Le rover Curiosity de la NASA, depuis trois années martiennes – presque six ans pour nous, Terriens – renifle l’air au-dessus du cratère Gale de Mars, son site d’exploration quasi-équatorial. Grâce à son laboratoire de chimie portable SAM (Sample Analysis at Mars), le rover a déterminé non seulement de quoi est faite l’atmosphère de surface, mais aussi comment ses gaz changent au fil des saisons.
Plusieurs des gaz martiens « se comportent très bien », explique Melissa Trainer, scientifique planétaire à la NASA et membre de l’équipe de l’expérience SAM. L’un d’entre eux, cependant, semble se comporter d’une manière décidément inattendue et tout à fait bizarre : l’oxygène.
Les scientifiques savent depuis longtemps que le dioxyde de carbone sur Mars, qui constitue 95 % de l’atmosphère de la planète, gèle au-dessus des pôles en hiver, et se sublime à nouveau en gaz en été. Dans l’air raréfié autour du cratère Gale, les mesures de Curiosity ont montré de minuscules quantités d’argon et d’azote inertes montant et descendant périodiquement, comme prévu, en raison de ce cycle saisonnier du dioxyde de carbone.
Les instruments de Curiosity ont également enregistré l’oxygène atmosphérique montant et descendant à des moments similaires, mais dans des quantités qui défient toute explication facile. Il y en avait beaucoup plus au printemps et en été, et moins en hiver, que le va-et-vient saisonnier des autres gaz ne le laissait prévoir.
Cela suggère que quelque chose fabrique ou libère des réserves d’oxygène pendant les mois les plus chauds et le piège ou l’avale pendant les mois les plus froids. Il pourrait s’agir d’un processus géologique, chimique, atmosphérique ou, peut-être même, biologique, mais pour l’instant, personne n’a la moindre idée de ce qu’est réellement le coupable. Et bien que le trampoline de l’oxygène semble certainement être une caractéristique locale, il pourrait s’agir d’une particularité régionale ou même mondiale.
François Forget, un scientifique planétaire au Centre national français de la recherche scientifique, dit que cette découverte est surprenante, bizarre et mystérieuse. Jon Telling, géochimiste et géomicrobiologiste à l’université de Newcastle, déclare que lui et d’autres experts sont naturellement « déconcertés ».
Un défi imprévu a soudainement été posé à la communauté scientifique. On ne sait pas quand, ni même si, l’affaire de l’oxygène trop zélé sera résolue. Déjà, selon Paul Niles, géologue planétaire et géochimiste analytique à la NASA, il est tout à fait clair que « Mars est beaucoup plus extraterrestre que nous le pensions. »
Curiosity Killed the Stats
Les mesures in situ de la pression, de la température et de la composition de l’atmosphère martienne remontent à près d’un demi-siècle, depuis les atterrisseurs Viking dans les années 1970 jusqu’aux rovers Spirit, Opportunity et maintenant Curiosity. La suite SAM de Curiosity a cependant suivi minutieusement la façon dont les quantités de gaz atmosphériques martiens changent au fil des saisons, fournissant ainsi aux scientifiques une chronique précise de l’atmosphère de la planète qui change la donne.
Les pics trop élevés et les nadirs trop bas de l’oxygène pendant les mois les plus chauds et les mois les plus froids, respectivement, ont été un choc. Les scientifiques de Curiosity ne pouvaient concevoir que deux possibilités : soit il existait sur Mars un mystérieux créateur et destructeur d’oxygène dont les scientifiques n’avaient pas connaissance, soit les mesures étaient fausses. M. Trainer, auteur principal de l’étude rapportant la découverte dans le Journal of Geophysical Research : Planets, souligne que cette détection et cette analyse ont pris de nombreuses années, tous les déclencheurs de faux positifs possibles ayant été écartés.
« Je pense qu’ils ont fait preuve de diligence raisonnable », déclare Niles. Beaucoup de choses peuvent mal tourner avec ces expériences scientifiques interplanétaires, des dysfonctionnements de l’équipement à la contamination. Quoi qu’il en soit, dit-il, « je ne vois aucune raison d’avoir des doutes sur les mesures d’oxygène. »
« J’espère que c’est réel », dit Forget, car une énigme extraterrestre sur l’oxygène est bien plus amusante qu’un pépin.
Une véritable énigme obligerait les chercheurs à revenir aux bases, dit Manish Patel, un scientifique planétaire de l’Open University. « Nous devons d’abord interroger notre compréhension des processus connus pour créer de l’oxygène, avant d’invoquer tout processus nouveau, ou controversé. »
Trainer et ses collègues ont fait cela. Mais ils n’ont toujours pas trouvé de réponse. Le rayonnement solaire pourrait briser les molécules d’oxygène et les souffler dans l’espace, mais ce processus semble trop lent et inefficace pour expliquer les baisses saisonnières observées par Curiosity. Peut-être que la lente dégradation du dioxyde de carbone dans l’atmosphère aurait pu libérer de l’oxygène, provoquant un pic en été – mais là encore, ce processus serait trop long pour produire les pics observés.
