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Traces d'eau à la surface de Mars

Carte de la distribution globale des flux de neutrons de moyenne énergie, dits épithermiques, à la surface de Mars. Les zones bleues, dont la région du pôle Sud, sont riches en hydrogène; il absorbe mieux les neutrons que les éléments plus lourds. Une explication serait que cette région contiendrait de la glace d'eau, une hypothèse à vérifier sur le terrain. Document GSFC/RST.

Le soufre et l'eau salée (II)

Parmi les découvertes les plus importantes de la mission MER il y eut les données minéralogiques récoltées par les deux spectromètres fixés sur le bras robot d'Opportunity. 

Lorsque le spectromètre à particule alpha et rayons X (APXS fonctionnant avec du Curium-244) se plongea dans l'ombre des trous forés par le RAT (Rock Abrasion Tool) d'Opportunity, il détecta "une énorme quantité de soufre", rapporta Squyres. Trop dit-il, pour s'expliquer par un autre mécanisme que celui de l'eau qui seule peut engendrer un tel apport de sels soufrés. "C'est le signe révélateur de l'eau liquide" conclut-il.

Pour Benton Clark de l'équipe scientifique MER, "Nous interprétons ce soufre comme un réel composant soufré. Et le sel auquel nous pensons est probablement le sulfate de magnésie". Cet élément peut se trouver dans toute droguerie : ce sont les fameux sels anglais ou sels d'Epsom (sulfate de magnésium). Ce minéral est présent sur Mars, vraisemblablement sous forme de kiesérite (MgSO4H2O), connu comme fertilisant, une forme évidemment déshydratée de ce sel.

Le spectromètre Mössbauer d'Opportunity confirma la présence de soufre lorsqu'il détecta de la jarosite. Ce minerai est une hydrate de fer soufré; il se forme dans l'interaction du fer, du soufre et de l'eau. "Parce qu'il s'agit d'une hydrate soufrée, nous dit Squyres, vous devez avoir de l'eau alentour pour le fabriquer". Bien que l'élément soit rare sur Terre, certains scientifiques prédisent qu'on pourrait en trouver sur Mars.

Questions ouvertes

La combinaison de ces différents indices conduit l'équipe scientifique de MER à conclure avec confiance que l'eau a bel et bien altéré les roches et a donné naissance à la Corniche d'Opportunity (tel est le nom donné à l'affleurement). Mais ces découvertes d'altération par de l'eau n'impliquent pas nécessairement que la surface martienne était plus chaude et plus humide qu'aujourd'hui, ni plus que de l'eau liquide ait jamais été présente à la surface de Mars. De l'eau liquide a pu percoler à travers la roche, et dans le sous-sol, même lorsque la surface de Mars était gelée et son atmosphère trop mince pour conserver de l'eau liquide dans un état stable au-dessus du sol.

Aucune de ces découvertes ne révèle d'information sur l'époque à laquelle ces altérations eurent lieu ou durant combien de temps. Selon Squyres, répondre à ces questions nécessitera sans doute de ramener ces échantillons sur Terre, où ils pourront être étudiés avec des instruments de laboratoire plus sophistiqués que ceux à notre disposition sur Mars.

Ces spectres obtenus au spectromètre APXS présentent la composition chimique d'un rocher surnommé "McKittrick" situé près du site d'atterrissage d'Opportunity dans Meridiani Planum. Il contient de plus fortes concentrations de soufre et de brome qu'un échantillon voisin surnommé "Tarmac". Les intensités sont indiquées sur une échelle logarithmique. Document NASA/JPL/Cornell/Max Planck Institute.

Parmi les données les plus significatives, aucune ne fournit de preuve formelle que la structure rocheuse fut originellement formée par l'action de l'eau. Certains membres de l'équipe MER spéculent et considèrent que tout l'affleurement consiste en un empilement de sédiments salés qui se sont évaporés et qui se sont déposés lorsque le fond de cette ancienne mer ou de ce lac s'est asséché.

Pour renforcer cette hypothèse, Clark note que la concentration total de sels à certains endroits d'El Capitan peut atteindre 40 %, une salinité bien plus élevée que celle de nos mers terrestres (3.5 % en moyenne avec un record de 27.5 % dans la mer Morte).

Sur Terre, la seule manière d'obtenir une telle concentration de sel (chlorure de sodium) est qu'il soit dissout dans l'eau de mer et d'attendre que l'eau s'évapore comme on le fait dans les marais salants.

