Mars

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Planète du système solaire située entre la Terre et Jupiter.

Mars figure parmi les cinq planètes visibles à l'œil nu dans le ciel et de ce fait observées depuis l'Antiquité. Sa couleur rougeâtre caractéristique, qui évoque le sang, lui a valu de recevoir le nom du dieu de la Guerre dans la mythologie grecque (Arès), puis dans la mythologie romaine (Mars). L'une des deux planètes les plus voisines de la Terre, avec Vénus, elle est aussi, de toutes les planètes du système solaire, celle qui offre le plus de ressemblances avec la nôtre (jour, appelé sol, d'une durée voisine de 24 h 37 min, inclinaison de l'axe de rotation de 24°, saisons…) et il n'est pas exclu qu'une activité biologique ait pu jadis y apparaître. C'est pourquoi elle suscite autant d'intérêt chez les scientifiques et a donné lieu, depuis le début des années 1960, à plus d'une trentaine de missions spatiales, dont une dizaine seulement ont connu un succès total.

Relief

Révélé par diverses sondes spatiales, la plupart américaines, depuis 1965 (Mariner 4), le relief de Mars, extrêmement diversifié, montre des cratères et des bassins d'impact analogues à ceux de Mercure ou de la Lune, des plaines volcaniques, de nombreuses failles, des vallées sinueuses, dans lesquelles ont dû couler autrefois des rivières, des champs de dunes, etc. On y observe à la fois des indices d'un bombardement météoritique ancien et des preuves d'une activité tectonique, de phénomènes de volcanisme, d'érosion par l'eau, d'usure et de sédimentation à grande échelle par le vent.

Alors que dans l'hémisphère Nord prédominent des plaines volcaniques très semblables aux « mers » lunaires, l'hémisphère Sud offre un relief beaucoup plus tourmenté, et constitue un haut plateau fortement cratérisé, donc vraisemblablement plus ancien. Entre les deux, le long d'un grand cercle incliné de 35° environ sur l'équateur, s'étend une zone de transition très érodée et découpée, semée de buttes, de failles et de fractures.

Nombreux et divers, les édifices volcaniques sont l'une des structures les plus caractéristiques de la planète ; le volcanisme se traduit aussi par des rivières de lave et des plaines de lave qui présentent des indices d'une activité récente (certaines coulées ne remonteraient qu'à une dizaine de millions d'années). Les volcans les plus imposants, dans la région de Tharsis, s'apparentent aux volcans boucliers hawaïens ; le plus spectaculaire, Olympus Mons, atteint 21,3 km d'altitude pour 600 km de diamètre à la base et il est entouré d'un escarpement de 6 000 m de haut : c'est le plus important volcan du système solaire. Juste au sud de l'équateur, une immense fracture, Valles Marineris, s'étend sur près de 4 000 km. Cette grande faille, qui mesure par endroits 120 km de large et 6 km de profondeur, est sans doute un fossé d'effondrement ouvert dans la croûte martienne à la suite d'un violent mouvement tectonique.

Il est à présent avéré que Mars a été, jusqu'à une époque relativement récente, une planète géologiquement active. Les puissants courants de convection dans le manteau, combinés aux contraintes dans la croûte, ont créé du volcanisme et de fortes déformations à la surface (fossés d'effondrement, rides compressives). En l'absence de tectonique des plaques (à la différence de la Terre), les remontées de magma se sont effectuées à l'emplacement de « points chauds » et, à la surface, la superposition des couches de lave qui se sont épanchées pendant plusieurs centaines de millions d'années explique la formation d'immenses édifices volcaniques.

On ignore encore la cause de la dissymétrie géographique entre le Sud et le Nord, caractérisée par une différence d'altitude moyenne de 5 km et par une inégale distribution des formations géologiques. Pour certains spécialistes, elle aurait une origine géologique interne : elle résulterait de mouvements de convection asymétriques dans le manteau, qui auraient provoqué une différence d'épaisseur de la croûte martienne entre les deux hémisphères. Pour d'autres, elle aurait une origine externe : la croûte de l'hémisphère Nord aurait été amincie sous l'effet d'un très grand nombre d'impacts météoritiques.

