Après une série d’échecs de missions, juillet 1965 voit les premiers survols réussis de Mars. La sonde américaine Mariner 4 est devenue le premier engin spatial à prendre des photos rapprochées d’une autre planète, renvoyant vers la Terre 22 images de la surface martienne marquée par des impacts. Depuis lors, plus de 20 missions réussies ont exploré l’atmosphère et la surface de la plante rouge.
Grâce aux images et aux données recueillies – et par les télescopes, tant sur terre que dans l’espace – nous savons maintenant qu’il y a des milliards d’années, Mars possédait les trois ingrédients essentiels à la vie. Elle disposait d’une abondance d’éléments chimiques de base, d’eau liquide à sa surface et d’une source d’énergie (activité volcanique) pour alimenter les réactions chimiques qui rendent la vie possible (sur Terre, cette source d’énergie est le soleil). Aujourd’hui, la surface inhospitalière de Mars est considérée comme impropre à la vie, mais la possibilité que la vie existe en profondeur sous sa surface gelée n’a pas été exclue. À ce jour, cependant, aucune preuve de vie – ancienne ou autre – n’a été trouvée. Il s’avère que le fait que Mars soit habitable ne signifie pas qu’elle possède réellement un habitat.
Source : NASA/JPL-Caltech/MSSS
Mars possède tous les ingrédients de la vie – eau, produits chimiques et énergie – mais pas encore de signes d’êtres vivants
La recherche de la vie martienne se poursuit, avec trois autres missions vers Mars dont le lancement est prévu au cours des prochaines années. À plus long terme, un certain nombre d’agences spatiales ont également pour objectif de collecter des échantillons de Mars et de les ramener sur Terre pour une analyse plus approfondie. Et la recherche de signes de vie extraterrestre s’étend jusqu’aux profondeurs de notre système solaire et au-delà.
Europa
La géante gazeuse Jupiter, la planète suivante après Mars dans le système solaire, est inhospitalière à la vie sous toutes les formes actuellement imaginables. Mais ses lunes glacées – en particulier Europe – ont un potentiel. Un certain nombre de missions ont survolé Jupiter et ses lunes en route vers d’autres lieux, mais la mission Galileo de la Nasa a été la première conçue pour orbiter spécifiquement autour de la planète et étudier ses lunes. Elle a collecté des images et des données dans le système jovien de 1995 à 2003, passant 12 fois devant Europa.
Source : NASA/JPL-Caltech/SETI Institute
La lune de Jupiter, Europe, est l’un des endroits les plus susceptibles d’abriter la vie en dehors de la Terre, avec ses océans liquides et ses sources d’énergie gravitationnelle
Les images et les données recueillies par ce vaisseau spatial suggèrent qu’Europe a une structure en couches comme la Terre : un noyau riche en fer, un manteau rocheux et une croûte de glace. Les mesures du champ magnétique ont révélé la présence d’un courant électrique à l’intérieur, ce qui correspond à un océan liquide salé sous l’épaisse croûte de glace qui entoure toute la planète. Des photographies montrant d’énormes fissures dans la glace, prises par la même mission, confortent cette idée.
La surface d’Europa ressemble à la glace de mer terrestre de l’Antarctique, explique François Poulet de l’Institut d’astrophysique spatiale de l’Université Paris-Sud en France : ‘Cela indique que la glace est géologiquement assez jeune et cela pourrait être la preuve de son interaction avec un réservoir d’eau liquide.’ En décembre 2012, le télescope spatial Hubble a également détecté de la vapeur d’eau au-dessus du pôle sud d’Europe et il a été proposé que cela provienne de panaches d’eau en éruption. Les engins spatiaux n’ont cependant pas encore vu ces panaches, donc s’ils existent, ils doivent être intermittents.
Donc, Europe a probablement de l’eau. Mais qu’en est-il des deux autres composants nécessaires pour être habitable ? Elle a une source d’énergie thermique provenant de la friction d’être tirée vers le champ gravitationnel de Jupiter par différentes quantités pendant les différentes étapes de son orbite elliptique. Il y a également beaucoup de radiations autour de Jupiter qui pourraient déclencher des réactions chimiques (suffisamment fortes pour détruire très rapidement tout composé organique formé). Mais on ne sait pas encore si elle possède les bons ingrédients chimiques bruts ; la modélisation suggère que ce pourrait être le cas, mais des données plus concrètes sont nécessaires.
