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Mars, le dieu de la guerre

Les satellites Phobos et Deimos (II)

Mars s'entoure de deux satellites, Deimos et Phobos, dont l'existence fut prédite arbitrairement par Kepler au XVIeme 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.

Les 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.

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 ejectas 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.

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.

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.

D'après ces 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 ?

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 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

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.

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 marées 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[4] 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.

Composition du sol

L'écorce de Mars se compose de roches continentales qui sont localement recouvertes de dépôts meubles. Sur une épaisseur de quelques millièmes de millimètres, la surface de Mars est recouverte par du sable d'une coloration brune orangée. Pourquoi le sol martien a-t-il cette couleur ?

L'analyse révèle une composition voisine de celle des roches terrestres, mais avec une teneur trois fois plus abondante en fer et deux fois plus faible en silicium (50% d'oxygène, 20% de silicium, 14% de fer et 7% d'aluminium). Cette coloration s'explique donc simplement par la présence d'un oxyde de fer, la maghémite. Ce minéral, comme notre métal, attaqué par l'oxygène prend une couleur rouille. Il s'agit d'une variété d'hématite ferromagnétique, de formule chimique Fe2O3.

Il est intéressant de noter que selon une étude réalisée en 1998 à partir des données récoltées par le spectromètre infrarouge équipant la sonde Mars Global Surveyor, le géobiologiste et exopaléontologiste Jack Farmer aujourd'hui à l'Université d'Arizona et ses collègues de la NASA estiment que la granularité de ce cristal de fer a nécessité la présence d'une certaine quantité d'eau, indice supplémentaire tendant à confirmer que Mars connut un passé liquide.

La texture du sol martien

Ci-dessus les excavations du bras mécanique de Viking Lander 2 sur le site d'Utopia Planitia. Photo prise à 19h47 local. Cette image révèle un sol ferme de la consistance du sable. Ci-dessous à gauche le sol autour du robot Sojourner révèle des traces d'érosion éolienne et un substrat très sombre. Ce sont ces zones découvertes par les vents que l'on observe sur Terre sous forme de soi-disant "avancées climatiques". A droite les excavations de la sonde Viking Lander 1 sur le site plus meuble de Chryse Planitia. Cliquer sur les images pour les agrandir. Documents NASA/JPL/NSSDC Viking1, Viking2, Mars Pathfinder.

Se basant sur les analyses chimiques effectuées par les différentes sondes spatiales orbiters, landers et rovers ayant exploré Mars, les géologues pensent que la poussière martienne ne serait pas inoffensive et constituerait non seulement un puissant oxydant et irritant mécanique mais également un poison chimique. Consulter l'article sur la toxicité de la poussière martienne pour plus de détails.

Sous la couverture sablonneuse, le sol est ferme. Les pieds des landers se sont enfoncés de moins de 15 cm de profondeur. La densité moyenne de ce substrat meuble est de 1.6, similaire à la silice ou le sable. Il présente une forte cohésion, comme les tranchées de la pelle mécanique des sondes spatiales Viking l'ont bien montré; les parois ont gardé leur forme sans s'écrouler comme du sable sec. Ce phénomène est lié à la faible pression atmosphérique régnant sur Mars et dans une moindre mesure au froid glacial qu'il y règne.

Découverte de tridymite

En 2016, une équipe de 23 chercheurs dirigée par le planétologue Richard Morris de la division ARES du centre JSC de la NASA a déclaré dans les Proceedings de l'Académie Nationale des Sciences américaine (PNAS) qu'elle avait découvert grâce à la rover Curiosity une quantité appréciable de tridymite dans les roches sédimentaires du cratère Gale. 

Le cratère Gale abritait un lac d'eau douce. Ses sédiments boueux contiennent également de la tridymite. Document NASA/JPL/SSS adapté par l'auteur.