Le chlore et le brome détectés dans El Capitan supportent également l'idée que l'affleurement s'est formé par évaporation. Deux formes géologiques d'apparence bien distinctes sont visibles dans les roches d'El Capitan. Des analyses ont confirmé qu'elles différaient également par leur composition. Le soufre est présent en plus forte concentration dans la partie supérieure, dans une roche baptisée Guadalupe. La plus forte concentration de brome et de chlore se trouve d'un autre côté, dans la roche baptisée McKittrick, située dans la partie inférieure.

C'est ce que les scientifiques dénomment une "séquence d'évaporation". Selon Clark, elle se produit lorsque vous êtes en présence d'eau salée qui précipite à mesure l'eau s'évapore. "Chaque type de sel va précipiter à une époque bien déterminée à un niveau particulier".

Mais il y a un défaut dans cette idée. Selon Squyres, il est difficile de trouver à ce stade des recherches un bassin bien délimité dans lequel l'eau aurait pu être confinée. Mais la topographie de la région de Meridiani a pu également subir des transformations depuis que l'affleurement s'est formé. Aussi dit-il, "Je ne pense pas que l'absence de bassin visible soit un argument majeur allant contre l'idée que ces roches aient baignées dans de l'eau liquide". Mais tous les chercheurs sont également d'accord pour considérer que la réponse ne leur appartient pas encore.

Rappelons à ceux qui douteraient que l'on puisse découvrir du sel sur une autre planète que la Terre, que les chercheurs du centre JSC de la NASA ont déjà récolté plusieurs météorites contenant des cristaux de sel extraterrestres : ils en ont trouvé dans Monahans, une lithoïde tombée au Texas, Nakhla qui tomba en Egypte ainsi que dans quelques autres plus récemment. Voici une image microscopique de ces cristaux de sel. L'eau martienne fut-elle jadis de l'eau de mer ?... Seul l'avenir le dira.

La Dernière Chance et le Bol de Myrtilles

Pouvoir répondre à la question de savoir si de l'eau liquide a existé sur Mars est l'une des priorités de la mission d'Opportunity. S'il s'avère que l'affleurement est une colonne évaporée, ses implications scientifiques peuvent nous conduire très loin. Cela signifierait que de l'eau liquide a existé sous une forme stable à la surface de la planète, que Mars fut à une époque de son passé, plus chaude et plus humide qu'elle n'est aujourd'hui.

John Grotzinger, de l'équipe scientifique MER avait l'espoir qu'Opportunity répondrait à ces questions en atteigant le rocher " Last Chance" situé à l'extrémité droite de l'affleurement. En effet, les images panoramiques indiquaient que ce rocher présentait des strates différemment inclinées connues sous le vocable de litières ou d'enrochements croisés (cross-beddings).

A gauche, le site El Capitan près duquel la sonde Opportunity a atterri contient des concrétions, des objets spiralés et des composés salés a priori formés par évaporation. Le robot pouvant parcourir une centaine de mètre par jour, les scientifiques espèrent prospecter de nombreux sites et découvrir de nouveaux indices en faveur de l'eau liquide. A droite, Des rides de stratifications croisées. A la base de la roche, les strates profondes d'un ou deux centimètres présentent une déclivité vers la droite. Dans le coin supérieur droit de la roche on aperçoit une forme légèrement concave. Ces deux détails géologiques font penser à des ondulations. Bien que ces rides puissent être formées par le vent ou les gaz volcaniques, elles présentent rarement des lignes de crêtes sinueuses et jamais de formes raides inclinées sur une aussi petite échelle. Ces rides ont peut-être été formées par de l'eau et le mouvement lent des vagues. Documents NASA/JPL/Cornell.

Ces strates apparaissent typiquement dans des couches de sédiments déposées par l'eau, résultant du va et vient des vagues à travers un lac ou sur le lit d'une rivière. Ces vagues se déplacent lentement, à des vitesses comprises entre 10 et 40 cm/sec (moins de 1.5 km/h) selon Grotzinger. Néanmoins, ces strates peuvent également se former lorsque des sédiments sont déplacés par la force du vent ou par les gaz issus d'évents volcaniques. En examinant les strates de "Last Chance" au microscope, les scientifiques espèrent être en mesure d'isoler une hypothèse plutôt qu'une autre.

