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Selon ExoMars, le bilan carbone inhabituel de Mars s'explique par la lumière du Soleil

2023-05-26

Communiqué de presse original de l'ESA

La sonde ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) a révélé comment le monoxyde de carbone, étrangement "léger", se forme dans l'atmosphère martienne. Cette découverte permet de mieux comprendre comment des matières contenant du carbone peuvent se former sur la planète rouge sans qu'il y ait de vie, et contribue à clarifier une découverte déconcertante faite par le rover Curiosity de la NASA l'année dernière.

Les observations de TGO montrent qu'un processus à l’œuvre dans l'atmosphère de Mars - où le dioxyde de carbone est scindé par la lumière du Soleil - forme du monoxyde de carbone contenant moins de carbone "lourd" que ce à quoi on pourrait s'attendre.

Cette découverte est cohérente avec l'idée que ce soit une combinaison de lumière solaire et de chimie complexe, plutôt que la vie, qui ait donné naissance aux composés à base de carbone ("matière organique") que nous observons à la surface de Mars.

Repérer le carbone sur Mars

L'atmosphère de Mars contient à la fois du carbone léger (carbone 12, qui représente la grande majorité du carbone du système solaire) et du carbone lourd (l'isotope carbone 13 : un atome de carbone 12 avec un neutron supplémentaire).

La mesure des quantités relatives de ces isotopes peut révéler beaucoup de choses sur le passé et le présent d'un milieu. De nombreux processus, à court et à long terme, influencent ce ratio, notamment la manière dont les substances se décomposent sous l'effet de la lumière du Soleil, dont elles s'échappent dans l'espace à partir des couches supérieures de l'atmosphère, dont elles se condensent ou se transforment en gaz et - ce qui est passionnant - dont elles sont produites et consommées par des formes de vie biologique.

"La mesure du rapport isotopique du carbone dans le monoxyde de carbone est un moyen puissant de comprendre l'origine de la matière organique de la planète et de révéler l'histoire de l'habitabilité de Mars", explique Shohei Aoki, de l'Université de Tokyo et de l'Institut royal d'Aéronomie Spatiale de Belgique, principal auteur d'un nouvel article publié dans le Planetary Science Journal.

"En 2021, TGO a cartographié le rapport entre l'hydrogène "normal" et l'hydrogène "lourd" dans la vapeur d'eau atmosphérique de Mars afin de créer un "chronomètre" permettant de retracer l'histoire et l'évolution de l'eau de la planète. Grâce à la sensibilité extrême de TGO et à sa capacité à établir le profil d'un grand nombre de molécules différentes, nous avons désormais appliqué la même approche pour le carbone présent dans le monoxyde de carbone atmosphérique de Mars.

Shohei et ses collègues ont analysé les données recueillies sur huit orbites de TGO en mars-avril 2022 par NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery), un instrument pour lequel l’IASB est le chercheur principal. NOMAD a observé les rayons du Soleil traverser l'atmosphère de Mars, une perspective qui a révélé les quantités, les identités et la teneur en carbone des gaz présents.

Une cause chimique

Les nouvelles mesures de carbone permettent de clarifier une découverte déconcertante faite par le rover Curiosity de la NASA l'année dernière.

Plusieurs des dépôts vieux de 3,5 milliards d'années échantillonnés par Curiosity sur son site d'atterrissage, le cratère Gale, contenaient des quantités étonnamment faibles de carbone lourd. Les chercheurs ont suggéré quelques causes possibles, allant des nuages de poussière interstellaire qui s'abattent périodiquement sur Mars aux anciens microbes qui rotent du méthane. Sur Terre, l'appauvrissement en carbone lourd est souvent un signe de vie, car plusieurs processus biologiques utilisent de préférence des isotopes plus légers du carbone.

"Tout phénomène sur Mars qui pourrait être causé par la vie est une source d'excitation, mais nos résultats vont dans une autre direction", déclare le co-auteur Yuichiro Ueno de Tokyo Tech. University. "Nous constatons plutôt que la cause de l'important appauvrissement en carbone observé à la fois dans le monoxyde de carbone atmosphérique de Mars et dans le cratère Gale pourrait être d'ordre chimique."

