Avec des bombes : c'est ainsi que le Soleil a dépouillé Mars de son atmosphère et de son eau.

Dans le puzzle complexe du passé de Mars, il y a une pièce que les géologues planétaires tentent de reconstituer depuis des décennies. À l'aube de son existence, la planète rouge, aujourd'hui aride et sèche, était peut-être un monde aquatique bouillonnant, avec de puissants fleuves alimentant des lacs aussi grands que des mers. De vastes étendues d'eau qui abritaient peut-être la promesse de la vie.

Aujourd'hui, cependant, le monde voisin n'est plus qu'un désert désolé, aride et gelé, où l'eau, sous forme de glace, se fait rare et n'est plus que le fantôme d'un passé autrefois humide. Où est passée toute l'eau de Mars, et pourquoi ? Telle est la question, la pièce manquante du puzzle qui taraude depuis longtemps les scientifiques.

Aujourd'hui, après plus d'une décennie d'observation et d'analyse méticuleuses, la mission MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) de la NASA, en orbite autour de Mars depuis novembre 2013, vient de révéler un mécanisme insaisissable qui pourrait être la pièce manquante. Un processus d'« échappement atmosphérique », appelé « pulvérisation », pourrait être la clé pour comprendre comment Mars a perdu la majeure partie de son eau. Cette découverte vient d'être publiée dans « Science Advances ».

La surface martienne ne raconte aucune histoire : elle est sillonnée de cicatrices évidentes d'un passé bien plus humide. Des vallées autrefois fluviales, des lacs asséchés et des minéraux qui ne se forment qu'en présence d'eau témoignent directement d'une époque où l'eau liquide coulait librement sur la planète.

Et nous savons que, pour préserver toute cette eau liquide, Mars a dû posséder autrefois une atmosphère beaucoup plus dense qu'aujourd'hui, semblable à celle de la Terre, capable de piéger la chaleur et de maintenir une pression de surface élevée. Comprendre quand et comment cette atmosphère s'est affaiblie est essentiel pour reconstituer l'évolution climatique de la planète rouge et déterminer, par conséquent, combien de temps elle a pu rester habitable.

Ces dernières années, les scientifiques ont accumulé de plus en plus de preuves que le vent solaire, ce flux constant de particules chargées émis par le Soleil, pourrait être responsable de la perte d'une grande partie de l'atmosphère martienne. En avril 2022, la communauté astronomique internationale a pu constater de visu comment une puissante éruption solaire a « survolé » Mercure, arrachant une partie de son atmosphère d'un seul coup . Cet épisode violent et ponctuel, différent et bien plus puissant que le vent solaire, qui est un flux continu et incessant, a néanmoins mis en évidence la capacité de notre étoile à « dépouiller » ses planètes.

Le crépitement détecté par la mission MAVEN est un processus d'échappement au cours duquel des atomes sont projetés hors de l'atmosphère par des particules chargées énergétiques. « C'est comme jeter une bombe dans une piscine », explique Shannon Curry, chercheuse principale de MAVEN au Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale de l'Université du Colorado à Boulder et auteure principale de l'étude. « Mais la bombe, dans ce cas, ce sont les ions lourds qui s'écrasent très rapidement dans l'atmosphère et éclaboussent les atomes et molécules neutres. » Il s'agit donc d'un « bombardement » constant de minuscules coups de canon qui, comme l'eau d'une piscine, éclaboussent les atomes et molécules de la haute atmosphère de Mars, les libérant de l'attraction gravitationnelle de la planète et les propulsant dans l'espace.

Bien que les scientifiques aient déjà trouvé des indices indirects de ce « crépitement », ils ne l'avaient jamais observé directement. En réalité, les preuves précédentes provenaient de l'analyse des isotopes d'argon dans la haute atmosphère de Mars. Les isotopes légers se déposent plus haut dans l'atmosphère que leurs homologues plus lourds. On a découvert qu'il y avait beaucoup moins d'isotopes légers que d'isotopes lourds d'argon dans l'atmosphère martienne, et il s'avère que ces isotopes légers ne peuvent être éliminés que par crépitement. « C'était comme si nous avions trouvé les cendres d'un feu de camp », explique Shannon Curry. « Mais nous voulions observer directement le feu – en l'occurrence, le crépitement. »

Pour observer le phénomène de crachotement en action, l'équipe MAVEN avait besoin de mesures simultanées, au bon endroit et au bon moment, provenant de trois instruments embarqués à bord du vaisseau spatial : l'analyseur d'ions du vent solaire, le magnétomètre et le spectromètre de masse à gaz neutre et ionique. Les chercheurs avaient également besoin de mesures sur les faces diurne et nocturne de la planète à basse altitude, ce qui a nécessité des années d'observation.

Enfin, la combinaison des données de ces instruments a permis aux auteurs de l'étude de créer une nouvelle carte de la pulvérisation d'argon en relation avec le vent solaire. Cette carte a révélé la présence d'argon à haute altitude, aux endroits précis où les particules énergétiques frappent l'atmosphère et « pulvérisent » de l'argon, affichant la pulvérisation en temps réel. Les chercheurs ont également découvert que ce processus est quatre fois plus abondant que prévu, et que ce taux augmente lors des tempêtes solaires.

L'observation directe du crépitement dans l'atmosphère martienne confirme que ce processus, comme on le soupçonnait, a été une source majeure de perte atmosphérique aux débuts de l'histoire de Mars, lorsque l'activité solaire était beaucoup plus intense. Il est important de rappeler qu'à ses débuts, le jeune Soleil était plus actif et émettait des vents solaires plus forts et plus fréquents qu'aujourd'hui, ce qui aurait amplifié l'effet du crépitement.

« Ces résultats », explique Curry, « établissent le rôle des crachotements dans la perte de l'atmosphère martienne et dans l'histoire de l'eau sur Mars. » Cette découverte aidera les scientifiques à enfin comprendre les conditions qui ont permis la présence d'eau liquide à la surface de Mars et leurs implications pour l'habitabilité de la planète il y a des milliards d'années. Si Mars a un jour abrité la vie, celle-ci s'est probablement développée à une époque où la planète était plus chaude et plus humide. Les crachotements nous offrent un aperçu du passé de Mars et nous permettent de mieux comprendre combien de temps la planète rouge a pu être un environnement propice à la vie.

De plus, cette étude pourrait également avoir des implications pour déterminer l'habitabilité d'autres exoplanètes. Si une exoplanète possède une atmosphère et est exposée à un fort vent stellaire, la pulvérisation cathodique pourrait être un important mécanisme de perte atmosphérique, affectant son potentiel à abriter la vie.