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Phoenix, le bilan : toujours pas de matière organique sur Mars ?

le 05-05-2009 à 22:37

Quatrième et dernier article du bilan de la mission Phoenix que vous propose Orbit-Mars depuis début mars.

Voilà bientôt six mois que la mission Phoenix est terminée, depuis le dernier contact entre l’atterrisseur et la Terre le 2 novembre 2008. Que retiendra-t-on de cette mission, la première à explorer la région boréale martienne ? Sans doute la confirmation de la présence de glace d’eau à quelques centimètres sous la surface et la détection surprise de sel de perchlorate dans le sol martien, à laquelle personne ne s’attendait ! Mais l’évènement créé par ces perchlorates, ainsi que les possibles gouttes de saumure liquide sur les pieds de l’atterrisseur, nous feraient presque oublier un des objectifs initiaux de cette mission, à savoir la recherche de molécules organiques, les briques de la vie !...

Après les deux atterrisseurs Vikings 1 et 2, posés sur Mars en 1976, et qui ne détectèrent aucune molécule organique, suivis par l’échec de l’atterrissage de Beagle 2 en 2003, Phoenix faisait figure de nouvel espoir !
En effet, l’atterrisseur Phoenix possédait à son bord des instruments capables de mener à bien l’analyse de la matière organique contenue dans les échantillons prélevés depuis sol, ce qui n’était pas possible avec Mars Pathfinder en 1997, ni avec les robots Spirit et Opportunity sur Mars depuis 2004.
Alors qu’en est-il ? Quels sont les résultats des analyses de sol menées par Phoenix ? A-t-il détecté ces sacro-saintes molécules ou bien est-il revenu bredouille de sa chasse, comme les atterrisseurs Vikings en leur temps ?... Avant d’évoquer les résultats obtenus par Phoenix, faisons le point sur ce qu’on appelle « molécules organiques » et l’histoire de leur quête sur Mars.


La quête de la matière organique sur Mars

Les molécules organiques sont constituées d’un squelette d’atomes de carbone auxquels viennent se greffer ou se substituer d’autres atomes (essentiellement hydrogène, azote, ou oxygène). Ces molécules sont à la base de toute vie : les protéines (enchaînements d’acides aminés), les sucres, les lipides ou encore notre ADN sont des molécules organiques plus ou moins grosses. Cependant, trouver des molécules organiques quelque part ne veut pas forcément dire que l’on a trouvé de la vie. En effet ces molécules peuvent se trouver isolées, hors de toute cellule ou organisme vivant. On en trouve ainsi dans les météorites qui tombent sur Terre et on en détecte à distance dans les comètes ou encore les lointaines nébuleuses... L’accumulation de ces molécules lors de la formation d’une planète comme la Terre et leur concentration dans l’atmosphère puis au niveau d’étendues liquides a sans doute contribué à l’apparition des premières formes de vie (alors très primitives !) sur notre planète !... Même si tout cela est encore loin d’être clair pour les scientifiques.



À gauche, le bras robotique des atterrisseurs Viking qui a prélevé les échantillons de sol martien. À droite la planète Mars et quatre exemples de molécules organiques (les atomes de carbone sont en cyan, azote en bleu et oxygène en rouge).
(crédit : NASA/JPL/ESA/MPS, Osiris Team)

La planète Mars a également pu connaître jadis des périodes propices au développement de la vie à partir de ces briques que constituent les molécules organiques. Mais même si la vie n’est jamais apparue sur Mars, ou s’il n’en reste pas de trace facilement accessible, des molécules organiques apportées par les météorites devraient se trouver dans le sol.
Des études ont montré que 240 tonnes de matière organique se déposeraient ainsi sur le sol martien chaque année, grâce au flux de micrométéorites. Détecter de la matière organique sur Mars devrait donc être relativement faisable !

En 1976, lorsque les deux atterrisseurs américains Viking 1 et Viking 2 se sont posés sur Mars et ont effectué leurs premières analyses du sol martien, ils n’ont détecté aucune molécule organique, même pas une molécule sur un milliard (1 ppb) ! Cette absence de matière organique a été un argument fatal contre la présence de vie dans le sol martien. Par ailleurs, les scientifiques étaient très étonnés de constater que même les molécules organiques qui devaient se trouver là, apportées par le flux météoritique, n’y avaient pas été détectées...