Les régions polaires sont recouvertes de calottes glaciaires (glace d'eau, glace carbonique, neige carbonique, sédiments) bien visibles de la Terre, qui s'étendent et régressent alternativement au rythme des saisons. (durant l'automne et l'hiver, lorsque la température à la surface s'abaisse au-dessous de – 125 °C, le dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère se dépose au sol sous forme de neige et de glace carbonique ; au printemps, lorsque la température remonte, ce dépôt repasse à l'état gazeux). La première preuve directe de la présence de glace d'eau sur la calotte polaire australe a été fournie par le spectromètre imageur de la sonde européenne Mars Express au début de 2004.

Dans les plaines, le sol est tapissé de fines poussières ferrugineuses qui lui donnent sa couleur rouge-orangé caractéristique.

Atmosphère ; météorologie

L'atmosphère martienne, extrêmement ténue, renferme : 95,3 % de gaz carbonique, 2,7 % d'azote, 1,6 % d'argon, 0,13 % d'oxygène (moléculaire), et des traces d'oxyde de carbone, de vapeur d'eau et d'autres gaz. Si l'on précipitait entièrement à la surface le contenu en eau de l'atmosphère, on obtiendrait tout au plus une couche de glace de quelques centièmes de millimètre dans les régions les plus humides. Aussi faible soit-elle, la teneur atmosphérique en vapeur d'eau atteint rapidement son niveau de saturation, du fait des basses températures, ce qui explique la formation de nuages et, à la surface, de givre. Toutefois, les fins cristaux de glace qui constituent les nuages se subliment avant de toucher le sol, de sorte qu'il ne pleut jamais sur Mars.

La pression moyenne à la surface est d'environ 6 hectopascals, inférieure au centième de la pression atmosphérique terrestre au niveau de la mer et voisine de celle qui règne, autour de notre planète, à plus de 30 km d'altitude. Les températures sont basses et les écarts thermiques diurnes importants (+ 22 °C au maximum pendant le jour et −73 °C au minimum pendant la nuit à l'équateur). La plus basse température (−143 °C) a été relevée au pôle Sud pendant l'hiver austral. La température moyenne annuelle au niveau du sol est de – 55 °C (contre + 13 °C pour la Terre).

Balayant un sol sec, les vents (qui soufflent parfois à plus de 200 km/h mais seraient néanmoins à peine perceptibles par d'éventuels astronautes en raison de la ténuité de l'atmosphère) soulèvent des poussières ferrugineuses qui provoquent une absorption et une diffusion de la lumière solaire, donnant à l'atmosphère une teinte rose ocre. Ces phénomènes tourbillonnaires s'observent surtout dans l'après-midi martien, lorsque les températures de la surface sont maximales et, donc, que la convection atmosphérique créant des ascendances de gaz chaud est la plus forte. L'intense activité éolienne est attestée par l'existence de champs de dunes.

À chaque printemps austral, quand Mars passe au plus près du Soleil, de nombreuses tempêtes de poussières prennent naissance dans l'hémisphère Sud. Le plus souvent très localisées, elles affectent parfois une région entière et, plus exceptionnellement, s'amplifient à l'échelle de la planète entière, comme on a pu l'observer notamment en 1956, 1971, 1973, 1977, 1982 et 2001.

Si Mars est aujourd'hui une planète froide et sèche, il n'en a pas toujours été ainsi. Comme la Terre, elle semble avoir bénéficié jadis d'un climat doux et humide. Mais, par suite de sa faible gravité (liée à sa petite taille et à sa densité moindre que celle de la Terre), elle a laissé échapper dans l'espace son atmosphère primitive et a connu ensuite un destin très différent de celui de notre planète. Selon certains calculs, l'inclinaison de son axe de rotation par rapport au plan de son orbite a pu connaître dans le passé des variations très importantes (à la différence de la Terre, stabilisée par la Lune), à l'origine de variations climatiques considérables.