Après avoir étudié "Last Chance", Opportunity se dirigea vers la limite occidentale de l'affleurement pour tenter d'en savoir plus sur la composition des fameuses sphérules. Il existe en effet à cet endroit une petite dépression dans la roche que l'on baptisa le "Bol de Myrtilles" (Blueberry Bowl) car il est rempli de toutes petites sphères. Elles sont ferreuses et riches en hématite. A ce jour il est difficile de savoir si c'est le vent, l'eau ou un impact  météoritique qui a rassemblé toutes ces petites billes à cet endroit. L'hypothèse d'une percolation d'eau à travers des roches poreuses semble retenue par le JPL.

S'il apparaissait que cette zone contient des concrétions, on pourrait sérieusement imaginer que toute la région a peut-être baigné dans de l'eau salée et a subit le ressac des vagues.

L'une des cinq zones riches en sphérules est appelée "Neopolitain" parce qu'elle se trouve au point de contact de trois types de sol différents. Une partie sombre bordant une zone plus claire se trouve près de l'empreinte laissée par les airbags du rover qui recouvre encore un autre type de roche. La partie sombre recouvre une zone de fines particules de sable et présente des caractéristiques basaltiques. Certains endroits contiennent des vésicules formées par le refroidissement de la lave. La partie claire appelée "vanille" contient de nombreuses sphérules et de fines particules transportées par le vent.

Trois images microscopiques prises par Opportunity. A gauche, des grains de différentes tailles. Au centre, des strates peut-être produites par de l'eau liquide. A droite, lors de la croissance des cristaux de sels, les roches ont été repoussées et la chimie de l'eau les a dissout ou les a érodés, laissant des échancrures à la surface de la roche. Documents NASA/JPL/Cornell.

La question est maintenant de savoir si les "myrtilles" sont jonchées à travers toute la plaine, entre les cratères Eagle et Endurance distants de 700 mètres.

Selon Ray Arvidson de l'Université de Washington, si nous faisons l'hypothèse qu'il existait à cet endroit un océan peu profond, nous devons prendre une plus large perspective pour apprécier son histoire. La région de Meridiani planum présente les caractéristiques d'un environnement marin, bien qu'il soit très acide (rappelons que dans le cratère Eagle la concentration en sels et acide atteint 40 %, semblable aux sels d'Epsom ou au sulfate de magnésium). Dans ce cadre, si l'équipe MER pouvait trouver une paroi verticale et analyser ses différentes couches, on en apprendrait beaucoup plus sur le passé géologique de cette région. Ceci clôturera la première phase de la mission d'Opportunity.

L'hématite

La grande région de Terra Meridiani (3°S à 0°N de latitude et 352°E à 1°E de longitude) s'étend sur des milliers de kilomètres dans la région équatoriale de Mars. C'est une zone rocheuse qui peut être comparée aux terres de l'Utah ou du nord de l'Arizona. Ce patchwork de régions claires et sombres semble avoir subit tous les phénomènes météorologiques et géologiques : du volcanisme, de la sédimentation, l'érosion par les vents, et elle dû faire partie de l'écorce historique primitive de Mars. Mais elle est remarquablement exempte de cratères ce qui intrigua les scientifiques se demandant quelle force avait pu former cette région ? La relative absence de cratères d'impacts récents laisse à penser que cette région est relativement jeune.

A gauche, exemple typique de sphérules ressemblant à des myrtilles découvertes par Opportunity dans une dépression sur le site de Meridiani Planum le 11 mars 2004. Au centre, image composite en fausses couleurs du "Patio de Shoemaker" proche du site d'atterrissage d'Opportunity où l'on retrouve les mêmes myrtilles. Ci-dessous, des concrétions amalgamées. Il s'agirait de structures minérales formées par percolation d'eau à travers des roches poreuses. Documents NASA/JPL/Cornell.

Plus intéressant encore, Terra Meridiani est riche d'un minerai cristallin gris, l'hématite. Considéré comme l'une des découvertes majeures de la mission Mars Global Surveyor, l'hématite se concentre principalement autour de Terra Meridiani. Sur Terre, l'hématite est presque toujours associée à de l'eau ayant filtrée à travers le sol lui donnant ces proportions uniques de matière cristalline. Mais dans certains échantillons terrestres (Chili et Mexique), des fluides riches en fer peuvent également donner naissance à des dépôts similaires à ceux découverts sur Mars, même en l'absence d'eau. Selon Brian Hynek de l'Université Washington à St Louis, ce minerai a pu se former par oxydation (rouille) des flots de lave, suivi d'une précipitation et d'une sédimentation par des flots fluides beaucoup plus tard.