Une des premières tranchées creusées par Viking 2 et une vue du paysage autour de Viking 1 au coucher du Soleil. (crédit : NASA/JPL)

Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer cette non-détection de matière organique. L’exposition constante du sol martien aux rayons ultraviolets du Soleil (Mars étant dénuée d’une épaisse couche d’ozone comme celle de la Terre) pourrait contribuer à endommager et détruire ces molécules. Par ailleurs, la présence d’agents oxydants dans le sol pourrait également expliquer leur destruction lors de l’étape de chauffage dans l’instrument d’analyse. Les atterrisseurs Viking n’auraient alors pas creusé assez profondément dans le sol pour prélever leurs échantillons à une profondeur où ces molécules pourraient être protégées des rayons UV et où la concentration en oxydants serait plus faible. Enfin, peut-être que les instruments ou le mode de détection utilisés par les Vikings n’étaient pas adaptés.

Pour rechercher les molécules organiques dans le sol martien, les atterrisseurs Viking étaient équipés d’un chromatographe à phase gazeuse couplé à un spectromètre de masse (plus couramment appelé GC-MS). Les échantillons de sol prélevés étaient préalablement chauffés jusqu’à 500°C dans le but de faire passer en phase gazeuse les molécules organiques et leurs fragments contenus dans l’échantillon. Les gaz produits par cette pyrolyse étaient alors dirigés vers le chromatographe, sorte de long tuyau enroulé dans le lequel les molécules étaient séparées selon leurs masses, les plus massives mettant plus de temps à parcourir le tuyau que les plus légères. À la sortie de ce chromatographe, un spectromètre de masse permettait, en pesant très précisément chacune des molécules, de déterminer leur nature. Cet instrument, conçu par Klaus Biemann du MIT, reconnu aujourd’hui comme le père de la spectrométrie de masse, était une réalisation remarquable pour l’époque. En effet, les GC-MS utilisés en laboratoire sur Terre sont souvent de très grosses machines alors que celui embarqué sur chacun des Vikings ne pesait que 25 kg ! Hélas, sa précision n’était pas aussi bonne que ses gros cousins terriens... Des études effectuées après les missions Vikings ont montré qu’un échantillon de sol contenant 100 000 bactéries par gramme aurait donné un résultat négatif avec le GC-MS... Par ailleurs, d’autres études remettent en question la température à laquelle on été chauffés les échantillons : 500°C aurait été trop peu pour détecter de grosses molécules organiques. Jusqu’à ces dernières années, les résultats des GC-MS des Vikings n’ont cessé de susciter un débat au sein de la communauté scientifique.
Il était donc grand temps d’aller tenter de nouvelles mesures sur Mars en faisant si possible mieux que les Vikings !


À gauche une photographie des tranchées creusées par Phoenix en 2008 sur Mars. À droite, une tranchée creusée par Viking 1 dans les années 70 ! (crédits : Viking - NASA/JPL, Phoenix - NASA/JPL/UA/Damien Bouic)

Les attentes placées dans Phoenix...

Lorsque la NASA a sélectionné la mission Scout Phoenix en 2003, c’était dans le but de déterminer le potentiel d’habitabilité de la région boréale martienne et l’histoire de la glace d’eau, que la sonde Mars Odyssey y avait détectée en grande quantité un an auparavant. Phoenix n’était donc pas une mission apte à détecter des traces de vie sur Mars. Néanmoins, l’atterrisseur emportait avec lui un spectromètre de masse au sein de l’instrument TEGA (pour Thermal and Evolved-Gaz Analyser), capable d’analyser les différents composants du sol martien et notamment ces molécules organiques tant convoitées !...
À la différence des Vikings, les fours de l’instrument TEGA ont pu chauffer le sol martien jusqu’à 1000°C. Cependant, au lieu de séparer les potentielles molécules organiques via un chromatographe à phase gazeuse, les fours étaient directement connectés au spectromètre de masse. Phoenix possédait enfin sur sa plate-forme un échantillon de poudre blanche, une céramique aussi pauvre que possible en carbone, dont il pouvait se servir comme référence afin d’interpréter les résultats des analyses et déterminer si un résultat positif ne serait pas dû à une contamination terrestre.


