La persévérance, une qualité essentielle dans l'exploration de Mars - Planet-Terre
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La persévérance, une qualité essentielle dans
l'exploration de Mars
17/02/2021
Auteur(s) :
Patrick Thollot
ENS Lyon - Laboratoire de Géologie de Lyon
Publié par :
Olivier Dequincey
Résumé
La mission Mars 2020 de la NASA avec le rover Perseverance devrait, avec son atterrissage prévu le 18 février
2021, ouvrir un nouveau front d'exploration sur la planète rouge, avec, pour la première fois, un retour d'échantillons
martiens vers la Terre prévu pour 2031. Aperçu des problématiques que la mission ambitionne d'étudier, du site
d'exploration, et des moyens (instruments, stratégie d'opération) à disposition pour y parvenir.
Table des matières
Mission Mars 2020 : une arrivée mouvementée
Quelques repères dans l'exploration de la planète Mars
Une planète habitable ?
Trente ans de yo-yo entre déception et intérêt renouvelé
La persévérance commence à payer
Quelques grandes questions à l'ordre du jour en 2020, objectifs de Perseverance
La datation des évènements
La caractérisation des roches et des conditions de leur formation et altération
La caractérisation de la matière organique, voire de traces de vie
Le site d'atterrissage de Jezero, en bref
Un système sédimentaire habitable ?
Des progrès techniques améliorent l'exploration scientifique
Le rover Perseverance et ses instruments
Quelques disparus
De vieilles connaissances en version 2.0
Des remplaçants plus performants
Une nouvelle recrue
Des démonstrateurs technologiques
Un rover stérilisé
Les missions martiennes à venir
Le “live” officiel de l'atterrissage sur NASA TV devrait démarrer à 20h15, heure française, le 18 février 2021 et être
accessible sur le site web de la NASA ainsi que sur sa chaine YouTube. Pour les réfractaires à la langue de
Shakespeare, ou pour profiter de commentaires de chercheurs français, un « direct » est aussi prévu sur le site du
CNES.
Mission Mars 2020 : une arrivée mouvementée
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Jeudi 18 février 2021, 21h37, heure française : une capsule conique de 4,5 m de diamètre et plus de 3 tonnes
commence à ressentir les frottements de l'atmosphère martienne, à 130 km d'altitude au-dessus de la surface de la
planète.
Dans les sept minutes qui suivent, une séquence d'évènements s'enchaine sans répit (Figure 1) : l'avant de la
capsule, protégé par un bouclier thermique en fibres de carbone, est soumis à une compression de l'air intense qui
le chauffe jusqu'à 1300°C et permet à la capsule de ralentir de plus de 19 000 à “seulement” 1 500 km/h ; sous le
contrôle de l'ordinateur de bord, un parachute supersonique est déployé, le bouclier thermique largué, puis, à
4 000 m d'altitude, toujours en descente à 300 km/h, un système de navigation intelligente utilisant radar et
caméras reconnait le terrain et choisit un site d'atterrissage sans obstacles ; à 2 000 m d'altitude le parachute est
largué et des rétro-fusées guident et freinent le rover vers le site choisi ; à 20 m du sol, le système s'établit en vol
stationnaire, un système de câbles descend alors le rover sous les rétro-fusées alors que celui-ci déploie ses roues,
pliées avant son départ de la Terre ; une fois les roues au sol, les câbles sont coupés et l'étage de descente sous
rétro-fusées remet les gaz pour s'écarter au maximum du rover jusqu'à épuisement de son carburant, avant de se
crasher à bonne distance.
Source - © 2020 CNES / CNRS
Figure 1. Séquence d'évènements de l'entrée, descente et atterrissage de Perseverance sur Mars.
Il est 21h43 en France, et le signal confirmant les premiers frottements contre l'atmosphère martienne, voyageant
à la vitesse de la lumière, n'a pas encore atteint la Terre ! Si tout se passe bien, entre 21h48 et 21h56, les signaux
successifs confirmant chacune de ces étapes atteindront la Terre, via les orbiteurs martiens relais et les antennes
terrestres du Deep Space Network de la NASA, confirmant un atterrissage réussi du rover baptisé Perseverance
dans un cratère martien nommé “Jezero”.
Quelques repères dans l'exploration de la planète Mars
Le nom du rover de la mission Mars 2020, “Perseverance ”, a été choisi par les ingénieurs et scientifiques
travaillant sur la mission parmi des propositions d'élèves de primaire et secondaire américains. Un nom bien choisi
pour qui connait l'histoire de l'exploration de Mars…
L'histoire de l'exploration de Mars est riche de persévérance ! C'est l'histoire de l'exploration d'une planète, mais
aussi celle de la recherche de vie extraterrestre. À la fin du XIXe siècle, quelques astronomes crurent observer des
lignes à la surface de Mars, ressemblant à des canaux (Figure 2). Elles n'étaient que des artefacts liés à la fois à la
piètre qualité des instruments de l'époque et à des illusions “optiques” de perception (Figure 3). Cela suffit
cependant à faire de Mars la planète reine de la science-fiction, de La Guerre des Mondes de H.G. Wells au
personnage de Marvin le martien , ennemi spatial de Bugs Bunny.
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Source - © 1888 Schiaparelli / nirgal.net Source - © 2007 NASA, ESA, J. Bell (Cornell University) et M.
Wolff (Space Science Institute, Boulder)
Figure 2. Carte de Mars par Schiaparelli, 1888.
Figure 3. Photographie composite de Mars réalisée
On y distingue de nombreuses lignes droites reliant les
avec le télescope spatial Hubble en 2007.
régions sombres, les fameux « canaux » martiens.