Ce n'est que lorsque Opportunity commença à gravir les parois du cratère dans lequel il atterrit qu'il put explorer les champs d'hématite qui avaient attiré les scientifiques dans Meridiani planum. L'équipe de MER espère toujours découvrir si l'hématite, qui est plus jeune que l'affleurement, a également une "histoire d'eau" à nous raconter, et quelle peut être sa relation avec la Corniche d'Opportunity.

Pour Squyres, "c'est le premier rocher que nous avons découvert en ouvrant les yeux, et il est juste à 10 mètres de l'endroit où la sonde a atterri. Or il peut y avoir de bien plus belles choses alentour. Aussi si nous prenons plaisir à travailler sur chaque centimètre de cet affleurement, nous allons également aller voir plus loin pour découvrir d'autres choses." Le 3 mai 2004, au 94e sol de la mission MER, après avoir progressé durant 6 semaines dans une morne plaine, Opportunity atteignait le versant ouest du cratère Endurance de 130 m de diamètre. Il offrait une paroi assez raide plongeant plusieurs mètres en contre-bas. Endurance est composé de la même matière que la Corniche analysée quelques temps plus tôt par Opportunity.

A voir : Curiosity Rover Report (August 5, 2016): Four Years on Mars, NASA/JPL

Les roches stratifiées et comblées de sédiments sur les sites de Kimberley exploré par le rover Curiosity le 25 mars 2014 (gauche) et de "Whale rock" (droite) exploré le 2 novembre 2014 situés aux pieds du Mt Sharp culminant à 5500 m au centre du cratère Gale. Il fut une époque où toute cette région était comblée par un lac. La balance des couleurs a été établie sur une lumière blanche similaire à celle qu'on observe sur Terre. Documents NASA/JPL/MSSS.

Le détecteur infrarouge révéla que le cratère Endurance était riche en hématite. Ses versants sont constitués de basalte, d'origine volcanique, mais qui a très bien put être réduit en grains sous l'effet de l'érosion et être redéposé ensuite par l'action du vent ou de l'eau. Enfin, les crêtes du cratère sont couvertes de poussière martienne.

Cet endroit est très intéressant à explorer car il permet d'étudier différents niveaux géologiques et de remonter certainement à plusieurs millions d'années dans le passé de Mars. Toutefois pour élaborer l'histoire géologique complète de Meridiani Planum et établir sa relation avec les autres régions martiennes, les scientifiques devront attendre les prochaines missions martiennes.

A son tour, en explorant les versants et la plaine du cratère Gale, aux pieds du mont Sharp culminant à 5500 m d'altitude au centre du cratère, la rover Curiosity trouva les site de Kimberley et de " Whale rock" que l'on voit ci-dessus. Ces deux sites présentent des roches stratifiées et des traces de sédiments en relation avec l'ancien lac asséché qui remplissait le cratère Gale il y a plusieurs centaines de millions voire des milliards d'années.

La mission MRO et les perchlorates

En septembre 2015, la NASA annonça que le spectromètre de la sonde orbitale MRO avait détecté des ruisseaux de saumure saisonniers composés de perchlorates sur les pentes du cratère Hale et d'une douzaine d'autres formations. Si l'hypothèse avait déjà été proposée en 2008 par les scientifiques, c'est la première fois que les instruments en apportaient la preuve in situ. Cette variété de sels est intéressante car elle est associée à l'eau.

Ruisseaux de saumure (en brun) d'une centaine de mètres de longueur sur les pentes du cratère Hale. Les couleurs sont accentuées et les hauteurs exagérées 1.5 fois. Document NASA.

Ces perchlorates ont été détectés dans ce qu'on appelle les "Recurring Slope Lineae" (RSL) ou ruisseaux de saumure comme on le voit à gauche (en brun). Il s'agit de "lignes de pente récurrentes" mesurant entre 50 cm et 5 m de large et pouvant s'étendre sur plus de 100 m.

Les premières traces de RSL furent découvertes en 2010 par Lujendra Ojha du Georgia Tech et son équipe grâce à l'imager HiRISE de la sonde orbitale MRO et confirmées en 2012 grâce au spectromètre embarqué à bord de MRO. Mais il fallut ensuite plusieurs années d'investigations et d'analyses pour préciser les conditions physico-chimiques de leur apparition.

