Cette mission tant attendue qui pourrait changer tout ce que nous savons sur Mars

Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

Le 17 mars 2022 a été une journée difficile pour Jorge Vago. Physicien planétaire, Jorge Vago dirige les activités scientifiques d'une partie du programme ExoMars de l'Agence spatiale européenne. Son équipe était à quelques mois du lancement du premier rover martien européen, un objectif auquel elle travaillait depuis près de vingt ans. Mais ce jour-là, l'ESA a suspendu ses relations avec l'agence spatiale russe en raison de l'invasion de l'Ukraine. Le lancement était prévu au cosmodrome de Baïkonour, au Kazakhstan, qui est loué à la Russie.

"Ils nous ont dit que nous devions tout annuler", raconte M. Vago. "Nous étions tous en deuil."

C'est un revers douloureux pour le rover Rosalind Franklin, initialement approuvé en 2005. Des difficultés budgétaires, des changements de partenaires, des problèmes techniques et la pandémie de Covid-19 avaient déjà causé des retards. Et maintenant, une guerre. "J'ai passé la plus grande partie de ma carrière à essayer de faire décoller ce projet", déclare M. Vago. Pour compliquer encore les choses, la mission comprenait un atterrisseur et des instruments de fabrication russe, que les États membres de l'ESA devaient financer pour remplacer. Ils ont envisagé de nombreuses options, y compris celle de placer le rover inutilisé dans un musée. Mais en novembre, une bouée de sauvetage est apparue, lorsque les ministres européens de la recherche ont promis 360 millions d'euros pour couvrir les dépenses de la mission, y compris le remplacement des composants russes.

Lorsque le rover décollera enfin, si tout va bien, en 2028, il transportera une série d'instruments de pointe, dont un en particulier pourrait avoir un impact scientifique considérable. Conçu pour analyser tout matériau contenant du carbone trouvé sous la surface de Mars, le spectromètre de masse de nouvelle génération du rover est le pivot d'une stratégie visant à répondre enfin à la question la plus brûlante concernant la planète rouge : existe-t-il des preuves de vie passée ou présente ?

"Il existe de nombreuses façons de rechercher la vie", explique Marshall Seaton, chimiste analytique, chercheur postdoctoral de la NASA au Jet Propulsion Laboratory et coauteur d'un article sur l'analyse planétaire publié dans l'Annual Review of Analytical Chemistry (Revue annuelle de chimie analytique). La voie la plus évidente et la plus directe consiste sans doute à rechercher des microbes fossilisés. Mais la chimie non vivante peut créer des structures faussement réalistes. Le spectromètre de masse aidera les scientifiques à rechercher des modèles moléculaires qui ont peu de chances de se former en l'absence de biologie vivante.

La recherche de modèles de vie, plutôt que de structures ou de molécules spécifiques, présente un avantage supplémentaire dans un environnement extraterrestre, explique Seaton. "Cela nous permet de rechercher non seulement la vie telle que nous la connaissons, mais aussi la vie telle que nous ne la connaissons pas.

Représentation artistique du rover Rosalind Franklin.

Faire ses valises pour Mars

Au Goddard Space Flight Center de la NASA, à Washington, le planétologue William Brinckerhoff montre un prototype du spectromètre de masse du rover, connu sous le nom de Mars Organic Molecule Analyzer, ou MOMA (analyseur de molécules organiques martiennes). De la taille d'une valise, l'instrument est un labyrinthe de fils et de métal. "C'est une véritable bête de somme", explique Brinkerhoff tandis que son collègue, le planétologue Xiang Li, ajuste des vis sur le prototype avant de montrer un carrousel qui contient des échantillons.

Ce prototype fonctionnel est utilisé pour analyser les molécules organiques présentes dans les sols martiens de la Terre. Une fois que le véritable MOMA sera arrivé sur Mars, vers 2030, Brinckerhoff et ses collègues utiliseront le prototype - ainsi qu'une copie intacte conservée dans un environnement martien à la NASA - pour tester les modifications apportées aux protocoles expérimentaux, résoudre les problèmes qui surviennent au cours de la mission et faciliter l'interprétation des données martiennes.