Les molécules de dioxyde de carbone présentes dans l'atmosphère de Mars interagissent avec la lumière du Soleil et se désagrègent pour former du monoxyde de carbone appauvri en carbone lourd, un phénomène que l'on observe également dans l'atmosphère terrestre.

Les chercheurs ont modélisé la façon dont ce processus affecterait le monoxyde de carbone de Mars, et leurs résultats correspondent à ce qui a été réellement observé sur Mars par NOMAD. Ces calculs sont présentés dans un article complémentaire de Yoshida et al, également publié dans le Planetary Science Journal.

Les résultats sont cohérents avec l'idée que l'atmosphère primitive de Mars était riche en monoxyde de carbone et que ce gaz était responsable de la formation de la matière organique observée à la surface de la planète.

Formation possible de matières organiques sur Mars
Infographie: ESA. Traduction: IASB

Plus profond que jamais

L'utilisation des rapports isotopiques est une méthode largement applicable d'explorer l'Univers ; nous pouvons étudier les corps du système solaire et du cosmos, tels que les exoplanètes, de cette manière afin de découvrir leur histoire et leurs propriétés.

"Les deux instruments de recherche de gaz de TGO, NOMAD et l'Atmospheric Chemistry Suite (ACS), font un excellent travail de cartographie des rapports isotopiques dans l'atmosphère de Mars", déclare Colin Wilson, scientifique du projet ExoMars Trace Gas Orbiter de l'ESA.
"L'un des points forts des recherches de TGO réside dans le fait que nous disposons de plusieurs moyens de mesurer la même chose. Nous mesurons les isotopes du carbone dans différentes molécules en utilisant à la fois NOMAD et ACS de manière indépendante. En fait, les résultats de NOMAD présentés ici concordent avec les observations complémentaires et la modélisation des isotopes du CO réalisées par une autre équipe utilisant ACS, également publiées ce mois-ci - ce qui nous donne une grande confiance dans les résultats.

Les résultats obtenus par Shohei et ses collègues soulignent la nature collaborative et complémentaire de nos missions d'exploration du système solaire. Par exemple, les résultats de TGO aideront les scientifiques à interpréter les résultats de la prochaine mission japonaise MMX (Martian Moon eXploration), qui ramènera des échantillons de Phobos, la lune de Mars.

"En combinant les observations de plusieurs missions, nous découvrirons de nouveaux détails sur l'histoire de Mars", ajoute Colin. "À la surface de Mars, le futur rover Rosalind Franklin de l'ESA nous aidera à comprendre la surface de la planète et la matière organique. Le rover dispose de capacités de forage uniques et d'un laboratoire scientifique inégalé par rapport aux autres missions en cours de développement. Nous serons en mesure de creuser plus profondément dans Mars que jamais auparavant".

Publications

  • “Depletion of 13C in CO in the atmosphere of Mars suggested by ExoMars-TGO/NOMAD” by Aoki et al. Est publié dans le Planetary Science Journal. Cette recherche utilise principalement les données de l'instrument NOMAD, dirigé par la Belgique.

La modélisation et les observations sont étayées par les résultats présentés dans un article complémentaire :

Les résultats sont cohérents avec les observations complémentaires et la modélisation des isotopes du CO par une équipe utilisant l'ACS :

 

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Image prise par la caméra CaSSIS à bord de la sonde ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) de l'ESA/Roscosmos le 1er février 2021, et montre une partie d'Argyre Planitia.
Credit: ESA/Roscosmos/CaSSIS
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Cette infographie montre l'étrange légèreté du monoxyde de carbone qui se forme dans l'atmosphère de Mars, d'après les nouvelles observations de la sonde ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) de l'ESA.
Copyright : CC BY-SA 3.0 IGO ; ESA (reconnaissance : travail effectué par ATG sous contrat avec l'ESA)