En 2022, l’Agence spatiale européenne (ESA) et la Nasa prévoient toutes deux de lancer des engins spatiaux qui s’approcheront au plus près d’Europe. Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) de l’ESA mettra plus de sept ans pour atteindre le système jovien. Nous arriverons à la fin de l’année 2029 et commencerons à fonctionner en 2030″, a déclaré M. Poulet, membre de l’équipe chargée de développer le spectromètre visible et infrarouge embarqué, appelé Majis (Moons and Jupiter Imaging Spectrometer). La principale cible de la mission Juice est Ganymède, une autre des lunes de Jupiter, mais Europe fera l’objet de deux survols. Majis caractérisera la composition de la surface de cette lune et, avec le spectromètre UV embarqué, déterminera la composition de l’atmosphère très fine d’Europe. D’autres caméras et spectromètres permettront également de mieux comprendre l’intérieur et la croûte de ce monde glacé.
Pour la mission Europa Clipper de la Nasa, Europa est la star du spectacle. Alors que la mission apparemment évidente serait d’orbitaliser Europa pendant quelques années, tout vaisseau spatial faisant cela serait exposé à des radiations de Jupiter qui réduiraient sa durée de vie. Au lieu de cela, Europa clipper va orbiter autour de Jupiter, en entrant et sortant de sa ceinture de radiations. Il effectuera au moins 45 survols rapprochés d’Europe sur une période de trois ans et demi. Un mélange de caméras et de spectromètres examinera la lune et son atmosphère ténue. Si les panaches d’eau au-dessus du pôle Sud existent bel et bien, la sonde pourra également les traverser et mesurer directement la composition chimique de l’océan lunaire. Si l’Europa Clipper est lancé en 2022, deux dates d’arrivée sont possibles : 2025, si le nouveau système de lancement spatial (SLS) de la Nasa actuellement en développement est utilisé, ou janvier 2030, si une fusée traditionnelle est utilisée.
Encelade
Les lunes de Saturne, voisine de Jupiter, sont également des cibles de choix dans la recherche de vie extraterrestre, notamment Encelade et Titan. Cassini est arrivé dans le système de Saturne en 2001 et a effectué 23 survols d’Encelade et 127 de Titan avant que la mission ne se termine en septembre 2017.
Source : NASA/JPL/Space Science Institute
Encelade, qui orbite autour de Saturne, aurait des cheminées hydrothermales, comme celles qui ont pu donner le coup d’envoi de la vie sur Terre
Le premier survol d’Encelade a soulevé des signaux indiquant qu’il ne s’agissait pas du corps glacé sans air supposé jusqu’alors, explique Linda Spilker, scientifique du projet Cassini. Cassini s’est donc rapprochée, puis s’est à nouveau rapprochée. Lors du troisième survol, nous avons détecté dans l’infrarouge thermique un pôle Sud chaud et nous avons vu de près les quatre fractures en forme de bandes de tigre », explique-t-elle. Les marques de la bande tigrée près du pôle Sud sont 200°C plus chaudes que le reste de la lune. Comme pour Europe, on suppose que la friction causée par les forces gravitationnelles de Saturne fait qu’Encelade se réchauffe de l’intérieur.
Ce troisième survol a également recueilli des preuves d’un panache de matière jaillissant des rayures. Bien sûr, cela nous a encore plus intrigués au sujet d’Encelade », dit Spilker. Certains des 20 survols suivants ont traversé directement le panache de matière et ont échantillonné les gaz et les particules qu’il contenait. C’est alors que nous avons trouvé de la vapeur d’eau, un réservoir salé et des substances organiques.’
Le spectromètre de masse ionique et neutre à bord de Cassini a détecté des molécules organiques dans les panaches, à la fois dans les gaz et dans les particules qui s’y trouvent, jusqu’à la limite de l’instrument. Ils ont pu détecter jusqu’à 100 unités de masse atomique. Il y a des groupes de C2 à C6 et peut-être au-delà’, explique Spilker.
