Contacter l'auteur / Contact the author

Recherche dans ce site / Search in this site

 

 

Mars, le dieu de la guerre

Introduction (I)

La dernière planète à l'image de la Terre, dite tellurique, présente dans le ciel un scintillement couleur rouge-sang. Son "errance" devant les étoiles fixes lui valut d'être dédiée par les Grecs au dieu de la Guerre. Plus tard elle fut surnommée la "planète Rouge" et sera même peuplée de Martiens. Nous y reviendrons...

L'avènement de l'exploration spatiale et le survol de la planète Rouge par une bonne quarantaine de sondes spatiales[1] depuis 1964 ont permis de dresser le véritable portrait de Mars. La seule mission Viking 1 en 1976 rapporta plus de 51000 images. Complétées par les analyses de surface faites jusqu'en 1982 et reprise en 1998 par Sojourner et plus d'une dizaines d'autres robots, cette monumentale collection de données est exploitée dans le cadre du programme Mars Data Analysis de la NASA. Ces informations occuperont les scientifiques durant des années[2].

Mars photographiée par le Télescope Spatial Hubble le 25 février 1995 à 103 millions de kilomètre de distance. L'image est centrée sur Mare Erythraeum et Valles Marineris (cf. les planisphères). Le Méridien Central se situe à 29°. Les halos blancs-bleuâtres à gauche sont des nuages d'eau glacée. Noter Ascraeus Mons, le point brun à gauche près du limbe. Document NASA/ESA/STScI.

L'idée de découvrir des Martiens fait aujourd'hui partie du folklore et est devenu un mythe. Mais l'idée qu'il puisse exister une vie sur Mars s'est propagée jusqu'à nos jours, entretenue par les propriétés quasi terrestres qui règnent à sa surface de la planète Rouge et la découverte dans le milieu interstellaire de molécules organiques prébiotiques. Nous nous attarderons longuement sur ce thème dans le dossier consacré à la bioastronomie.

Observer Mars durant les oppositions périhéliques

Située sur une orbite très excentrique, en moyenne à 228 millions de kilomètres du Soleil, Mars peut se rapprocher de la Terre jusqu'à 56 millions de kilomètres lors des oppositions périhéliques qui se reproduisent tous les 764 jours et toujours en automne. Sa taille apparente extrême oscille entre 3.5" lors des conjonctions et 25.1" lors des oppositions.

Au plus près de la Terre, Mars devient presque aussi brillant que Jupiter avec une magnitude de -2 et devient 4 à 8 fois plus grand que lors des conjonctions. Son globe est alors presque aussi grand que celui de Saturne (14-20") mais reste deux fois plus petit que celui de Jupiter (30-47"). Dans ces conditions il devient accessible aux petits instruments et se reconnaît parmi mille en raison de sa couleur orange.

Logiciel à télécharger : Mars Previewer II (Sky & Telescope)

Images amateurs

A gauche, le mouvement rétrograde de Mars entre octobre 2011 et juillet 2012 dont voici l'image annotée réalisée par Cenk et Tunk Tezel. Au centre, une photographie de Mars (Æ 18.37") prise par John Earl le 22 mai 2016 avec un Celestron C11 porté à f/35 muni d'une caméra CCD couleur Image Source DBK21 618. Il s'agit de l'empilement des 400 meilleures images d'une série de 7000. On reconnaît de nombreuses formations. A comparer avec l'image prise par le Télescope Spatial Hubble. A droite, une image RGB prise par Damian Peach le 9 juin 2016 (Æ 18.34") avec un télescope Celestron C14HD de 355 mm. A comparer avec l'image prise par Hubble présentée en haut de page.

Données physiques

Pratiquement comme la Terre, Mars est inclinée de 25°19' sur son orbite, lui-même incliné de 1°8 sur l'écliptique. Couplé à une excentricité orbitale qui atteint 0.093, ces deux phénomènes créent une importante différence d'ensoleillement entre les deux hémisphères, engendrant des saisons semblables à celles que nous connaissons, mais deux fois plus longues. La durée du jour est de 24h 37m 23s et l’année dure ici 687 jours. Nous reviendrons plus loin (cf. page 3) sur le climat martien.