On a inversé l'image pour permettre la comparaison
avec la carte de Schiaparelli (le pôle Nord est en bas). Le
bord gauche de la carte de Schiaparelli est à environ un
quart du bord gauche de l'image Hubble, juste à gauche
de la tache sombre équatoriale nommée Syrtis Major .
Aucun canal n'est bien sûr visible sur cette image.
Une planète habitable ?
Une approche plus scientifique de la question de la vie sur Mars pose la question de ce qu'on nomme
l'« habitabilité » de cette planète, c'est-à-dire la capacité de son environnement de surface à permettre à des êtres
vivants de se développer et reproduire. Pour cela il faut trois choses essentielles : les éléments constituant la
majorité des molécules des êtres vivants (C, H, O, N, P , S, surtout), une source d'énergie (le Soleil fait l'affaire, mais
certains composés et réactions chimiques aussi, qui permettent la vie sans lumière) et, surtout, de l'eau liquide, le
solvant dans lequel se fait toute la chimie du vivant. Pour plus de précisions sur la question de l'habitabilité, voir
par exemple Où le système solaire serait-il habitable ? (2018) et Les conditions de la vie, une particularité de la Terre
dans le système solaire ? (2010). Les éléments C, H, O, N, P , S étant très abondants dans l'Univers, on s'attend à les
trouver sur toutes les planètes. Au moins une source d'énergie, le Soleil est accessible à la surface de Mars. L'eau
liquide est donc à priori le facteur limitant. Pour trouver de la vie sur Mars, il faut donc commencer par y trouver de
l'eau liquide. Et ce n'est pas une mince affaire. Pour un aperçu historique de la recherche de l'eau sur Mars, on
pourra se reporter à A-t-on vraiment découvert de l'eau liquide sur Mars ? Décryptage.
Trente ans de yo-yo entre déception et intérêt renouvelé
Les premières sondes spatiales ayant atteint Mars n'ont fait que la survoler, prenant quelques clichés au passage.
Il s'agissait de Mariner 4, 6 et 7, en 1964 et 1969 qui renvoyèrent quelques dizaines de clichés montrant une surface
très “lunaire”, criblée de cratères. Sans une trace d'eau, Mars semblait alors peu intéressante, loin des images
romantiques des Martiens popularisées par la science-fiction.
On persévéra pourtant : en 1971 la mission Mariner 9 réussit à se mettre en orbite autour de Mars et put en
photographier toute la surface avec une résolution kilométrique. On découvrit alors une surface peuplée
d'immenses volcans, de gigantesques fossés tectoniques, de champs de dunes, d'une calotte polaire boréale de glace
d'eau et de poussière et, surtout, de traces d'écoulements liquides ayant sculpté les reliefs sous forme de coulées de
débâcles glaciaires et de réseaux de rivières épars (Figure 4). Toutes ces morphologies, souvent partiellement
effacées, étaient manifestement la trace de processus anciens… car, avec une pression atmosphérique dérisoire
(l'équivalent de celle dans la haute stratosphère terrestre, à 35 km d'altitude !) et des températures glaciales, il n'est
pas possible à l'eau liquide de rester stable actuellement à la surface de Mars. Les missions Viking, arrivées en
orbite en 1976, confirmèrent et affinèrent ces résultats. Elles permirent aussi de poser deux atterrisseurs équipés
d'instruments capables d'analyser le sol et de détecter d'éventuelles formes de vie. Ce fut une déception : aucune
trace de matière organique et, pire, une composition chimique de surface très défavorable, très oxydante, et sans
aucune trace d'altération chimique sous l'effet de l'eau. Mars ne serait-elle qu'une planète hyperaride et “morte”, et
les traces d'écoulements juste le résultat d'épisodes quasi-anecdotiques dans l'histoire de la planète ?
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Source - © 2007 HRSC : ESA / DLR / FU Berlin (G. Neukum) / Google Earth
Figure 4. Capture Google Earth “Mars” d’un réseau hydrographique fossile en amont de Naktong Vallis.
L'image couvre environ 150 km de gauche à droite.
Dans les années 1980 et 90 les échecs purs et simples furent nombreux, mais on persévéra toujours : deux
missions soviétiques furent perdues, respectivement entre la Terre et Mars pour Phobos 1 et seulement 3 mois après
son arrivée pour Phobos 2 ; la mission russo-européenne Mars 96 s'abima dans le Pacifique après son décollage ; et
les missions américaines Mars Observer, Mars Polar Lander et Mars Climate Orbiter, entre 1992 et 2000, furent
également perdues à cause de problèmes techniques.
La persévérance commence à payer
On persévéra cependant encore, à la recherche de plus d'indices d'eau liquide : entre 1997 et 2005 trois missions
américaines et une européenne furent envoyées vers l'orbite martienne : Mars Global Surveyor, Mars Odyssey, Mars
Express et Mars Reconnaissance Orbiter (ces trois dernières fonctionnant toujours !). Elles permirent de
cartographier la morphologie de la surface de Mars jusqu'à l'échelle métrique, la topographie, la minéralogie et les
glaces, en surface et même en profondeur, par radar. En 1997, Mars Pathfinder posa le premier rover martien, alors
un démonstrateur technologique de 10 kg, qui ouvrit la voie aux deux premiers “vrais” rovers géologues sur Mars
– Spirit et Opportunity – de presque 200 kg, posés en 2004, explorèrent deux sites martiens pendant 6 et 14 ans,
parcourant 8 et 45 km de distance ! Et en 2008 la mission Phoenix posa un atterrisseur près du cercle polaire Nord
de Mars.