Nous avons trouvé de la vapeur d’eau, un réservoir salé et des matières organiques provenant des jets polaires d’Encelade
Bien que ce soit ‘très excitant de trouver ces matières organiques’, il n’est pas encore possible de dire si elles ont été formées par des êtres vivants ou non, explique-t-elle. ‘L’instrument n’a pas le moyen de faire cette distinction, nous devons y retourner avec des spectromètres de masse plus puissants, allant sur une plage beaucoup plus large qui pourrait rechercher des molécules parentes à grande chaîne comme les acides aminés et les acides gras.’
D’autres découvertes passionnantes dans les données du panache étaient l’excès d’hydrogène et la détection de minuscules grains de nanosilice, qui ne peuvent se former que dans de l’eau très chaude. Ces deux éléments d’information ont permis de mettre en évidence la présence de cheminées hydrothermales sur le plancher océanique d’Encelade », a déclaré Spilker. Les cheminées hydrothermales se forment aux endroits où l’eau de mer rencontre le magma. L’eau descend dans les fissures du noyau, est chauffée et ressort à nouveau avec force.
Sur Terre, les cheminées hydrothermales regorgent d’organismes qu’on ne voit nulle part ailleurs. Ces microbes tirent leur énergie des nutriments contenus dans les fluides riches en minéraux qui remontent du noyau terrestre. On pense que ce sont les seuls organismes sur Terre qui ne tirent pas leur énergie du soleil. Les cheminées hydrothermales sur Encelade, et d’autres corps planétaires, sont donc des sites potentiels pour la vie.
Encelade, comme Europe, aurait un océan global sous sa surface glacée. Une étude de 10 ans de données Cassini, portant sur les vibrations de la lune, a révélé que le noyau et la croûte ne sont pas fixés ensemble. Une façon de les découpler est d’avoir un océan d’eau liquide global », dit Spilker. On estime aujourd’hui que cet océan global sur Encelade pourrait avoir des centaines de millions, voire des milliards d’années – il pourrait même exister depuis la formation d’Encelade. C’est excitant parce que cela signifie qu’il y a eu une énorme quantité de temps dans une énorme masse d’eau pour que la vie puisse potentiellement se former, explique-t-elle.
Les données recueillies par Cassini montrent qu’Encelade a les trois ingrédients nécessaires pour soutenir la vie, mais aucune preuve que la vie est effectivement présente n’a encore été trouvée. Les télescopes, explique Spilker, ne sont pas très performants pour explorer cette lune : « Encelade est très petite, et elle est très proche de Saturne, ce qui la rend difficile à détecter depuis la Terre ». Et pour cette raison, une autre mission ici est souhaitable, explique-t-elle.
Titan
Cassini n’était pas le premier vaisseau spatial à visiter les lunes de Saturne. Voyager 1 a visité la région en 1980. Lorsque les chercheurs sont retournés retraiter certaines de ces anciennes images, après que Cassini ait découvert les panaches d’Encelade, ils se sont rendu compte que les jets avaient en fait été capturés par une caméra 25 ans plus tôt.
C’est toutefois Titan qui était la cible principale de la mission Voyager de la Nasa. En 1944, les astronomes ont découvert à l’aide de télescopes que cette lune possédait une épaisse atmosphère contenant du méthane. Les données recueillies par la sonde Voyager ont ensuite montré qu’il s’agissait principalement d’azote, de quelques pour cent de méthane et de plus petites quantités d’hydrocarbures tels que l’éthane, le propane et l’acétylène. Les mesures effectuées par l’Observatoire spatial infrarouge au milieu des années 1990 nous ont permis de découvrir des molécules plus complexes », explique Sarah Hörst, chimiste de l’atmosphère à l’université Johns Hopkins de Baltimore (États-Unis). ‘Le benzène était la molécule la plus lourde que nous connaissions avant Cassini’, ajoute-t-elle.
La chimie se complique très vite sur Titan
‘Cassini est arrivé là et a commencé à faire des mesures de l’atmosphère et au lieu de trouver des choses qui avaient une masse de 78 comme le benzène, Cassini a découvert qu’il y a des ions au sommet de l’atmosphère de Titan qui ont des masses de plus de 10 000’, dit Hörst. ‘Cela représente donc sept ou huit cents atomes de carbone plutôt que six ou sept atomes de carbone.’