Bien que Mars ait été formée en même temps que la Terre, ses reliefs ont pourtant quelque chose de démesuré. Son diamètre est de 6787 km avec une masse équivalent à seulement 10% de celle de notre planète et présente un aplatissement aux pôles de 1.05% (contre 0.33% pour la Terre). La forme de Mars est donc celle d'un géoïde très proche d'un ellipsoïde de révolution.

La planètre Rouge étant bien plus légère que la Terre, sa densité moyenne n'atteint que 3.93 (contre 5.32 pour la Terre) et la pesanteur ne vaut que le tiers de celle de la Terre. Plus lourde que la Lune mais plus légère que la Terre, Mars doit correspondre à un modèle géologique intermédiaire. Complétées par l'étude des reliefs et notamment des volcans et des fractures, on peut en déduire que la structure interne de Mars est probablement à mi-chemin entre celle de la Lune et de la Terre.

Structure interne

Comme on le voit ci-dessous à gauche, la structure interne de Mars se divise en trois parties. Au centre se trouve un noyau dense métallique d'environ 1794 ±65 km de rayon. Il est principalement composé de fer et de nickel peut-être mélangé à 16-17% de soufre et d'un peu d'oxygène. Ce noyau de sulfure de fer (Fe2S3) ne serait que partiellement fluide du fait que Mars présente un très faible champ magnétique (voir plus bas) et contiendrait deux fois plus d'éléments légers que celui de la Terre.

A gauche, structure interne de Mars (dont voici un agrandissement sans légende) comparée à celle de la Terre. Selon les planétologues, le noyau métallique de Mars serait encore liquide ou du moins partiellement. Notons que toute la planète tiendrait dans le volume occupé par le noyau de la Terre. A droite, un modèle de Mars concurrent propose une structure interne fluide avec un manteau peut-être stratifié et même convectif pouvant expliquer le mécanisme le développement du champ magnétique martien et le coeur dynamo actif il y a environ 4.5 milliards d'années. Documents NASA/JPL et David J. Stevenson/Nature (2001) adapté par l'auteur.

Ce noyau est entouré d'un manteau silicaté (à base de silice) à l'origine des nombreuses formations tectoniques et volcaniques présentes sur la planète mais dont l'activité est aujourd'hui en sommeil voire éteinte (voir plus bas). A côté du silicium et de l'oxygène, les éléments les plus abondants du manteau martien sont le fer, le magnésium, l'aluminium, le calcium et le potassium. Ce manteau s'étend jusqu'à l'écorce. Selon un autre modèle proposé par le planétologue David J. Stevenson de Caltech, le noyau serait entouré d'une enveloppe liquide de sulfure de fer peut-être mélangée à du silicium épaisse de 1300 à 1500 km. Elle serait entourée d'une fine zone de transition de perovskite et peut-être d'autres matériaux (équivalente à la discontinuité terrestre épaisse de 660 km) au-dessus de laquelle s'étend le manteau de silicates peut-être stratifié jusqu'à la croûte.

La croûte présente une épaisseur moyenne de 50 km mais varie entre 30 km près du pôle Nord à 100 km près du pôle Sud et peut localement atteindre 200 km d'épaisseur (contre 5 à 80 km d'épaisseur sur Terre). Elle est recouverte de roches et de sable ainsi que de glace aux pôles. La mission spatiale InSight de la NASA prévue pour 2018 utilisera un sismomètre afin de mieux caractériser les modèles internes actuels de Mars.

Niveau de référence et méridien

Étant donné qu'il n'y a pas de surface liquide sur Mars, le niveau de référence (l'altitude 0) a été défini arbitrairement. Selon le JPL, il correspond au niveau de pression atmosphérique moyenne de 6.10 mbar (610 Pa). Ce qui signifie que la majorité des reliefs martiens situés dans l'hémisphère Nord se situent en dessous de l'altitude 0 (à l'exception des grands volcans) tandis que les montagnes de l'hémisphère Sud culminent entre 1 et 3 km d'altitude.

En cas de terraforming de Mars, les océans recouvriraient plus de la moitié de la planète (cf. cette illustration). Dans l'hémisphère Nord, le volcan Olympus Mons (voir page 2) serait une île de 21 km d'altitude dont les eaux plongeraient à 4000 m de profondeur tandis que dans l'hémisphère Sud, seul le grand bassin de Hellas Planitia serait inondé car son plancher se trouve 7000 m sous le niveau moyen. On reviendra sur les reliefs martiens.