Ces missions “modernes”, accompagnées de travaux de laboratoire et de modélisation numérique sur Terre,
permirent des progrès continus sur la compréhension du climat martien actuel et passé, et de l'évolution géologique
de la planète. La morphologie de plus en plus détaillée révéla toujours plus de traces d'écoulements d'eau liquide, de
transport et dépôt de sédiments par cette eau, notamment sous forme de deltas se jetant dans des lacs, et une
activité glaciaire importante, issue de la migration des calottes polaires de Mars vers les plus basses latitudes dans
un passé relativement récent, un peu comme les ères glaciaires connues par la Terre lors du dernier million
d'années. Phoenix démontra même la présence de glace d'eau à quelques centimètres de profondeur dans le sous-
sol des régions polaires.
Depuis l'orbite martienne, une des découvertes les plus importantes fut initiée par un instrument français,
l'Observatoire pour la Minéralogie, l'Eau, les Glaces et l'Activité (OMEGA), sur la mission européenne Mars Express :
celle de formations géologiques anciennes contenant des minéraux d'altération aqueuse, c'est-à-dire formés en
présence d'une grande quantité d'eau, et pendant des durées géologiquement significatives : les argiles.
Accompagnant parfois certaines argiles, mais en quantités bien moindres, des carbonates ont également été
détectés. Dans d'autres terrains, plus récents, on détecta des sulfates de fer, magnésium ou calcium.
Bien plus que la trace d'écoulements, ces minéraux d'altération aqueuse, et surtout les argiles, sont la preuve que
de l'eau liquide a été stable à la surface de Mars pendant un temps long, peut-être de l'ordre de millions d'années,
peut-être des centaines de millions !
À la surface de Mars, la persévérance “paya” enfin avec les deux rovers géologues Spirit et Opportunity. Ce dernier
a été envoyé dans l'un des rares endroits de Mars où les instruments déployés jusqu'alors en orbite avaient pu
déceler un indice d'altération aqueuse avec la détection d'hématite, un oxyde de fer, qui, sur Terre, se forme en
abondance, par exemple, dans les sols tropicaux lessivés par l'eau. Une fois au sol, les mesures d'Opportunity ont
mis en évidence des couches sédimentaires, probablement déposées sous forme de dunes et indurées par des
inondations périodiques dans un environnement lagunaire. Ces terrains étaient effectivement riches en hématite,
mais aussi en jarosite, un sulfate de fer ne pouvant se former que par altération par l'eau, mais en conditions acides
(pH 4 et inférieur). Des années plus tard, après avoir franchi la distance d'un marathon, Opportunity finit par
observer des roches plus anciennes, sous-jacentes à celles qu'il avait explorées jusque là, contenant selon toute
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vraisemblance des argiles. Opportunity ne put le confirmer avec certitude, ses instruments n'y étant pas adaptés ou
depuis longtemps hors d'usage. Spirit, envoyé vers le centre d'un large cratère qu'on espérait rempli de sédiments
lacustres n'a trouvé que des coulées de lave les ayant probablement recouverts, mais a pu mettre en évidence
d'autres sulfates de fer acides, de la silice hydratée, et même des carbonates (de fer et magnésium), traduisant là
aussi une altération due à l'eau, mais probablement d'origine hydrothermale magmatique, en périphérie de
systèmes volcaniques réchauffant et faisant circuler l'eau de surface ou phréatique.
Avec Curiosity, enfin, on tenta une deuxième fois, et cette fois avec succès, d'accéder à des sédiments lacustres
déposés au fond d'un grand cratère, avec des instruments conçus pour identifier les minéraux d'altération et la
matière organique. On ne rappellera ici que quelques résultats marquants, parmi d'autres. Curiosity observa des
conglomérats, des grès et des pélites (roches à grains très fins) caractéristiques de dépôts fluviaux, lacustres et
éoliens, indiquant la présence d'eau liquide. On détecta des argiles dans les dépôts sédimentaires, par ailleurs
recoupés de veines de sulfates ayant cristallisé suite à la circulation d'eau en profondeur, dans des conditions non
plus acides, mais neutres ! Curiosity détecta du méthane dans l'atmosphère de Mars, en quantité variable selon la
saison ; or le méthane est naturellement instable sur Mars et cela implique donc un processus actif de production
qui peut être géologique, chimique… ou biologique, et reste pour l'instant non identifié. On détecta aussi un peu de
matière organique dans les roches, mais les premières analyses qui furent faites, en raison de la méthode de
pyrolyse d'abord employée et de la chimie du sol de Mars, très oxydant, n'en révélèrent que les “briques”
élémentaires sans laisser voir sa complexité éventuelle. Il a fallu attendre fin 2017 pour qu'une nouvelle méthode
d'analyse prévue de longue date, la dérivation chimique, commence à être testée, optimisée, et à donner des
résultats prometteurs mais difficiles à interpréter, avec une grande variété de molécules. Les résultats publiés entre
2018 et début 2021 montrent clairement la présence de matière organique sur Mars, mais les molécules
individuellement identifiables (petites molécules soufrées et hydrocarbures aromatiques, notamment (Figure 5))
sont présentes en très petites quantités et il n'est pas absolument certain que tout ou partie d'entre elles ne
proviennent pas des réactifs terrestres introduits au cours d'analyses précédentes, le système ne pouvant hélas pas
être nettoyé à la perfection entre chaque analyse.
Source - © 2018 Eigenbrode et al.
Figure 5. Résultats d’analyses en chromatographie en phase gazeuse de deux échantillons martiens prélevés par
Curiosity.
En haut : A Cumberland 7 et B Mojave, comparés à un témoin à vide Cumberland Blank 2.
En bas : C une analyse de matière analogue réalisée sur Terre pour guider l’interprétation.