La présence de ce minéral à base de silice (SiO2) est surprenante sur Mars car la tridymite est généralement associée à ce qu'on appelle un volcanisme silicique qu'on ne pensait pas trouver en abondance sur Mars. En effet, la tridymite se forme à basse pression (jusqu'à 0.4 GPa) et hautes températures (870-1470°C) en présence d'une forte concentration de silice, des conditions qu'on rencontre rarement et uniquement lors d'éruptions volcaniques explosives. Sur Terre, on a par exemple rencontré ces conditions pendant l'éruption du volcan St Helens aux Etats-Unis et celui du Satsuma-Iwojima au Japon. Sur ce dernier, la tridymite trouvée sur le cône s'est formée par altération de la rhyolite par les vapeurs volcaniques et les fluides hydrothermaux portés à plus de 900°C complétée par une lixiviation (lessivage) à l'acide sulfaté qui augmenta de 26% la concentration en silice.

Sur Terre, comme sur Mars, la tridymite est métastable aux températures ambiantes régnant en surface. Sur Mars ce minéral a été incorporé dans le "lac Gale", une étendue boueuse sédimentaire formée par l'érosion des roches volcaniques siliceuses. On reviendra plus loin sur ce cratère.

Notons que le gisement analysé contient également d'infimes traces d'autres minéraux silicatés (quelques pourcents) comme le plagioclase, la sanidine, la magnétite, l'anhydrite et d'autres minéraux riches en silice proche de l'opale comme la cristobalite, l'opale A et l'opale CT (lussatite) ainsi que des oxydes de fer et de titane. Précisons que les opales contiennent des traces d'eau et l'opale AN (hyalite) est d'origine volcanique.

Le problème que soulève cette découverte est de savoir si la tridymite a pu se former sur Mars à basses températures par d'autres mécanismes que le volcanisme silicique. Selon l'étude, il n'existerait pas d'autre processus mais les recherches continuent. Dans tous les cas, Mars a connu une histoire volcanique bien plus violente durant sa prime évolution qu'on le pensait jusqu'à présent.

Une planète noire

Fragments de la météorite martienne NWA 7034 de 320 g découverte dans le désert du Sahara au Maroc en 2011. Document Carl Agee/U.NM.

Sous le sable des grandes plaines martiennes ou dans les régions accidentées comme sur le versant des cratères, les roches mises à nu prennent une coloration gris-verdâtre ou noire qui rappelle la nature des météorites martiennes découvertes sur Terre. En effet, selon une étude publiée en 2016 par Kevin Cannon de l'Université Brown et ses collègues, les mesures spectroscopiques de la météorite martienne NWA 7034 "Black beauty" présentée à droite montrent que sa composition est différente des autres SNC et similaire à celle de la croûte martienne; elle est constituée de brèches, c'est-à-dire de roches brisées mêlées à du basalte fondu et contient des traces d'eau (6000 ppm soit 0.6%), ce qui permet de la qualifier de météorite "riche en eau". Les analyses isotopiques ont montré que ses constituants ont interagi avec la surface de Mars ou de l'eau superficielle il y a 2.1 milliards d'années.

NWA 7034 contient également des traces sédimentaires dont la composition chimique est comparable à celle des sites prospectés par les rovers Spirit et Opportunity (mission MER) et Curiosity (mission MSL).

La centaine d'autres météorites martiennes découverte sur Terre présente également une coloration noire. En d'autres termes, sous son linceul de couleur orangé-brun-olive, la "planète Rouge" est en réalité une planète noire dominée par des brèches.

Les roches de surface sont de quatre types : des roches volcaniques ignées et rugueuses, des roches lisses et érodées, des roches creusées de cavités comme la pierre ponce et des graviers. Le relief martien présente une grande diversité de formations que l'on peut rapprocher des formations lunaires et de certains déserts terrestres, y compris polaires.

Même si on ne peut pas affirmer que Mars s'est formée comme la Terre, les observations conduisent à penser que les seuls phénomènes qui peuvent expliquer les formations géologiques que l'on rencontre sur sa surface sont l'activité des météorites et le volcanisme; on trouve des bassins et plus de 400000 cratères d'impacts de plus d'1 km de diamètre, des reliefs volcaniques et des champs de dunes, des effondrements et des glissements de terrain, des failles et des vallées (fractures).

Prochain chapitre

Un relief familié

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[4] I.Shklovsky, "Univers, vie, raison", Ed. Planète, 1967, ch.18, p196.


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