Quant au Méridien 0 martien qui définit les longitudes (comme le Méridien de Greenwich sur Terre), il fut défini au XIXe siècle et correspond à la formation de Sinus Meridiani renommé Meridiani Planum depuis l'exploration de Mars. Il passe par le centre du petit cratère Airy-0 (cf. les planisphères de Mars).

Structure magnétique

Aujourd'hui, la structure magnétique de Mars est très faible et localisée à l'inverse de celle du Soleil et des planètes dont le champ magnétique est global générant un effet dynamo. Le champ magnétique de Mars ne semble pas émaner de son noyau et varie tant en direction qu'en force à travers toute la surface. Ainsi, il y a des endroits où le champ magnétique est 10 fois plus fort que celui de la Terre. On a relevé localement un champ magnétique deux fois plus fort que sur Vénus, mais en moyenne il reste malgré tout 1000 fois plus faible que celui de la Terre.

D'autres anomalies ont également été découvertes sous forme de "trous" dans le champ magnétique qui apparaissent juste à l'endroit où des astéroïdes ont perforé la surface. Enfin, à d'autres endroits les perturbations du champ magnétique sont alignées comme le seraient une succession de points.

Ces anomalies magnétiques semblent se manifester aux endroits où se trouve des concentrations de métal solide dans l'écorce. Le fait que le métal ait été magnétisé suggère qu'il y a environ 4.5 milliards d'années Mars disposait probablement d'un champ magnétique entretenu par un noyau "dynamo" fonctionnant de façon analogue à celui de la Terre. Beaucoup plus puissant qu'aujourd'hui, ce champ magnétique global n'a probablement fonctionné que quelques centaines de millions d'années. Mars l'a probablement perdu suite au refroidissement de son noyau et à l'effet d'érosion induit par le vent solaire sur son atmosphère. On y reviendra.

A l'inverse du champ magnétique du Soleil et de la plupart des planètes, celui de Mars est localisé et pratiquement éteint. Documents NASA/Mario Acuna et al.

Ce champ magnétique résiduel est très contraignant car sur Terre la magnétosphère nous protège des rayons cosmiques et des rayonnements corpusculaires du Soleil, en particulier contre les rayons X, les protons et les électrons rapides. La plupart d'entre eux sont stoppés au niveau de notre ionosphère y formant occasionnellement des aurores. Mais tout cela n'existe pas sur Mars et les prochains visiteurs de la planète Rouge devront être très prudents lors des missions d'exploration s'ils ne veulent pas mourir irradiés ou présenter à long terme des malades dégénératives ou d'origine neurologique ! On en reparlera à propos du mal de l'espace et de la colonisation de Mars.

Des aurores à protons

Bien que dépourvu de champ magnétique global, il existe des "aurores à protons" sur Mars. En effet, grâce aux données enregistrées par le spectromètre UV SPICAM de la sonde spatiale Mars Express de l'ESA entre 2004 et 2011, des chercheurs de l'Université de Liège en collaboration avec l'Observatoire Royal de Belgique ont découvert pour la première fois l'existence de ce type d'aurore ailleurs que sur la Terre.

Rappelons que généralement les aurores discrètes (arcs, bandes, rayons, etc) et diffuses (halos) sont déclenchées par l'excitation et l'accélération des électrons présents dans la haute atmosphère sous l'emprise d'un champ magnétique. On peut également observer des aurores diffuses déclenchées par l'excitation des protons qui se manifestent par une trace lumineuse à la fois dans la partie UV du spectre et dans la partie visible. Toutefois, les observations faites par les chercheurs ne concernent que les émissions UV.

A gauche, cartographie des aurores à protons superposées sur l’intensité du champ magnétique projetée sur un planisphère de Mars. Les points blancs indiquent les détections des aurores à protons, tandis que les points noirs correspondent aux aurores discrètes enregistrées précédemment. A droite, l'altitude d'émission d’une aurore à proton détectée par l’instrument SPICAM de Mars Express. La courbe noire représente un profil d'émission Lyman alpha dans l'atmosphère martienne sans aurore et celle en bleu montre la signature aurorale entre 120 et 150 km d'altitude. La courbe magenta correspond à la différence. Documents B.Ritter et al. (2017).