Ces analyses montrent la présence de petites molécules soufrées, dont la formule chimique développée est
dessiné au-dessus des pics des chromatogrammes : méthanethiol, diméthylsulfide, etc.
L'essentiel des aventures évoquées ci-dessus est raconté en détail dans le dossier Exploration de Mars par sondes
et robots, dossier qui contient à ce jour 47 articles (les plus anciens datant de 2004, avec l'arrivée de Curiosity et
d'Opportunity). Le bref résumé qu'on en a fait ici amène à cerner les questions qui se posent en ce début 2021, au
moment où Perseverance arrive sur Mars.
Quelques grandes questions à l'ordre du jour en 2020, objectifs de
Perseverance
Il y a eu de l'eau liquide sur Mars, c'est maintenant une certitude étayée par de multiples observations. La matière
organique y est également présente, au moins en petite quantité. Enfin, non seulement le Soleil, mais aussi des
déséquilibres chimiques entre les roches et les solutions aqueuses qui les ont baignées (moteurs de réactions
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spontanées acido-basiques ou d'oxydo-réduction) ont pu fournir des sources d'énergie à d'éventuelles formes de vie.
Tous les ingrédients nécessaires à la vie sont là. Mais des conditions nécessaires ne sont pas suffisantes.
La datation des évènements
Premier problème, essentiel mais jusque là éludé : la chronologie de l'histoire de Mars. En géologie, la chronologie
des évènements est établie par corrélation de formations identiques, de niveaux repères, de fossiles
stratigraphiques, et leur datation établie grâce, notamment, à la datation radiochronologique. Sur Mars, les
marqueurs chronologiques globaux sont rares, ou difficilement identifiables depuis l'orbite. La seule chronologie
relative utilisable est celle déduite des populations de cratères d'impacts à la surface des terrains : en gros, plus il y
a de cratères d'impacts et plus la surface est vieille car plus elle a eu le temps de recevoir d'impacts. On a ainsi
“trié” les terrains de Mars comme formés lors de trois « ères » principales d'après le nombre décroissant d'impacts
les ayant affectés. Les argiles sont omniprésentes dans les terrains très cratérisés de l'ère la plus ancienne, le
Noachien, mais disparaissent dans ceux de la suivante, l'Hespérien. Problème : de quand date la limite ?
Il est impossible de comparer les populations de cratères de Mars avec la Terre, dont la surface est bien plus
jeune. La Lune donne une possibilité car les terrains y sont cratérisés de manière similaire à Mars, et certains ont
été datés grâce aux échantillons rapportés par les missions Apollo. Mais transposer la chronologie de la Lune à
Mars n'est pas trivial et on se retrouve avec des incertitudes de centaines de millions d'années ! C'est ennuyeux car
la limite Noachien/Hespérien sur Mars tomberait vers 3,7 Ga… exactement l'âge des plus anciens fossiles avérés de
vie sur Terre (Figure 6). Si Mars a été habitable jusqu'à 3,7 Ga, on peut espérer y détecter des traces de vie si elle a
émergé sur Mars en même temps que sur Terre, et on pourrait alors imaginer des processus similaires. Mais si la
limite Noachien/Hespérien est plus ancienne ou plus récente de 500 millions d'années (ce qui est possible),
l'interprétation serait plus compliquée !
Source - © 2021 Patrick Thollot
Figure 6. Comparaison des échelles chronostratigraphiques de la Terre et de Mars.
On a défini 3 grandes ères sur Mars d'après les populations de cratères d'impact des terrains, de la plus ancienne
à la plus récente : Noachien, Hespérien, Amazonien. On a aussi remarqué que les terrains du Noachien ont un
substratum plus ancien : on a donc défini une ère correspondante, le Pré-Noachien. D'après les cratères d'impact on
a proposé un calage chronologique “absolu” (mais approximatif, sans doute à 0,5 Ga près) permettant de comparer
avec les “éons” terrestres de l'Hadéen, de l'Archéen, du Protérozoïque et du Phanérozoïque (où la vie pluricellulaire
domine).
On a indiqué avec trois marqueurs rouge, bleu et vert, les âges des exemples terrestres les plus anciens de
cristaux (zircons des Jack Hills en Australie), de vie (carbone isotopiquement léger) et de fossiles (stromatolites
et/ou filaments bactériens microscopiques) connus en 2021.
Cette figure montre que les terrains martiens du Noachien et de l'Hespérien correspondent à la période probable
d'apparition de la vie sur Terre : la même chose s'est-elle produite sur Mars ?
Les géologues ont donc besoin d'âges radiogéniques de la surface de Mars. Malheureusement, pour obtenir des
résultats précis, la radiodatation nécessite des protocoles analytiques et des instruments uniquement réalisables et
disponibles sur Terre. Curiosity a bien tenté, pour la première fois, d'établir un âge potassium-argon dans le cratère
Gale, mais le résultat obtenu (4,2 Ga) a une incertitude telle (intervalle de 700 Ma !) qu'il ne fait que confirmer l'âge
très ancien de la surface de Mars. Il s'agissait par ailleurs d'une roche sédimentaire : son âge radiogénique, hybride
indéfini entre celui de son dépôt et de la cristallisation de ses constituants, est ainsi inexploitable comme marqueur
d'échelle stratigraphique.
Un objectif majeur de la collecte d'échantillons, et de leur retour sur Terre, par Perseverance sera donc de
caractériser au moins une, sinon deux (ou plus !), formations géologiques dont les positions stratigraphiques
relatives seront clairement établies (laquelle précède laquelle), dont les populations de cratères d'impacts seront
mesurables et dont les échantillons seront radiodatables : typiquement des dépôts volcaniques comme des coulées
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de lave.