Au 122ème jour de sa mission sur Mars, Phoenix a tenté d’analyser la poudre de calibration appelée “organic free blank” apportée depuis la Terre. L’image du haut montre cette poudre dans la pelle de Phoenix avant livraison à l’un des fours du TEGA. Hélas l’image suivante montre que cette livraison ne s’est pas très bien passée... la poudre a été dispersée par le vent martien sur les volets des fours !
(crédit : NASA/JPL/UA)

Mais l’avantage certain de Phoenix par rapport aux atterrisseurs Vikings est sans doute son site d’atterrissage. Alors que les Vikings se sont posés dans Chryse Planitia pour Viking 1 et Utopia Planitia pour Viking 2, respectivement à 22,48° et 47,97° de latitude nord, Phoenix s’est posé dans Vastitas Borealis à 68,15°N. Jamais une sonde spatiale ne s’était posée aussi près du pôle nord martien et dans une région où la glace est pratiquement affleurante, à quelques centimètres sous une mince couche de sol. C’est dans cette glace que les scientifiques de la mission mettaient tout leur espoir de détecter des molécules organiques, préservées, congelées dans cette glace millénaire.



Le TEGA photographié par Phoenix lui-même en 2008 sur Mars. Les fours avec leurs volets et le cube du spectromètre de masse et son électronique sont visibles au premier plan sur cette image. (crédit : NASA/JPL/UA/Damien Bouic)

Les premiers résultats de Phoenix

Venons-en maintenant au vif du sujet : quels ont été les résultats des analyses de Phoenix ?
Les premiers échantillons de sol analysés par l’instrument TEGA n’ont pas retourné de résultat positif concernant la matière organique. Bill Boynton, responsable de l’instrument, déclarait alors à Space.com le 1er août 2008 que l’équipe de la mission « ne s’attendait pas vraiment à trouver des molécules organiques dans le sol de surface », celui-ci étant notamment soumis directement aux rayons UV destructeurs. Il fallait donc creuser plus profondément pour espérer détecter de la matière organique et attendre l’analyse de la glace. Hélas, pour les raisons que nous avons évoquées dans notre article « Phoenix, le bilan : le déroulement de la mission », la pelle mécanique n’a pas réussi à prélever des quantités signifiantes de glace et n’a pas creusé le sol plus profondément que 23 centimètres... Les données récoltées par la suite par l’instrument TEGA ne montrent pas de trace évidente de matière organique.



Résultat obtenu par le spectromètre de masse de Phoenix après l’analyse d’un échantillon de sol. La courbe bleue représente la quantité de CO2 dégagée par l’échantillon en fonction du temps. La courbe rouge montre l’évolution programmée de la température lors du chauffage de l’échantillon. Le premier « pic » de CO2 est observé aux alentours de 400°C, un second pic observé à 700°C a déjà été expliqué comme étant dû à la décomposition de carbonates de calcium présents dans le sol martien.
(crédit : Boynton et al. 2009, LPSC 2009)

Une libération de CO2 observée lors du chauffage des échantillons à basse température (vers 400°C) reste pour l’heure inexpliquée par l’équipe de l’instrument TEGA. Il pourrait s’agir de carbonates de fer ou de magnésium (en plus de ceux de calcium déjà détectés, voir notre article précédent), de CO2 adsorbé sur certains minéraux, ou bien enfin de composés organiques oxydés par les perchlorates présents dans le sol.

La présence de chlorure de perchlorate à une concentration de 1 à 2% dans le sol martien, révélée à la fois par le TEGA et le MECA de Phoenix, ne serait en effet pas sans conséquence sur la détection de molécules organiques. Stables à la température ambiante martienne, la cohabitation de molécules organiques et de perchlorates au sein d’un même sol ne serait pas un problème. Le problème vient du chauffage nécessaire à l’analyse du sol. Cette augmentation de température peut provoquer la libération d’oxygène par décomposition des perchlorates, oxygène qui peut oxyder les molécules organiques jusqu’à les transformer complètement en dioxyde de carbone... Une telle combustion de molécules organiques sous l’effet des perchlorates pourrait être de l’origine du fameux pic de CO2 observé à basse température par Phoenix. Cependant, il faudra encore attendre de longs mois avant de pouvoir correctement interpréter ces données. Des analyses en laboratoire, menées sur un sol similaire à celui rencontré par Phoenix, seront nécessaires pour tenter de simuler les analyses faites par le TEGA sur Mars.

Enfin comme l’a fait remarqué Michael Hecht, responsable de l’instrument MECA sur Phoenix, lors des récentes conférences LPSC, il serait bon d’effectuer une nouvelle analyse des résultats obtenus par les sondes Viking en prenant en compte la présence de perchlorates, bien qu’il soit impossible pour le moment de dire si leur répartition est seulement locale, limitée au site d’atterrissage de Phoenix, ou bien globale.
Par ailleurs, Emily Lakdawalla, de la Planetary Society, rapporte sur son blog que la présence de perchlorate « remet en question toute technique thermique utilisée pour détecter de la matière organique » selon M. Hecht. En effet, si les perchlorates mènent inévitablement à la combustion des molécules organiques, peut être faudra-t-il en effet adopter de nouvelles stratégies pour chercher ces sacro-saintes molécules sur Mars !
Les prochaines sondes envoyées sur Mars devront suivre avec précaution les enseignements de la mission Phoenix.