Ce dernier spectromètre de masse remonte à près de 50 ans, à la première mission d'étude du sol martien. Pour les deux atterrisseurs Viking de 1976, les ingénieurs ont miniaturisé des spectromètres de masse de taille ambiante pour qu'ils aient à peu près l'encombrement des imprimantes de bureau d'aujourd'hui. Ces instruments ont également été embarqués à bord de l'atterrisseur Phoenix de 2008, du rover Curiosity de 2012 et des orbiteurs martiens ultérieurs de la Chine, de l'Inde et des États-Unis.

Toute personne visitant le prototype de Brinckerhoff doit d'abord passer devant une vitrine contenant une copie démontée de l'instrument Viking, prêtée par la Smithsonian Institution. "C'est comme un trésor national", déclare Brinckerhoff en montrant avec enthousiasme les composants.

Les spectromètres de masse sont des outils indispensables utilisés pour la chimie analytique dans les laboratoires et autres installations du monde entier. Les agents de la TSA les utilisent pour vérifier la présence d'explosifs dans les bagages à l'aéroport. Les scientifiques de l'EPA les utilisent pour rechercher des contaminants dans l'eau potable. Et les fabricants de médicaments les utilisent pour déterminer les structures chimiques de nouveaux médicaments potentiels.

Il existe de nombreux types de spectromètres de masse, mais chacun d'entre eux "est un instrument en trois parties", explique Devin Swiner, chimiste analytique au sein de l'entreprise pharmaceutique Merck. Tout d'abord, l'instrument vaporise les molécules en phase gazeuse et leur confère une charge électrique. Ces molécules de gaz chargées, ou ionisées, peuvent ensuite être manipulées à l'aide de champs électriques ou magnétiques afin qu'elles se déplacent dans l'instrument.

Deuxièmement, l'instrument trie les ions en fonction d'une mesure que les scientifiques peuvent associer au poids moléculaire, afin de déterminer le nombre et le type d'atomes que contient une molécule. Enfin, l'instrument enregistre tous les "poids" d'un échantillon ainsi que leur abondance relative.

Avec MOMA à bord, le rover Rosalind Franklin se posera sur un site martien qui, il y a environ 4 milliards d'années, contenait probablement de l'eau, un ingrédient crucial pour la vie ancienne. Les caméras et autres instruments du rover aideront à sélectionner les échantillons et à fournir des informations sur leur environnement. Une foreuse permettra de récupérer des échantillons anciens à une profondeur pouvant atteindre deux mètres. Les scientifiques supposent que cette profondeur est suffisante pour être protégée des radiations cosmiques de Mars, qui brisent les molécules "comme un million de petits couteaux".

Les spectromètres de masse spatiaux doivent être robustes et légers. Un spectromètre de masse doté des capacités du MOMA occuperait normalement plusieurs établis, mais il a été considérablement réduit. "Pouvoir ramener un objet de la taille d'une pièce à celle d'un grille-pain ou d'une petite valise et l'envoyer dans l'espace, c'est vraiment énorme", explique M. Swiner.

L'apparence de la vie

Le MOMA aidera les scientifiques à rechercher des signes révélateurs de la vie sur Mars en passant au crible les molécules à la recherche de motifs qui n'ont aucune chance de se former d'une autre manière. Par exemple, les lipides - composés qui comprennent les éléments constitutifs des membranes cellulaires - ont une prépondérance d'atomes de carbone pairs dans presque tous les êtres vivants, alors que la chimie non vivante produit un mélange plus égal d'atomes de carbone pairs et impairs. Trouver un ensemble de lipides dont les atomes de carbone sont des multiples d'un nombre - plutôt qu'un assortiment aléatoire - est une signature potentielle de la vie.

De même, les acides aminés - les éléments constitutifs des protéines - peuvent être créés soit par la vie, soit par une chimie non biologique. Ils se présentent sous deux formes qui sont des images miroir l'une de l'autre, mais qui sont par ailleurs identiques, comme une main gauche et une main droite. Sur Terre, la vie ne contient majoritairement que des acides aminés gauchers. La chimie non vivante produit des variétés gauchères et droitières. En d'autres termes, un excès important d'acides aminés gauchers ou droitiers est plus proche de la vie qu'un mélange plus homogène.

De manière plus générale, les scientifiques pensent que des distributions chimiques similaires à celles-ci indiqueraient la présence de vie, même si les molécules présentant ces schémas n'existent pas dans la biochimie terrestre.