La caractérisation des roches et des conditions de leur formation et altération
Spirit, Opportunity et Curiosity ont analysé de nombreux affleurements de roches altérées par l'eau. Cependant les
instruments embarqués n'ont pas permis d'établir l'histoire complète des roches. On a leur structure
macroscopique et leur texture « à la loupe », une part de leur composition élémentaire (avec un peu d'incertitude sur
certains éléments) et une part de leur composition minéralogique (selon les instruments, soit les minéraux ferreux,
soit bien cristallisés, etc.), mais jamais la totalité des informations à la même échelle. Ainsi, par exemple, les
analyses minéralogiques de Curiosity révèlent une proportion souvent importante (jusqu'à presque trois quarts !) de
phases « amorphes », mal cristallisées, dont on ne peut que déduire la composition chimique en croisant les
identifications d'éléments et de minéraux cristallisés détectables.
Deuxième objectif donc : documenter le contexte d'échantillons de formations géologiques caractéristiques
(coulées de lave, dépôts de cendres, ou hydrothermaux, dépôts sédimentaires aquatiques ou éoliens, etc.), les
prélever et les ramener sur Terre afin de permettre l'accès à la fois à la texture microscopique et à leur composition
précise, élémentaire, minéralogique, et isotopique. Cela devrait permettre un bon en avant dans la compréhension
des processus d'altération que ces roches ont subi, et donc des conditions environnementales lors de leur formation.
En clair, répondre fermement à la question : Mars était-elle habitable lors de la formation de ces roches ?
Corollaire à cet objectif, caractériser les conditions de formation primaires des roches, qu'elles aient été altérées
ensuite ou non. Les roches magmatiques martiennes, par exemple, ont beaucoup à nous apprendre sur les
processus internes qui gouvernent l'activité géologique de toutes les planètes, y compris la Terre.
La caractérisation de la matière organique, voire de traces de vie
Des missions Viking à Curiosity, en passant par Phoenix, la question de la matière organique martienne n'a pas
trouvé de réponse définitive. Dans tous les cas, l'analyse de matière organique a été tentée à partir d'échantillons de
sol ou de roche affleurante réduite en poudre, et basée sur une première étape de pyrolyse qui a pour but de briser
les grosses molécules solides en petites molécules volatiles ensuite analysées en phase gazeuse. Problème : sous
l'effet de la chaleur, d'autres composés chimiques présents sur Mars, comme les très oxydants perchlorates,
sulfates, etc., peuvent réagir avec les molécules organiques. Résultat : si, comme décrit plus haut, la présence de
macromolécules organiques est avérée, leur analyse n'a pour l'instant permis l'identification fine que de molécules
relativement simples, et probablement secondairement modifiées, comme les choro-alcanes, le chloro-benzène et
les thiophènes (molécules soufrées) vus par Curiosity. Même si des progrès dans les analyses sont toujours en cours
avec Curiosity, il est nécessaire d'aller plus loin.
Troisième objectif : Perseverance va repérer et caractériser la matière organique solide dans les formations
sédimentaires sans la détruire grâce à ses spectromètres Raman (cf. La spectroscopie Raman, une méthode
d'analyse minéralogique non destructive pouvant être mise en œuvre in situ ), et prélever ensuite des échantillons
en contenant pour les retourner sur Terre. Sur Terre, toutes les méthodes d'analyse disponibles en laboratoire
pourront être appliquées pour caractériser la chimie, la chiralité (asymétrie), la composition isotopique, voire les
séquences éventuelles des macromolécules organiques.
Dans l'éventualité où Perseverance découvrirait des traces macroscopiques potentiellement interprétables
comme fossiles (des stromatolithes, comme les plus vieux fossiles terrestres), leur documentation et
échantillonnage deviendrait bien entendu une priorité !
Le site d'atterrissage de Jezero, en bref
Le site d'atterrissage choisi pour Perseverance se trouve dans une région de Mars qui a les faveurs des
planétologues depuis une quinzaine d'années : le région de Nili Fossae (Figure 7).
Source - © 2020 Mandon et al.
https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/Perseverance-fevrier-2021.xml - Version du 07/04/218/13
Figure 7. Situation du cratère Jezero et de la région de Nili Fossae sur une carte topographique de Mars en fausses
couleurs.
L'une des plus anciennes, car très cratérisée, c'est aussi l'une de celles où la surface est la mieux exposée aux
études orbitales car, pour des raisons essentiellement météorologiques, elle est très peu recouverte par la poussière
rouge omniprésente sur Mars et au contraire en érosion active, bien que modérée, une érosion qui “rafraichit”
naturellement les affleurements. La région de Nili Fossae présente aussi un “combo” gagnant de morphologies
volcaniques (coulées de laves, dépôts pyroclatiques, volcans), sédimentaires (chenaux de rivières, dépôts stratifiés,
buttes témoins, deltas), et marqueurs minéralogiques (minéraux primaires magmatiques et d'altération aqueuse,
dont les argiles et les carbonates laissant espérer la possibilité de comprendre l'ensemble des processus
géologiques, pas seulement la dernière étape).
Un système sédimentaire habitable ?
Le site choisi pour Perseverance , un temps en ballottage avec un autre de la même région, a été le cratère Jezero.