Grâce aux orbiters mais également aux rovers, du perchlorate de calcium (Ca(ClO4)2) a été découvert en une douzaine d'endroits allant des pentes des dunes au fond des cratères martiens. Puis, en septembre 2015, Lujendra Ojha et son équipe annoncèrent dans la revue "Nature" que la sonde MRO avait détecté d'autres formes de perchlorates associés au sodium et au magnésium comme le NaClO4, Mg(ClO4)2 et Mg(ClO3)2.

Ces ruisseaux salés sont des phénomènes saisonniers qui apparaissent pendant la saison chaude lorsque la température en surface varie entre -23°C et +27°C et disparaissent lorsque la température redescend en-dessous de -40°C ou -70°C si le milieu est hypersalin.

Les perchlorates agissent comme un antigel en abaissant le niveau de congélation de l'eau (à l'image de l'eau salée qui peut rester liquide à plus basse température), raison pour laquelle les ruisseaux de saumure peuvent restent liquides jusque -70°C en raison de la faible pression atmosphérique (~6.3 mbar ou hPa contre 1013 hPa sur Terre au niveau de la mer). C'est cette hypersalinité qui explique l'existence des gullies alors que la température à la surface de Mars est franchement négative.

Selon Javier Martin-Torres de l'équipe de Curiosity, "ces sels de perchlorate présentent une propriété appelée déliquescence. Ils capturent la vapeur d'eau de l'atmosphère et l'absorbe pour produire de l'eau salée". Ce cycle est quotidien et est maintenu par l'eau salée.

Variation du taux d'humidité relative et de la température au sol dans le cratère Gale (gauche) et conditions de stabilité du perchlorate de calcium (droite). Document NASA/J.Martin-Torres et al. adapté par l'auteur.

Ces perchlorates ont été détectés dans ce qu'on appelle les "Recurring Slope Lineae" (RSL) ou ruisseaux de saumure comme on le voit à gauche (en brun). Il s'agit de "lignes de pente récurrentes" mesurant entre 50 cm et 5 m de large et pouvant s'étendre sur plus de 100 m.

Sur Terre on trouve généralement les anions perchlorates (ClO4)- dans les endroits désertiques (vallée de la Mort, désert d'Atacama, etc), parfois associés à des nitrates et souvent à des métaux (potassium, magnésium, sodium, etc).

Leur découverte sur Mars renforce donc encore un peu plus la filiation de la planète Rouge avec la Terre mais ne constitue pas un indice en faveur ou en défaveur de la vie. En effet, Martin-Torres souligne que "les conditions près de la surface martienne ne sont aujourd'hui guère favorables à la vie microbienne telle que nous la connaissons". Le principal problème vient du rayonnement UV que la fine atmosphère de Mars ne filtre pas suffisamment et qui tue rapidement les éventuels microbes qui oseraient s'aventurer en surface.

Notons que les perchlorates ont de nombreux usages dans l'industrie, des oxydants (propergols) pour l'armement ou les fusées aux feux d'artifices. Mais ce sont également des contaminants et des polluants persistants. Ils ne sont pas présents dans l'eau potable et ne sont donc pas tracés, sauf en cas de pollution.

On reviendra sur le sujet dans l'article consacré à la toxicité de l'environnement martien car des chercheurs ont découvert que les perchlorates étaient bactéricides et combinés aux UV, ils rendent la surface de Mars très peu propice à toute forme de vie.

Prochaines missions vers Mars

Les prochains missions des landers et rovers d'exploration viseront à détecter des traces de vie qui auraient put exister, ou existent peut-être encore sur Mars, notamment aux abords des gullies, dans les ruisseaux de saumure ou sous les corniches. Nous savons déjà que l'idée selon laquelle Mars fut habitable est plausible. Selon Squyres, "si cette interprétation est correcte, la région de la Corniche d'Opportunity pourrait même avoir préservé quelques traces d'organismes vivants".

Les découvertes d'Opportunity font de Meridiani Planum un lieu privilégié où pourraient être conduites les futures recherches exobiologiques in situ. Les sites des saumures et les régions bordant les calottes polaires sont également des lieux tout indiqué, en particulier leur sous-sol abrité des rayons UV. L'avenir reste passionnant.

Pour plus d'informations

NASA Mars Exploration

Mars Curiosity

Dirty ice on Mars, IGP Hawaii, PSDR, 2002

Mars contamination fear could divert Curiosity rover, Nature, 2016

Preventing the forward contamination of Mars, Governing Board of the National Research Council, 2006.

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