Mars au fil du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.).

Exploiter la tempête de poussière

Les deux spectromètres embarqués, NOMAD et ACS, ont procédé aux premières mesures haute résolution de l'atmosphère en occultation (Une occultation est un phénomène de recouvrement apparent d'un élément par un autre.) solaire, en analysant la manière dont la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type...) est absorbée par l'atmosphère afin de révéler l'empreinte chimique de ses ingrédients.

Cela a permis de déterminer la distribution verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) de la vapeur d'eau et de l'eau "semi-lourde" (dont un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) est remplacé par un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) de deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. Son nombre de masse est 2.), une forme d'hydrogène avec un neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont...) supplémentaire) depuis la proximité de la surface martienne et jusqu'à plus de 80 km d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et...). Les résultats obtenus mettent en évidence l'influence des poussières dans l'atmosphère sur l'eau, ainsi que la fuite d'atomes d'hydrogène dans l'espace.

"Sous les latitudes septentrionales, nous avons observé des phénomènes tels que des nuages de poussière situés à une altitude d'environ 25 à 40 km, qui n'existaient pas auparavant, ainsi que des couches de poussière se déplaçant vers des altitudes plus élevées sous les latitudes méridionales", explique Ann Carine Vandaele, chercheuse principale de l'instrument NOMAD à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) royal d'aéronomie spatiale de Belgique.

"L'augmentation de la vapeur d'eau dans l'atmosphère a été remarquablement rapide, elle s'est faite en quelques jours au début de la tempête, ce qui indique une réaction rapide de l'atmosphère à la tempête de poussière."


Evolution de la tempête de poussière
Les observations sont cohérentes avec les modèles de circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) à l'échelle planétaire. La poussière absorbe les radiations du Soleil, chauffant le gaz environnant et provoquant son expansion, redistribuant à son tour d'autres ingrédients - comme l'eau - sur une plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de matériaux d'une taille allant des sables fins aux blocs ». La plage ne se limite donc pas aux étendues de sable...) verticale plus large. Un contraste de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations...) plus élevé s'installe entre les régions équatoriales et polaires, et renforce la circulation atmosphérique. Parallèlement, les températures plus élevées font que moins de nuages de glace d'eau se forment ; en temps normal ils confineraient la vapeur d'eau à des altitudes plus basses.

Les équipes ont également procédé à la première observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la...) simultanée d'eau semi-lourde et de vapeur d'eau, qui a fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni, sont un archipel de petites îles grecques situées...) des informations essentielles sur les processus qui contrôlent la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) d'atomes d'hydrogène et de deutérium qui s'échappent dans l'espace. Cela signifie également que le rapport deutérium sur hydrogène (D/H) peut être dérivé, ce qui est un marqueur important de l'évolution de l'inventaire des ressources en eau sur Mars.

"Nous constatons que l'eau, deutérée ou non, est très sensible à la présence de nuages de glace, qui l'empêche d'atteindre les couches atmosphériques les plus hautes. L'eau a atteint des altitudes beaucoup plus élevées pendant la tempête," affirme Ann Carine. "C'était prédit de manière théorique par les modèles depuis longtemps, mais c'est la première fois que nous avons pu l'observer."

Comme le rapport D/H est supposé changer en fonction des saisons et des latitudes, les mesures régionales et saisonnières continues de TGO devraient fournir une preuve supplémentaire des processus en jeu.

Le mystère du méthane s'épaissit

Les deux instruments complémentaires ont également commencé leurs mesures des gaz à l'état de traces dans l'atmosphère martienne. Les gaz à l'état de traces représentent moins de 1% de l'atmosphère en volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) et nécessitent des techniques de mesure très précises pour déterminer leurs empreintes chimiques dans la composition. La présence de gaz à l'état de traces est généralement mesurée en "partie par milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) en volume" (ppbv). Ainsi, si on prend l'exemple du stock de méthane de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...), soit 1800 ppbv, cela signifie que pour chaque milliard de molécules, 1800 sont du méthane.