Celui-ciF ”coche” plusieurs cases qui laissent espérer une mission fructueuse. En premier lieu, la présence d'un
delta (Figure 8), formé par les dépôts de sédiments drainés depuis un bassin versant couvrant l'ensemble des
formations de Nili Fossae, dans un lac ayant occupé ce cratère pendant un temps suffisant pour que ce delta, de
plusieurs kilomètres de long et de large, se forme. La présence d'un lac et de sédiments deltaïques laisse présager la
présence de matière organique particulaire piégée au sein des sédiments du delta, comme c'est le cas sur Terre. La
présence d'argiles et de carbonates (Figure 8) sur ce qui semble avoir été la ligne de rivage du lac laisse même
envisager la présence de dépôts minéralogiques contemporains du lac, éventuellement d'origine biologique.
Deuxièmement, l'origine des sédiments du delta laisse l'espoir, même si le rover se trouve par malchance dans
l'incapacité d'explorer les terrains en amont, d'en avoir des échantillons qui permettront, peut-être, de reconstituer
une partie de leur histoire. Troisièmement, le delta semble déposé sur, ou englobé par – il faudra vérifier sur place –
une coulée de lave avec une certaine population de cratères d'impacts et qui devrait pouvoir être radiodatée par
retour d'échantillon sur Terre : cela permettrait une première calibration absolue de la stratigraphie martienne.
Source - © 2015 D'après Goudge et al.
Figure 8. Imagerie orbitale et analyse spectroscopique du delta du cratère Jezero.
Imagerie de Jezero en vue large en “a” et un détail en “e”. Analyse spectroscopique en réflectance proche
infrarouge : en “b” l'imagerie est colorisée selon les détections d'argiles et de carbonates, dont les spectres sont
montrés en “d”. En comparant avec des spectres de laboratoire obtenus sur Terre (à droite) on constate que le
spectre 1 (et peut-être le 3) révèle un carbonate de magnésium, la magnésite, associé à de l'olivine (“fayalite” ici) ou
à un carbonate de fer, la sidérite. Les spectres 2 à 4 montrent des absorptions indiquant la contribution d'argiles
ferromagnésiennes comme la saponite (Mg) et la nontronite (Fe).
Des progrès techniques améliorent l'exploration scientifique
Pourquoi un site si intéressant n'a-t-il jamais été exploré ? D'abord, les connaissances sur cette région se sont
accumulées : quasi-inexistantes à l'époque des roversSpirit et Opportunity, elles étaient encore trop débattues à
l'époque du choix du site de Curiosity pour emporter la décision. Mais, surtout, l'aire d'atterrissage disponible est
petite, et jusqu'à Mars 2020 aucun système d'atterrissage ne pouvait espérer s'y poser sans risquer la perte du rover
avec une trop grande probabilité.
La démonstration du système d'atterrissage de Curiosity en 2012 a validé l'essentiel des choix techniques de
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premier ordre et permis aux ingénieurs de développer deux nouveaux systèmes de guidage de précision. Le range
trigger ajuste le moment du déploiement du parachute en fonction de la perception exacte de l'entrée
atmosphérique subie par la capsule, et non via un simple chronomètre, ce qui permet de réduire l'ellipse
d'atterrissage (cette zone d'incertitude de position dans laquelle le rover va atterrir) de 25×20 km pour Curiosity à un
peu moins de 8×7 km : une surface 10 fois plus petite et d'une précision remarquable par rapport aux missions
précédentes (Figure 9) ! En plus, le système de “navigation relative au terrain” (TRN) va utiliser un algorithme de
pilotage “intelligent” lors de la phase rétro-propulsée pour éviter les obstacles sur la zone où, dans l'ellipse, le
système va se retrouver après la phase de parachute : en comparant le terrain vu par une caméra avec une carte
enregistrée contenant les zones à éviter (rochers, escarpements) et les zones propices à l'atterrissage, le TRN
dirigera Perseverance vers une zone d'atterrissage sans danger sur jusqu'à 700 m de distance et à 10-20 m près, « à
la Neil Armstrong » – une allusion à la manœuvre réalisée lors du premier alunissage habité, le pilote, Neil
Armstrong, évitant manuellement à la dernière minute le champ de rochers vers lequel l'ordinateur de guidage le
dirigeait initialement.
Ces deux nouveaux systèmes permettent l'accès à des sites auparavant “interdits” car trop risqués, dont les
terrains de la région de Nili Fossae , comme Jezero.
Source - © 2020 D'après NASA / JPL-Caltech
Figure 9. Dimension de l'ellipse d'atterrissage de Perseverance dans Jezero Crater, comparée avec les ellipses de
Curiosity, Phoenix et Mars Pathfinder.
Avec un peu moins de 8×7 km contre 25×20 km pour Curiosity, l'ellipse de Perseverance occupe une surface 10
fois plus petite et permet d'atterrir sur un site régionalement bien plus accidenté.
Le rover Perseverance et ses instruments
Perseverance a la taille d'une petite voiture (3 m de long, 2,7 m de large, 2,2 m de haut) et pèse un peu plus d'une
tonne sur la balance (terrestre, du moins, car sur Mars il afficherait seulement 400 kg en raison de la gravité plus
faible). C'est un poids similaire, bien qu'un peu plus élevé, au précédent, Curiosity, arrivé sur Mars en aout 2012 et
toujours vaillant. C'est logique car Perseverance en reprend la majorité des choix techniques, avec quelques petits
ajustements. Par exemple, les roues ont été renforcées, ainsi que le bras articulé (dont la “main” chargée d'outils est
50 % plus lourde). Mais, surtout, les instruments embarqués ne sont pas les mêmes, tout simplement car la mission
de Perseverance n'est pas la même que celle de Curiosity. Si des instruments aux capacités équivalentes sont
logiquement présents sur les deux rovers pour assurer certaines fonctions d'investigation “universelles” sur le
terrain, d'autres équipements ont radicalement changé. En effet, d'une part de nouvelles méthodes vont permettre
d'obtenir les mêmes informations (et plus) avec des instruments plus légers, et d'autre part les échantillons étudiés
par Perseverance sont destinés à être rapportés sur Terre, où ils pourront alors être soumis à toutes les analyses
disponibles sur Terre aujourd'hui, et dans les décennies à venir. Il n'est donc pas nécessaire d'obtenir le maximum
de réponses possibles in situ , sur Mars, mais seulement d'avoir les réponses suffisantes à la compréhension du
contexte géologique et à la sélection des échantillons pertinents à rapporter sur Terre.