Selon une étude publiée en décembre 2017 par l'astrophysicienne Birgit Ritter de l’Université de Liège et ses collègues dans la revue "Geophysical Research Letters", l'hémisphère Sud de Mars présente des régions ayant conservé l'empreinte de son ancien champ magnétique qui sont suffisamment actives pour permettre l’apparition de ce type de phénomène. Le pic d'émission de ces aurores à protons se produit à une altitude comprise entre 120 et 150 km et produit une intensification de la raie Lyman α (121.5 nm) de l'ordre de quelques kilorayleighs.

Notons que la sonde spatiale ExoMars GTO (Trace Gas Orbiter) de l'ESA en orbite autour de Mars depuis 2016 dispose d'un spectromètre NOMAD qui permet en théorie de détecter les émissions visibles des aurores à protons. Cet instrument étudie également le spectre du Soleil entre l'UV et l'IR. Ce satellite devrait être opérationnel jusqu'en 2022.

Les satellites Phobos et Deimos

Mars entourée de Phobos et Deimos. Photo prise par le HST lors de l'opposition le 18 juillet 2018 à la fin de la tempête de sable globale. Voici la photo annotée. Document NASA/ESA/STScI.

Mars s'entoure de deux satellites, Deimos et Phobos, dont l'existence fut prédite arbitrairement par Kepler au XVIe siècle mais qui ne seront découverts qu'en 1877 par Asaph Hall en raison de leur faible magnitude qui requiert en général des télescopes d'au moins 400 mm d'ouverture. Ils deviennent visibles dans des instruments de 100 à 150 mm d'ouverture uniquement lors des oppositions périhéliques où Mars se rapproche de 20 à 30 millions de km de la Terre et atteint un diamètre appréciable voisin de 20 à 25". Dans ces conditions Phobos et Deimos brillent respectivement à la magnitude 10.4 et 11.5 maximum et deviennent des objets de défi pour les petits instruments.

Phobos gravite à 9400 km de Mars et boucle son orbite en 7h39m tandis que Deimos gravite à 23500 km de Mars et boucle son orbite en 30h18m. Notons que vu de Phobos, Mars sous-tend un angle de 40° dans le ciel (contre 0.5° pour la Lune vue de la Terre).

Phobos et Deimos sont tellement petits et légers qu'une mise en orbite à partir de ces deux lunes se fait à 30 km/h (contre plus de 20000 km/h sur Terre) et la vitesse de libération est de 54 km/h (contre 11 km/s sur Terre); un 100 mètres et vous voilà propulsé dans le vide !

Deimos et Phobos évoluent respectivement à 20074 km et 5987 km de Mars sur des orbites synchrones, en présentant toujours la même face à la planète. Tous deux sont couverts de cratères, mais Phobos est plus accidenté. Son plus grand cratère, Stickney atteint le tiers de son diamètre (10 km). Phobos présente plus de cicatrices ainsi que des fractures parallèles et contiendrait peut-être de la glace.

Ces deux satellites sont de très petite taille avec un diamètre moyen de 14 et 22 km respectivement. Jusqu'à présent, à partir des paramètres orbitaux de Deimos, ses dimensions, son faible albedo (0.05), une densité évaluée à 2.3 et sa forme irrégulière, on pensait qu'il s'agissait probablement d'un astéroïde capturé il y a 3 ou 4 milliards d'années. Ce serait une chondrite carbonée probablement issue de la Ceinture externe des astéroïdes. En revanche, Phobos se serait formé comme notre Lune. En effet, le satellite présente une orbite circulaire et partage les mêmes composants que la planète Rouge. Pour expliquer sa nature, Mars aurait subi un choc violent avec un autre corps céleste. Suite à cette collision, de la poussière et des éjecta auraient été libérés dans l'espace et se seraient mis en rotation pour finalement se regrouper et former Phobos.

Toutefois, les deux lunes orbitent au-dessus de l'équateur martienne, rendant l'hypothèse de la capture peu probable. De plus, Phobos gravite à 3 rayons de Mars alors que Deimos évolue à 7 rayons de Mars. Rien ne justifie un si grand espace entre les deux lunes.