Le méthane revêt un intérêt particulier pour les scientifiques qui travaillent sur Mars, car il peut être une signature de la vie (La vie est le nom donné :), ainsi qu'un indicateur de processus géologiques. Sur Terre, par exemple, 95% du méthane dans l'atmosphère provient de processus biologiques. Puisqu'il peut être détruit par le rayonnement solaire (En plus des rayons cosmiques (particules animées d'une vitesse et d'une énergie extrêmement élevées), le Soleil rayonne des ondes électromagnétiques dont le spectre s'étend des ondes décamétriques aux rayons...) à l'échelle de quelques centaines d'années, toute détection de la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de...) à l'époque actuelle implique qu'elle a été libérée relativement récemment - même si le méthane lui-même a pu être produit il y a des millions ou des milliards d'années et être resté emprisonné dans des réservoirs souterrains jusqu'à maintenant. De plus, les gaz à l'état de traces sont quotidiennement mélangés de manière efficace à la surface de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre...) ; les modèles de circulation des vents à l'échelle planétaire indiquent que le méthane serait réparti uniformément sur l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui...) de la planète en quelques mois.

Les signalements de méthane dans l'atmosphère martienne ont fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) de vives discussions, car les détections ont été très sporadiques en termes de lieu et de lieu et frôlaient souvent la limite de détection des instruments. La mission Mars Express (Mars Express est le nom d'une mission spatiale de l'Agence spatiale européenne (ESA), qui a pour objectif l'étude de Mars.) de l'ESA a fourni en 2004 l'une des premières mesures en orbite ; elle indiquait à ce moment-là une présence de méthane de l'ordre de 10 ppbv.

Les télescopes basés sur Terre ont également soit signalé l'absence de méthane, soit détecté temporairement des valeurs pouvant aller jusqu'à environ 45 ppbv. Le robot (Un robot est un dispositif mécatronique (alliant mécanique, électronique et informatique) accomplissant automatiquement soit des tâches qui sont...) Curiosity de la NASA, qui explore le cratère ( Pour le cratère d'origine volcanique, voir Cratère volcanique Pour le cratère d'origine météoritique, voir Cratère d'impact Pour le cratère formé à la suite d'un effondrement d'origine souterrainne...) Gale (La gale ou mal de Sainte-Marie est une affection contagieuse de la peau spécifique à l'homme, déterminée par la femelle d'un acarien microscopique...) depuis 2012, a suggéré un niveau de fond de méthane variant avec les saisons entre 0,2 et 0,7 ppbv, avec des pointes plus élevées. Plus récemment, Mars Express (Express est un langage informatique servant à spécificier formellement des données. Il a fait l'objet d'une normalisation (ISO 10303-11).) a observé un pic de méthane un jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...) après l'un des relevés les plus élevés de Curiosity.


La recherche de méthane sur Mars menée par TGO
Les nouveaux résultats de TGO fournissent l'analyse à l'échelle planétaire la plus détaillée à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit...), avec une limite supérieure de 0,05 ppbv, soit 10 à 100 fois moins de méthane que toutes les détections précédemment rapportées. La limite de détection la plus précise, soit 0,012 ppbv, a été atteinte à 3 km d'altitude.

En tant que limite supérieure, 0,05 ppbv correspond encore à l'émission de 500 tonnes de méthane si l'on retient une durée de vie de 300 ans pour la molécule en considérant les seuls processus de destruction atmosphérique, mais dispersé dans toute l'atmosphère, c'est une valeur extrêmement faible.

"Nous avons de belles données de grande précision qui indiquent des signaux d'eau dans la plage (La Plage est un film anglo-américain réalisé par Danny Boyle en 2000 et adapté du roman The Beach d'Alex Garland) où nous nous attendions à voir du méthane, mais nous ne pouvons toutefois que faire état d'une limite supérieure modeste qui suggère une absence globale de méthane", déclare Oleg Korablev, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les...) principal d'ACS, de l'Institut de recherche spatiale de l'Académie des sciences (Une académie des sciences est une société savante dont le rôle est de promouvoir la recherche scientifique en réunissant certains des chercheurs les plus éminents, en tenant des séances au cours desquelles des travaux sont présentés...) de Russie (Moscou).

"Les mesures haute précision effectuées par TGO semblent être en contradiction (Une contradiction existe lorsque deux affirmations, idées, ou actions s'excluent mutuellement.) avec les détections précédentes; pour réconcilier les différents jeux de données et faire correspondre la transition rapide des panaches précédemment signalés au niveau de fond apparemment très faible, nous devons trouver ce qui détruit efficacement le méthane près de la surface de la planète."

"La question de la présence de méthane et de sa provenance potentielle a suscité beaucoup de débats, et la question de savoir où il va et avec quelle rapidité il peut disparaître est tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) aussi intéressante," déclare Håkan.