Les instruments à bord de Cassini – et de sa sonde Huygens, qui s’est posée sur Titan en janvier 2005 – n’ont pas pu identifier ces ions, juste confirmer leur existence. Ces molécules se forment lorsque l’azote et le méthane présents à l’extérieur de l’atmosphère sont décomposés par la lumière et les rayonnements ultraviolets, puis se recombinent de toutes sortes de façons. La chimie se complique très rapidement sur Titan », explique Ralph Lorenz, également de l’université Johns Hopkins. Hörst est d’accord : ‘L’une des plus grandes choses que Cassini nous a apprises sur Titan est que la chimie est encore plus compliquée que nous le pensions avant d’y arriver.’
On pense également que Titan possède un océan d’eau liquide sous sa surface glacée. La croûte de glace est probablement beaucoup plus épaisse sur Titan qu’elle ne l’est sur Europe et Encelade », déclare Hörst. Là encore, comme on le soupçonne pour les autres lunes dotées d’océans souterrains, la vie pourrait y exister. Mais ce n’est pas le seul environnement sur Titan où la vie pourrait potentiellement se former.
Titan a des lacs à travers ses pôles. C’est le seul endroit autre que la Terre connu pour avoir un liquide à sa surface. Mais avec une température de surface de -180°C, ils ne peuvent pas contenir d’eau. La mission Cassini a déterminé qu’ils sont remplis d’éthane et de méthane superfroids, qui sont des gaz sur Terre. Sur Titan, ces hydrocarbures liquides creusent les vallées des rivières, forment des nuages et tombent en pluie. Mais pourraient-ils aussi agir comme le solvant nécessaire au maintien de la vie ?
« S’il y a des organismes à la surface, ils devraient utiliser une chimie très différente de la nôtre », explique Hörst. ‘Elle pourrait encore être basée sur le carbone, l’azote, l’hydrogène et l’oxygène. Il pourrait simplement s’agir d’un ensemble différent de molécules qui fonctionnent mieux à ces températures avec ce solvant.’
La matière organique tombe constamment de l’atmosphère
‘Nous ne comprenons pas vraiment toute la gamme des possibilités chimiques dans un solvant non polaire comme le méthane liquide’, explique Lorenz. On a émis l’hypothèse qu’il serait possible de former des membranes avec l’acrylonitrile. L’idée est que ce type d’assemblage s’appelle un azotosome, un analogue du liposome dans la chimie biologique conventionnelle ». Les extrémités aimant le méthane et détestant le méthane des molécules pourraient permettre à l’acrylonitrile de s’arranger en une vésicule sphérique capable d’isoler un ensemble de produits chimiques d’un autre.
‘Nous connaissons certaines possibilités pour les fonctions que la chimie de l’acrylonitrile doit remplir pour devenir éventuellement vivante, mais nous ne savons pas comment toutes les étapes pourraient être réalisées. Nous ne savons pas non plus, bien sûr, comment toutes les étapes pourraient être réalisées dans l’eau’, dit Lorenz. Il s’agit donc de deux environnements différents dans lesquels nous devons rechercher la vie sur Titan. Nous pouvons rechercher la vie telle que nous la connaissons mais aussi la vie telle que nous ne la connaissons pas, ce qui complique les choses.’
Hörst et Lorenz font partie d’une mission au stade des idées visant à faire exactement cela. En décembre 2017, la Nasa a annoncé un financement supplémentaire pour développer la possibilité d’envoyer un giravion ressemblant à un drone, appelé Dragonfly, pour explorer la chimie prébiotique de Titan. Au printemps 2019, la Nasa annoncera si Dragonfly décollera ou non.
« Si nous avons la chance que Dragonfly soit financé, nous nous lancerions en 2025 et nous arriverions sur Titan en 2034 », explique Lorenz. Dragonfly serait un quadcoptère capable de voler sur quelques dizaines de kilomètres en une heure, plus loin qu’aucun rover planétaire n’a jamais parcouru. ‘Les particularités de l’environnement de Titan, avec sa faible gravité et son atmosphère épaisse, signifient qu’il serait très facile de déplacer le laboratoire à l’aide de rotors. Nous pourrons décoller et explorer des cibles progressivement plus intéressantes’, dit-il.