Quelques disparus
Parmi les instruments phares de Curiosity, utilisés pour analyser les échantillons en poudre prélevés par forage,
exit le diffractomètre aux rayons X “CheMin” (Chemistry and Mineralogy ) utilisé pour révéler la minéralogie, ainsi
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que l'instrument phare de Curiosity, le système “ SAM” (Sample Analysis at Mars ) de chromatographie en phase
gazeuse, spectromètre de masse, et spectromètre laser permettant d'étudier la composition élémentaire et
isotopique de l'atmosphère et des volatils présents dans les roches (dont l'eau et la matière organique). La
minéralogie et les composés organiques pourront être en partie identifiés par des spectromètres Raman
nouvellement ajoutés. Pour le reste, et bien plus, c'est sur Terre, suite au retour des échantillons, que les études
détaillées seront menées, bien plus précises et diverses qu'il n'a été possible de le faire avec Curiosity ou les rovers
l'ayant précédé.
Quelques autres instruments ont laissé leur place, comme le détecteur à neutrons capable d'estimer la teneur en
eau des minéraux du sous-sol immédiat et le détecteur de rayonnements ionisants qui visait, sur Curiosity à
connaitre les dangers des rayonnements en route vers et à la surface de Mars pour de futurs explorateurs humains.
De vieilles connaissances en version 2.0
On retrouve sur Perseverance les caméras haute définition (1600×1200 pixels) montées sur le mat, Mastcam, mais
dans un version maintenant équipée d'un système de zoom, Mastcam-Z, en stéréo (2 objectifs zoom), contre 2
objectifs à focales fixes sur Curiosity. Le champ de vue des images correspondrait à ceux obtenus avec un objectif
photo “plein format” de 85 à 300 mm de focale. Pour les photographes, les capteurs font la taille des petits capteurs
dits « 1 pouce » des appareils compacts mais avec la taille des pixels des capteurs plein format, d'où leur résolution
relativement “basse” par rapport à nos appareils photos modernes. Mais Mastcam-Z fera essentiellement des
photos statiques de paysages, permettant de construire des mosaïques panoramiques à bien plus haute résolution
que celle d'une image individuelle. Il sera également possible de réaliser des vidéos à quelques images par seconde,
pour voir passer des tourbillons de poussière, ou suivre les premiers vols de l'hélicoptère démonstrateur Ingenuity
(voir plus bas).
Le spectromètre à ablation laser, ChemCam , de Curiosity est devenu SuperCam sur Perseverance . La partie
optique de SuperCam , formant l'essentiel de la “tête” de Perseverance , est française et a été conçue et construite à
l'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie, IRAP, de Toulouse. À ce titre, l'instrument sera contrôlé
environ 50 % du temps par une équipe française qui comprend des ingénieurs du CNES ainsi qu'une quarantaine de
scientifiques provenant de différents laboratoires en France, dont 4 du Laboratoire de Géologie de Lyon.
SuperCam reprend d'abord les capacités de ChemCam , un spectromètre élémentaire à émission de plasma généré
par ablation laser : un laser infrarouge pulsé est projeté à distance (2 à 7 m) sur une roche à analyser, vaporisant un
minuscule volume de roche (sur environ 1/2 mm de large) et formant un plasma lumineux : la lumière de ce plasma
est alors captée par un petit télescope et dispersée en longueur d'onde de l'ultraviolet au très proche infrarouge (250
à 850 nm) afin d'obtenir un spectre. Les spectres obtenus sont analysés à la recherche de pics d'émission de
lumière à des longueurs d'onde précises, spécifiques de chaque élément. On obtient ainsi la composition
élémentaire de la zone de roche vaporisée. En prime, comme sur ChemCam , le télescope de SuperCam permet de
réaliser de petites images de la zone analysée avec un niveau de zoom encore plus important que les Mastcam
(champ de vision d'environ 1°, comparable à un téléobjectif de 1000 mm !) et maintenant en couleurs (ChemCam le
faisait en noir et blanc). Enfin, le spectromètre fonctionne aussi en mode “passif” en dispersant en longueur d'onde
la lumière du Soleil réfléchie par les affleurements, ce qui donne accès à une partie de leur minéralogie, comme les
oxydes de fer.
SuperCam ajoute deux composantes essentielles à ChemCam . Il y a d'abord un spectromètre à infrarouge à plus
grande longueur d'onde pour le mode passif permettant de détecter une plus grande diversité minéralogique,
notamment les minéraux d'altération comme les argiles, sulfates ou carbonates, cibles prioritaires de Perseverance .