"Nous n'avons pas encore toutes les pièces du puzzle et nous n'avons pas encore de vue d'ensemble, mais c'est pour cette raison que nous sommes là avec TGO ; faire une analyse détaillée de la planète avec les meilleurs instruments dont nous disposons, afin de mieux comprendre le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) d'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.), géologique ou biologique, de cette planète."


Les mesures clés du méthane sur Mars

La meilleure carte de l'eau présente à faible profondeur

Alors que se poursuit le débat (Un débat est une discussion (constructive) sur un sujet, précis ou de fond, annoncé à l'avance, à laquelle prennent part des individus ayant des avis, idées, réflexions ou opinions...) animé sur la nature et la présence de méthane, une chose est sûre: l'eau a existé sur Mars, et s'y trouve encore sous forme de glace d'eau ou de minéraux hydratés. Et là où il y a eu de l'eau, il pourrait également y avoir eu de la vie.

Afin d'aider à comprendre l'emplacement et l'histoire de l'eau à la surface de Mars, FREND, le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.) à neutrons de TGO, cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de données sur un support réduit représentant...) la distribution de l'hydrogène dans le premier mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) sous la surface de la planète. Puisqu'il est l'un des principaux composants de la molécule d'eau, l'hydrogène indique la présence d'eau. Il peut également indiquer de l'eau qui a été absorbée par la surface, ou des minéraux qui se sont formés en présence d'eau.

Cette tâche de cartographie de la surface va durer une année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) martienne environ, presque deux années terrestres, afin de produire les meilleures statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de ces ressources afin de les rendre...) en vue de générer une carte de la meilleure qualité possible. Les premières cartes présentées, produites à partir de quelques mois de données, dépassent déjà la résolution des mesures précédentes.

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Distribution de l'eau présente à faible profondeur sur Mars
“En seulement 131 jours, l'instrument avait déjà permis de produire une carte à plus haute résolution que les données collectées depuis 16 ans par son prédécesseur embarqué sur Mars Odyssey (2001 Mars Odyssey est le nom donné à un vaisseau spatial de la NASA en orbite autour de la planète Mars. Cette sonde utilise des spectromètres et l'imagerie pour détecter une présence éventuelle d'eau (passée ou présente) à...) de la NASA - et elle va continuer à s'améliorer," explique Igor Mitrofanov, chercheur principal de l'instrument FREND, de l'Institut de recherche spatiale de l'Académie (Une académie est une assemblée de gens de lettres, de savants et/ou d'artistes reconnus par leurs pairs, qui a pour mission de veiller aux usages dans leurs...) des sciences de Russie (Moscou).

Outre le pergélisol évidemment riche en eau des régions polaires, la nouvelle carte fournit des détails plus affinés de régions "humides" et "sèches". Elle met également en évidence les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) riches en eau dans les régions équatoriales qui peuvent indiquer la présence de pergélisol riche en eau à l'époque actuelle, ou les anciens emplacements des pôles de la planète dans le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps centrée sur le présent....).

“Les données s'améliorent en permanence et nous aurons à terme les données de référence pour cartographier les minéraux riches en eaux situés à faible profondeur sur Mars, qui sont cruciaux pour comprendre l'évolution de Mars et où se trouve toute l'eau à présent," ajoute Igor. "C'est important pour la science martienne, et également pour des explorations futures de Mars."

"Nous profitions déjà de belles images et vues en stéréo de Mars grâce au système d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par impression...) de TGO, et nous sommes ravis de pouvoir à présent partager un premier regard sur les données issues des autres instruments," conclut Håkan.

"Nous avons un bel (Nommé en l’honneur de l'inventeur Alexandre Graham Bell, le bel est unité de mesure logarithmique du rapport entre deux puissances, connue pour exprimer la puissance du son. Grandeur sans...) avenir devant nous: nous allons pouvoir contribuer à de nombreux aspects de la science martienne, depuis la distribution de l'eau sous la surface aux mystères de l'atmosphère martienne en passant par les processus actifs à la surface."


Tourbillons de poussière sur Mars

Voir aussi: Premiers résultats pour l'ExoMars Trace (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la...) Gas Orbiter (Orbiter est un simulateur de vol spatial réaliste, diffusé sous forme de graticiel (mais non open source), pour le système d’exploitation Windows, créé par le Dr Martin Schweiger, professeur à la University College London.)
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