Les deux lunes de Mars. De gauche à droite, une image de Deimos photographié par la caméra HiRISE de MRO en 2009 et deux images de Phobos, celle du centre réalisée par la sonde Viking 1 en 1978 et celle de droite prise par MRO en 2008 à 6800 km de distance. Les couleurs ont été accentuées. L'astrophysicien soviétique Joseph Shlovsky pensait que ces deux satellites étaient artificiels du fait de leur mouvement accéléré séculaire que l'atmosphère raréfiée de Mars ne pouvait a prirori expliquer. Nous savons aujourd'hui qu'il s'agit vraisemblablement de deux astéroïdes capturés voici 3 à 4 milliards d'années. Leur couleur assez rouge confirmée par leur indice de couleur U-V est similaire à celle des météorites métallo-pierreuses dites de type S ou des ferriques (chondrites à enstatites) de type M un peu moins rouges. Documents NASA/JPL.

Deux lunes formées par collision

Pour expliquer ces caractéristiques, il n'y a qu'une explication : une formation similaire à celle de notre Lune. Dans une étude sur Phobos et Deimos publiée en 2016 dans "Nature Geoscience", une équipe internationale d'astronomes dirigée par Pascal Rosenblatt de l'Observatoire Royal de Belgique suggère que non seulement Phobos mais les deux lunes de Mars se sont formées par accrétion de débris éjectés lors d'une collision catastrophique entre la proto-Mars et un corps trois fois plus petit.

D'après les simulations, aux temps primordiaux la proto-Mars possédait d'autres satellites aujourd'hui disparus et rassemblés dans Phobos et Deimos. Selon cette hypothèse, comment les deux lunes se sont-elles formées ?

La collision entre la proto-Mars et un astéroïde trois fois plus petit serait à l'origine de Phobos et Deimos. Document Labex UnivEarthS/IN2P3.

Les simulations réalisées par les astronomes de l'IN2P3 montrent qu'un astéroïde provenant de la Ceinture interne a pu entrer en collision avec la proto-Mars et former un immense anneau de débris qui aurait d'abord formé plusieurs grosses lunes à 3 rayons martiens. Ces lunes ont ensuite suffisamment agité le disque externe de débris pour déclencher l'accrétion et former des lunes exactement aux distances des régions de résonances. Ensuite, ce sont les effets des marées martiennes qui ont déplacé les lunes. Celles situées sous l'orbite synchrone, dont Phobos, ont chuté vers Mars tandis que celles situées au-dessus de l'orbite synchrone, comme Deimos, ont été repoussées vers l'extérieur. Après 4 milliards d'années d'évolution, il ne reste plus que Phobos et Deimos à leur position actuelle. Cette théorie fut confirmée dans une étude publiée par le SwRI en 2018.

Cette explication est séduisante, d'autant qu'aujourd'hui Mars présente un gigantesque bassin d'impact dans son hémisphère Nord (Borealis basin, une ellipse de 10600 x 8500 km par 67°N et 208° E, cf. ce planisphère, à ne pas confondre avec Vastitas Borealis). Cette formation sans cratère apparent aurait été formée par l'impact d'un seul corps de 1600-2700 km de diamètre animé d'une très faible vitesse, de l'ordre de 6 à 10 km/s sous un angle oblique.

Cette explication pourrait également s'appliquer à la formation des autres satellites du système solaire dont on ne comprend pas encore très bien le processus de formation.

On en saura certainement davantage sur la nature et l'origine de ces deux lunes d'ici quelques années. En effet, en 2022 la JAXA prévoit d'envoyer une sonde spatiale ramener des échantillons de la surface de Phobos (retour en 2027), de même que l'ESA en collaboration avec l'agence spatiale russe Roscomsos qui prévoit une mission similaire en 2024.

A voir : Formation des lunes de Mars, IN2P3

Simulation de l'impact géant sur la proto-Mars, IN2P3

Caractéristiques physico-chimiques

Les sondes spatiales soviétiques Phobos 1 et 2 ont découvert lors de leur survol en 1988-89 que Phobos n'était pas aussi homogène qu'on pouvait le supposer pour un objet de cette taille. Les planétologues considèrent qu'il pourrait avoir une activité interne.