Ensuite, en utilisant le laser à la moitié de sa longueur d'onde initiale (d'infrarouge il devient vert), SuperCam
devient un spectromètre “Raman”. Les photons du laser vert interagissent avec les molécules que le laser touche,
mais sans les vaporiser, et sont en partie rétrodiffusés vers SuperCam mais avec une longueur d'onde modifiée par
ce qu'on appelle « l'effet Raman » : l'analyse du spectre de cette lumière Raman permet de connaitre la minéralogie
et la nature des molécules organiques, s'il y en a, dans la zone touchée par le laser (pour une explication plus
détaillée de la spectroscopie Raman, voir La spectroscopie Raman, une méthode d'analyse minéralogique non
destructive pouvant être mise en œuvre in situ). Enfin un micro écoutera le bruit des impacts du laser d'ablation sur
les affleurements, dont on espère tirer une information supplémentaire sur la dureté des roches ou la présence
éventuelle de vernis d'altération. SuperCam est donc l'instrument majeur et incontournable de repérage des
affleurements sur le terrain à quelques mètres autour du rover. Sur la base de ses mesures, les scientifiques pilotant
Perseverance dirigeront alors son bras et sa main instrumentée pour analyser de plus près les affleurements
choisis.
https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/Perseverance-fevrier-2021.xml - Version du 07/04/2111/13 Parmi les instruments reconduits, bien que non “géologiques”, on notera qu'une station météorologique est toujours de la partie, avec une suite de capteurs de pression, température et vents, contribution espagnole, baptisée MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyzer) et remplaçant l'équivalent REMS (Rover Environmental Monitoring Station) sur Curiosity. Des remplaçants plus performants Les instruments portés par le bras de Perseverance ont totalement changé par rapport à Curiosity. La foreuse de Curiosity, qui réduisait en poudre les échantillons pour l'apporter aux instruments d'analyse sur le pont du rover, a été remplacée par une carotteuse (rotative et à percussion, comme la précédente) et les instruments à bord par un système de stockage de tubes à échantillons (43 tubes, dont 5 témoins qui resteront inutilisés). La carotteuse sera utilisée avec un tube glissé à l'intérieur, qui recevra l'échantillon, et sera ensuite déposé dans une unité de traitement installée sur le pont du rover. Cette unité pourra mesurer le volume de l'échantillon, le photographier, le sceller et le stocker. Ces systèmes de prélèvement, vérification et stockage d'échantillons constituent réellement l'« instrument majeur » de Perseverance , avec plus de 100 kg de charge utile allouée sur la tonne que pèse l'ensemble du rover, ce qui est un record pour un instrument de mission spatiale ! Pour voir le système d'échantillonnage de Perseverance à l'œuvre, la NASA a mis en ligne une vidéo montrant des tests sur Terre et des animations de synthèse de son opération sur Mars. Les instruments d'analyse au contact pour observer de près en “macro” et connaitre la composition chimique ont aussi été changés mais remplissent les mêmes fonctions, en allant plus loin. Pour l'imagerie macro, l'instrument SHERLOC reprend la fonction “loupe” de Curiosity, avec une caméra inévitablement baptisée WATSON, et y ajoute un spectromètre Raman un peu différent de SuperCam , conçu essentiellement pour détecter et caractériser la matière organique, et qui permettra aussi d'identifier des minéraux d'altération. Pour la composition élémentaire, le « vieux fidèle » instrument APXS (spectromètre X à émission de particules alpha), qui a équipé tous les robots géologues martiens depuis le petit Sojourner en 1997, cède la place à l'instrument PIXL. Basé sur le même principe physique (la fluorescence X) mais obtenue différemment, PIXL permettra des analyses plus rapides, en quelques secondes à minutes par point de mesure alors que l'APXS faisait une unique mesure moyenne en quelques heures ! La précision de visée des mesures sera inférieure au millimètre et, surtout, ces analyses seront associées à une image de la surface analysée et pourront être faites en la quadrillant, produisant de véritables “cartes” des éléments présents à la surface des affleurements. Bien sûr, l'acquisition de cartes détaillées de dizaines ou centaines de points de mesure nécessitera plusieurs heures et ne sera sans doute réservée qu'aux affleurements les plus prometteurs. Le positionnement millimétrique des analyses de SHERLOC et PIXL (et aussi de SuperCam ) permettra d'identifier les endroits précis les plus propices au prélèvement d'échantillons à ramener sur Terre, et de replacer ces prélèvements de manière fine dans leur contexte géologique. Une nouvelle recrue Un radar géologique, ou géoradar, nommé Rimfax, est accroché à l'arrière de Perseverance , sous le rover. Connu aussi sous l'acronyme anglais de GPR (Ground-Penetrating Radar), ce type d'instrument est devenu relativement courant en géotechnique depuis la fin des années 1990, notamment pour sonder les routes, équipements souterrains ou dalles en béton, mais aussi les terrains naturels. Avec Perseverance , c'est la première fois qu'un GPR est envoyé sur Mars, damant au passage le pion au rover européen ExoMars : le projet ExoMars avait eu l'idée d'en embarquer un plus précocement mais après de multiples reports, ce rover ne devrait partir qu'en 2022. Collaboration avec une équipe norvégienne, Rimfax devrait permettre de distinguer les couches géologiques en profondeur sous le rover jusqu'à une dizaine de mètres, aidant ainsi à reconstituer localement la géométrie des contacts entre différentes unités. En effet, il est souvent délicat sur le terrain de conclure avec certitude aux positions relatives de certaines formations géologiques en raison de l'absence de contacts nets mis à l'affleurement : il suffit de quelques centimètres de dépôts superficiels (éboulis, sable, poussière) pour rendre impossible la distinction entre une unité A posée sur une unité B et une unité B mise en place par dessus l'unité A, empêchant de reconstituer une chronologie relative fiable. Sur Terre il suffit souvent de dégager le terrain avec un peu d'huile de coude et quelques coups de marteau, mais Perseverance en étant incapable, c'est le GPR qui sera utilisé pour répondre aux questions sur la géométrie relative des unités. Des démonstrateurs technologiques À côté des instruments d'exploration géologique, on trouve deux systèmes qui sont des démonstrateurs https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/Perseverance-fevrier-2021.xml - Version du 07/04/21
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