Dragonfly contiendrait une suite d’instruments pour examiner la chimie de la surface et de l’atmosphère de Titan. Elle serait également capable de sonder le sous-sol à l’aide d’une foreuse et d’un spectromètre à rayons gamma. Nous pourrons ainsi obtenir des informations sur des choses que nous ne pouvons pas nécessairement voir si nous nous contentons de regarder la surface », explique Hörst. ‘La matière organique tombe constamment de l’atmosphère et elle peut recouvrir ce qui se trouve en dessous.’
Avant 2034, des télescopes continueront à être utilisés pour étudier Titan. ‘L’Atacama Large Millimetre Array, un réseau de radiotélescopes dans le désert d’Atacama en Amérique du Sud, est une ressource vraiment incroyable pour nous’, dit Hörst. Il utilise Titan comme cible d’étalonnage et toutes ces données sont accessibles au public. Les gens découvrent déjà un certain nombre de nouvelles molécules dans l’atmosphère de Titan grâce à ces données ». Le télescope permettra également de découvrir des informations sur la manière dont ces molécules sont réparties dans l’atmosphère de Titan. ‘Et puis, une fois que James Webb sera lancé, nous espérons pouvoir obtenir de bonnes données scientifiques sur Titan grâce à ce télescope également.’
Au delà de notre système solaire
Le télescope spatial James Webb (JWST) devrait être lancé au cours du premier semestre 2019. Il se » garera » au point de Lagrange deux, un endroit de l’espace profond où l’attraction gravitationnelle du soleil, de la Terre et de la lune s’annule. Il restera là, en orbite autour de ce point de l’espace », explique Nikole Lewis, astronome au Space Telescope Science Institute de Baltimore, aux États-Unis, où le JWST est en cours de développement. C’est également le centre des opérations scientifiques du télescope spatial Hubble.
En plus d’étudier les planètes et les lunes de notre système solaire, le JWST regardera au-delà de notre système solaire et rejoindra l’étude des exoplanètes qui ont le potentiel d’abriter la vie. En février 2017, il a été annoncé que l’étoile Trappist-1 a sept planètes de taille terrestre en orbite. Situé à seulement 39 années-lumière, ce système solaire ressemble beaucoup au nôtre. Et au moins trois des planètes se trouvent dans la zone dite habitable, ce qui signifie qu’elles pourraient accueillir de l’eau liquide à leur surface.
Les planètes Trappist-1 ont été découvertes à l’aide du télescope spatial Spitzer, du petit télescope Transiting Planets and Planetesimals (Trappist) au Chili et de quelques autres télescopes terrestres. Et depuis leur découverte, une équipe codirigée par Lewis a examiné l’atmosphère de certaines de ces planètes à l’aide de Hubble. Le JWST ajoutera beaucoup plus de détails à l’image que son équipe forme actuellement de ces exoplanètes et de leurs atmosphères.
Le JWST est un télescope infrarouge beaucoup plus sensible que tous ses prédécesseurs. Il sera capable de détecter les empreintes chimiques – si elles existent – des composants de l’atmosphère des exoplanètes, notamment l’eau, le méthane, le dioxyde de carbone, l’oxygène et l’ozone.
L’équipe de Lewis cherchera également des preuves de la présence de la vie sur une ou plusieurs de ces planètes, modifiant la chimie de son atmosphère. Nous nous attendons à ce que certaines espèces chimiques soient en équilibre et que la vie vienne perturber cet équilibre », explique-t-elle. ‘Nous allons pouvoir rechercher un grand nombre de planètes à la recherche de ces signes de déséquilibre dans leur atmosphère qui indiqueraient qu’il y a de la vie.’
Lewis est clairement excitée par ce que l’avenir peut apporter. Il s’agit d’une période de grande transformation en termes d’exoplanètes et de science du système solaire. Pousser de l’avant, essayer de comprendre les lunes dans nos systèmes solaires et puis peut-être leur potentiel pour soutenir la vie.’
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