Le robot de la mission Mars Science Laboratory programmée pour 2011.
(crédit : NASA/JPL)

Le futur se prépare aujourd’hui !

Les futures missions qui tenteront, entre autres objectifs, de détecter de la matière organique sur Mars sont déjà en préparation.

Le robot de 850 kg Mars Science Laboratory (MSL), qui s’envolera vers Mars en 2011, sera le premier véhicule jamais envoyé sur Mars avec autant d’instruments scientifiques tous plus sophistiqués les uns que les autres ! Parmi eux, l’instrument SAM (pour Sample Analysis at Mars), dont l’objectif est de détecter des molécules organiques. SAM est un GC-MS, comme celui envoyé sur les atterrisseurs Vikings, mais comportant des améliorations comme la possibilité d’ajouter un agent réactif dans l’échantillon de sol avant sa pyrolyse. Ce produit chimique pourra réagir avec les molécules organiques, si elles sont présentes dans l’échantillon, et faciliter leur passage en phase gazeuse tout en minimisant leur détérioration.



L’instrument SAM (Sample Analysis at Mars) en cours d’intégration au NASA Goddard Spaceflight Center. (crédit : NASA/GSC/SAM Team)

Quelques années plus tard, en 2016, ExoMars, le premier robot européen d’exploration de Mars, sera lancé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA). Sa mission sera essentiellement orientée vers la recherche de vie sur Mars, passée ou présente. Il sera équipé d’une foreuse qui prélèvera des échantillons de sol à 2 mètres de profondeur maximum. Le robot ExoMars possèdera à son bord un GC-MS baptisé MOMA (pour Mars Organic Molecule Analyser) qui sera assez semblable à celui de MSL. Mais ExoMars embarquera également un instrument d’un nouveau genre, baptisé Urey, qui sera capable de détecter des acides aminés avec une grande sensibilité (1000 fois plus sensible que l’instrument GC-MS des Vikings !).


À quand la détection de matière organique sur Mars ?

Même s’il est trop tôt pour se prononcer définitivement sur les résultats obtenus par Phoenix, il semble cependant assez clair que les données renvoyées sont vides de toute matière organique à première vue. Celle-ci semble avoir échappé, encore une fois, aux sondes martiennes !... Des publications dans les grandes revues scientifiques devraient suivre dans les mois qui viennent et préciseront les résultats obtenus.



Le futur robot ExoMars et sa foreuse. Il sera lancé en 2016. (crédit : ESA)

Parce qu’une non-détection (par les Vikings, puis par Phoenix) n’implique pas une absence certaine de matière organique dans le sol martien, les prochaines missions (MSL 2011, ExoMars 2016) referont ces analyses en augmentant au maximum les chances de détection. Si elles parviennent finalement à détecter des molécules organiques, l’interprétation de cette découverte sera alors à faire avec la plus grande prudence. En effet, il pourra s’agir de matière organique amenée par la sonde depuis la Terre malgré toutes les précautions prises, ou bien apportée dans le sol martien par les météorites, ou bien encore de trace de vie passée ou présente sur Mars ! Pour obtenir une réponse définitive, sûrement faudra-t-il alors réaliser une mission de retour d’échantillon vers la Terre. Et si les prochaines missions ne détectent pas de molécules organiques sur Mars ? Faudra-t-il développer de nouvelles stratégies ? Chercher ailleurs ? Creuser plus profondément ?... La planète Mars n’a décidément pas fini de nous livrer tous ses secrets !

Par Olivier Poch

Sources : NASA/Planetary Society Blog/Abstracts of 40th Lunar and Planetary Science Conference 2009

C’était le dernier article consacré à notre bilan de la mission Phoenix sur Orbit-Mars ! Lisez ou relisez les autres articles publiés à cette occasion :
  • Le déroulement de la mission
  • Des indices d’habitabilité
  • L’eau dans tous ses états ?

  • Pour revivre la mission de Phoenix, rendez-vous sur la page « Missions en direct ! » d’Orbit-Mars et dans la Galerie d’images !

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