Le sol martien est riche en peroxyde d’hydrogène et en perchlorates contenant de l’oxygène. Les atterrisseurs Viking ont démontré que l’air chaud et humide pouvait libérer cet oxygène, mais ces conditions ne prévalent pas sur une surface suffisante de la planète – et encore moins dans le cratère Gale – pour suffire aux données SAM. Le bombardement du sol par les rayonnements ionisants des rayons cosmiques et des tempêtes solaires pourrait faire l’affaire, mais on estime qu’il faut un million d’années pour créer le pic d’oxygène observé au cours d’un printemps solitaire.
Nous n’en savons tout simplement pas assez sur Mars pour avoir une prise sur cette énigme particulière, dit Niles. Tant de choses sur sa chimie – comment les gaz sont transportés au-dessus et à l’intérieur de la planète, quelles sources et quels puits ils peuvent avoir – restent profondément incertaines. Pour autant que nous le sachions, dit-il, des événements survenus dans le passé de Mars pourraient avoir conspiré pour enfermer de vastes quantités d’oxygène sous terre, qui, pour une raison quelconque, refont surface dans l’atmosphère.
Si la réponse ne se trouve pas dans l’air et les roches sans vie de Mars, une forme cryptique et extraterrestre de biologie pourrait-elle être à blâmer ? Sur Terre, la photosynthèse et la respiration des êtres vivants provoquent d’infimes fluctuations dans la concentration d’oxygène, par ailleurs stable, de notre planète. Nous ne devrions pas nous attendre à cela sur Mars, cependant. « C’est très loin », dit Telling : Mars semble trop inhospitalière pour une masse critique de vie capable d’entretenir l’un ou l’autre processus. « Il s’agira presque certainement d’une réaction chimique non biologique. »
Telling elle-même n’exclut pas une explication biologique, mais souligne néanmoins son improbabilité. « Les gens de la communauté aiment dire que ce sera l’explication de dernier recours, parce que ce serait tellement monumental », dit-elle. Il y a une foule de mécanismes abiotiques, connus et inconnus, à écarter d’abord avant de sauter sur des affirmations plus sensationnelles.
Riding the Methane Rollercoaster
Cette énigme de l’oxygène n’est pas sans rappeler le méthane espiègle de Mars, un autre mystère de longue date de la planète rouge. Bien que l’air martien contienne un faible niveau de méthane de fond persistant, depuis des années, de multiples groupes indépendants de scientifiques affirment avoir détecté des pics dramatiques et imprévisibles dans l’abondance atmosphérique de ce gaz. Curiosity a repéré un tel pic en 2013 et un autre, nettement plus important, en 2019. Ce qui est déroutant, c’est que de nombreuses détections de méthane au sol n’ont pas été corroborées par les engins spatiaux qui sondent l’atmosphère au-dessus de la surface martienne, notamment le Trace Gas Orbiter et Mars Express de l’ESA.
Le méthane a un large éventail de sources et de puits sur Terre. Certains sont géologiques, mais beaucoup sont biologiques. Sur Mars, le méthane en suspension dans l’air devrait se décomposer rapidement, de sorte que tout pic est présumé avoir été généré peu de temps avant une détection ; ce fait a alimenté les spéculations sur un progéniteur microbien martien existant comme cause des pics observés par Curiosity. Mais comme pour l’oxygène, « le méthane est tout aussi déroutant », déclare M. Forget. Les scientifiques ne peuvent pas dire grand-chose à son sujet avec certitude, notamment s’il apparaît à l’échelle locale, régionale ou mondiale, et pourquoi.
Si les pics de méthane sur Mars sont authentiques, et causés par un processus chimique encore inconnu, les scientifiques posent que cela devrait avoir des effets d’entraînement sur les autres gaz de l’atmosphère – mais rien de tel n’a jamais été observé. Jusqu’à présent, bien sûr : Les relevés SAM de Curiosity suggèrent que les niveaux d’oxygène, au fil des saisons, augmentent et diminuent parfois avec les concentrations de méthane sur Mars.
« Ce n’est certainement pas une correspondance parfaite », dit Trainer ; pour chaque gaz, les timings et les extrémités des pics et des creux divergent, ce qui suggère que les deux gaz sont contrôlés par différentes combinaisons de processus. Si, toutefois, la danse implicite imparfaitement synchronisée entre les deux gaz est réelle, alors comprendre le comportement de l’un peut nous aider à comprendre l’autre.
Avec autant de questions en main, où allons-nous maintenant ? Renifler davantage l’air à la surface de Mars avec SAM serait toujours le bienvenu, dit Trainer ; ces données peuvent être introduites dans des modèles et des expériences de laboratoire qui pourraient percer le mystère de l’oxygène maniaque de Mars.
Curiosity, cependant, ne renifle du gaz que dans une seule zone, donc ses données sont mal adaptées pour confirmer si ces montagnes russes d’oxygène sont un phénomène local ou global, dit Patel. L’orbiteur de gaz à l’état de traces pourrait toutefois être d’une grande aide. « Je parierai vraiment beaucoup que si cette variation de l’oxygène est réelle, elle doit être assez globale », dit Forget – et cet orbiteur est bien placé pour le déterminer.
Il est trop tôt pour prédire s’il s’agira d’un phénomène colossal ou miniature, un phénomène avec une explication rudimentaire ou une racine bien plus révolutionnaire. À l’heure actuelle, dit Trainer, tout ce que nous pouvons dire en toute confiance sur les niveaux d’oxygène sauvages de Mars, c’est que « nous nous appuyons sur toutes les connaissances actuelles que nous avons et nous disons, bon sang, ça ne colle pas. »
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