L'astrophysicien soviétique Joseph Shklovsky.

Parmi les résultats de la mission MGS (1996-2006), on a découvert que l'écorce de Phobos est recouverte de débris pulvérisés (régolite) peu denses sur au moins 1 mètre d'épaisseur. Comme on le voit sur la photo couleur présentée ci-dessus à droite, sa surface présente de nombreuses rainures. Une étude publiée en 2015 par la NASA montre que ce réseau de failles est le signe de l'activité des forces de marée qui a terme devraient faire éclater Phobos.

Quant à Deimos, il est également recouvert de régolite mais ne présente qu'une seule formation, Voltaire de 3 km de diamètre. Tous les autres cratères ne dépassent pas 1000 m.

Les orbites des deux satellites décroissent continuellement, subissant une accélération séculaire. Ainsi, Phobos chute d'environ 2 mètres tous les 100 ans. Dans quelque 50 millions d'années, les deux satellites s'écraseront sur Mars s'ils n'ont pas éclatés avant.

Pour l'anecdote, rappelons qu'en 1967, l'astrophysicien I.Shklovsky[3] avait une autre interprétation. Pour expliquer l'accélération séculaire du mouvement de Phobos et Deimos, Shlovsky suggéra qu'au moins Phobos était un satellite extrêmement léger, seule condition pouvant entraîner une perturbation par l'atmosphère raréfiée de Mars.

La densité de Phobos fut estimée mille fois inférieure à celle de l'eau et sa masse de l'ordre de quelques centaines de millions de tonnes, à un facteur dix près. Etant donné qu'il n'existe aucun corps solide plus léger que l'eau, même le bois le plus léger est deux fois plus dense que l'eau, il devait donc être creux.

Etant donné que ni la densité atmosphérique, ni l'effet de marées ou la pression de radiation ne pouvait expliquer le ralentissement séculaire, les mesures elles-mêmes ne semblant pas erronées, Shklovsky ne trouva plus qu'une seule explication : "Il ne reste alors qu'une seule solution : supposer Phobos creux. Mais un corps cosmique naturel ne peut être creux. Donc Phobos (et aussi, vraisemblablement, Deimos) est un satellite artificiel de Mars". Phobos avait ainsi été élaboré par une ancienne civilisation martienne très avancée !

Ainsi les "Tars Tarkas" de E.Burroughs auraient construit deux satellites artificiels !? Hypothèse très séduisante mais qui prêtait à sourire.

Shklovsky estima que "cette idée de prime abord fantastique nous semble mériter l'examen le plus attentif". Il émit toutefois d'autres hypothèses comme le fait qu'il s'agissait d'astéroïdes capturés ou de débris issus de la formation de Mars. L'exploration spatiale, une fois de plus, eut le mot de la fin. En particulier, la densité plus forte que celle de l'eau et la structure des surfaces des deux satellites infirmaient l'hypothèse artificielle qui fut classée à la rubrique des anecdotes.

Prochain chapitre

Composition du sol

Page 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 -


[1] Soviétiques, Américains et Européens ont à l'heure actuelle (2018) lancé 45 sondes spatiales vers Mars, tant des sondes orbitales que des Landers et des Rovers mais 16 sondes seulement ont atteint leur objectif et 2 autres partiellement (échec du Lander). L'exploration de Mars repris en 2001 en vue de préparer, à long terme, la colonisation de la planète. 5 autres sondes spatiales devraient rejoindre la planète Rouge d'ici 2024. Le détail de toute les missions est disponible sur le site du JPL et de l'ESA.

[2] A propos de Mars, lire National Geographic, 143, 2, Feb.1973, p231 (Mariner 9 et présentation du Viking I); 151, 1, Jan.1977, p3 (les Viking sur Mars et la recherche de la vie); 194, 2, Aug 1998, Return to Mars; Feb 2001, A Mars Never Dreamed Of; Jan 2004, Mars; Feb 2010, Hubble Renewed Mars (Terraforming); Cf.cette liste.

[3] Iosif S. Shklovsky, "Univers, vie, raison", Ed. Planète, 1967, ch.18, p196.


Back to:

HOME

Copyright & FAQ