Les précédentes missions martiennes dotées de spectromètres de masse ont rencontré des problèmes qui ont entravé leur capacité à identifier des signes de vie. Les scientifiques se sont inspirés de ces leçons durement apprises et ont conçu MOMA pour surmonter ces obstacles, notamment l'un des plus troublants : le perchlorate, destructeur de molécules notoire. Le perchlorate, que l'on retrouve également dans des environnements terrestres extrêmes tels que le désert d'Atacama en Amérique du Sud, peut dégrader les molécules organiques à des températures élevées, masquant ainsi d'éventuels signes de vie.

En 2008, l'atterrisseur Mars Phoenix a découvert des ions perchlorate dans le sol martien. Deux autres missions, l'atterrisseur Viking et le rover Curiosity, ont détecté des hydrocarbures chlorés, sous-produits possibles de la réaction du perchlorate avec les molécules martiennes dans les fours à haute température de leurs spectromètres de masse. Cela signifie que le perchlorate a pu masquer toute trace de molécules organiques susceptibles d'indiquer la présence de vie.

MOMA contourne astucieusement le problème du perchlorate grâce à un laser ultraviolet. Le laser vaporise et ionise les échantillons en une seule fois, avec des impulsions de lumière d'une durée inférieure à deux nanosecondes, ce qui est trop rapide pour que des réactions de perchlorate se produisent.

Le laser présente un autre avantage : il laisse les molécules en grande partie intactes lorsqu'il leur donne une charge pour créer des ions. Viking et Curiosity ont généré des ions en les bombardant d'électrons. Ces collisions n'ont pas préservé les liaisons chimiques faibles qui peuvent être importantes pour déterminer la structure des molécules d'un échantillon, alors que le laser réduit au minimum la fragmentation des molécules. MOMA peut alors trier ces ions relativement intacts et fragmenter délibérément un seul ion d'intérêt de manière isolée, ce que ni Viking ni Curiosity n'ont pu faire. En analysant les pièces du puzzle de cet ion, il est possible de déterminer la structure chimique de la molécule originale de l'échantillon martien et donc de l'identifier.

C'est la première fois que cette technique laser est utilisée sur Mars, mais les tests effectués sur Terre semblent indiquer qu'elle fonctionnera. Le prototype a trouvé des traces de molécules organiques même en présence d'une plus grande quantité de perchlorate que celle détectée par Phoenix dans le sol martien, explique M. Brinckerhoff. De plus, dans des échantillons similaires à ceux de Mars prélevés dans le parc national de Yellowstone, il a détecté des lipides et d'autres molécules plus complexes que celles détectées lors des précédentes missions martiennes.

MOMA, comme ses prédécesseurs, dispose également de fours à haute température et les scientifiques peuvent toujours choisir de les utiliser à la place du laser pour vaporiser les échantillons. Si le laser révèle des indices d'acides aminés, par exemple, l'option four pourrait fournir des informations que le laser ne peut pas fournir. En mode four, le MOMA utilise trois réactifs chimiques qui stabilisent les molécules pour faciliter la spectrométrie de masse. L'un d'entre eux, qui n'a jamais été utilisé sur Mars, permet de distinguer les acides aminés gauchers et droitiers, ce qui permet d'argumenter en faveur d'une origine vivante ou non vivante, ce que les missions précédentes ne pouvaient pas faire.

MOMA ne sera pas le dernier mot sur la question de savoir si la vie a existé sur Mars. Même les résultats les plus alléchants devront être confirmés par des expériences répétées et par les preuves fournies par les autres instruments du rover, explique M. Vago. Certains travaux de confirmation pourraient également être effectués dans le cadre d'autres missions ou même, un jour, à partir de l'analyse d'échantillons martiens ramenés sur Terre. "Nous devrons monter un dossier, car sinon personne ne nous croira", explique M. Vago.

L'équipe internationale de scientifiques qui a travaillé sur la mission sait ce dont elle a besoin pour constituer ce dossier, mais tant que le rover Rosalind Franklin n'aura pas atterri à la surface de la planète rouge, elle ne pourra pas commencer. Tous ces scientifiques ont partagé la déception, en mars 2022, de voir la mission, longtemps bloquée, retardée une fois de plus.

Mais pour Brinckerhoff, cette déception est tempérée par l'excitation : Après tout, la mission est toujours en vie. "Cette chose est le meilleur de nous tous", dit-il, "et le simple fait de la voir fonctionner sur Mars sera la catharsis de la carrière".

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.