Structure interne

Comme les autres planètes telluriques, Mars comporte un noyau central, entouré d'un manteau et d'une croûte superficielle. Cette dernière paraît toutefois beaucoup plus épaisse que la croûte terrestre : d'après les mesures des variations du champ de gravité martien, elle aurait une épaisseur moyenne de 40 km dans l'hémisphère Nord et de 70 km dans l'hémisphère Sud. Le noyau, d'un rayon compris entre 1 500 et 1 900 km (environ la moitié du rayon de la planète), serait constitué de 70 à 80 % de fer, auquel s'ajouteraient du nickel et du soufre, et pourrait être totalement liquide, contrairement au noyau terrestre.

La recherche de la vie

De toutes les planètes du système solaire, Mars est la plus à même, hormis la nôtre, d'avoir vu éclore une activité biologique (→ exobiologie). La recherche d'indices d'une telle activité a constitué le principal objet de la mission des atterrisseurs des deux sondes américaines Viking, qui se sont posés sur la « planète rouge » en 1976. Ceux-ci ont prélevé et analysé dans ce but des échantillons du sol martien. À bord de chaque engin, trois expériences étaient spécifiquement destinées à la recherche d'une vie microscopique comparable à celle qui s'est développée sur la Terre, grâce à l'observation éventuelle de réactions chimiques caractéristiques, comme l'absorption d'oxygène et le rejet de gaz carbonique. Une quatrième expérience était destinée à la détection d'éventuels composés organiques. Les résultats ont été décevants : une activité chimique importante a bien été décelée, mais pas la moindre trace de molécule organique.

Le débat a été relancé par l'annonce, en 1996, de la découverte dans une météorite recueillie en 1984 dans l'Antarctique et présumée d'origine martienne (en raison notamment de sa composition chimique et isotopique) de plusieurs résultats d'analyse physico-chimique susceptibles de constituer des indices d'une activité biologique fossile. Cette découverte a, depuis, été infirmée. Cependant, si la plupart des chercheurs estiment que toute activité biologique est impossible aujourd'hui sur Mars (sauf peut-être en profondeur, dans des « niches » écologiques), en raison de l'absence d'eau à l'état liquide (liée à la faible pression atmosphérique) et des propriétés oxydantes de la surface, on garde l'espoir de découvrir sur le sol martien des indices d'une vie fossile, témoins de l'époque où la planète aurait connu des conditions plus clémentes. Les images obtenues en orbite par les sondes américaines Mars Global Surveyor, depuis 1999, et Mars Odyssey, depuis 2001, ont en effet non seulement renforcé les présomptions de la présence d'eau liquide sur Mars dans un lointain passé, mais révélé aussi des structures regardées comme des indices de coulées géologiquement très récentes, remontant à quelques millions d'années seulement, voire beaucoup moins. L'exploration in situ du sol martien a repris en 1997, dans la région Ares Vallis, avec la sonde américaine Mars Pathfinder, porteuse du petit véhicule robotisé Sojourner. Après le succès total de cette mission expérimentale, elle se poursuit depuis 2004 avec deux autres véhicules automobiles américains plus importants (174 kg), Mars Exploration Rover 1, alias Spirit, et Mars Exploration Rover 2, alias Opportunity.

Le premier a été déposé le 4 janvier 2004, à l'intérieur du cratère Gusev (du nom d'un astronome russe du xix^e s.), un cratère d'impact de 150 km de diamètre situé par 15° de latitude Sud et 175° de longitude Ouest, près de la frontière entre les plaines lisses du Nord et le haut plateau du Sud. Les premières images envoyées par l'engin ont montré un paysage rocailleux rappelant ceux déjà observés précédemment. Mais l'une des raisons du choix du cratère Gusev comme site d'atterrissage tient à ce qu'il se situe à l'embouchure d'une vallée de plus de 900 km de long qui aurait été formée en quelques mois, il y a plus de trois milliards d'années, par un brutal écoulement de quelque 100 000 km³ d'eau (« vallée de débâcle » Ma'adim Vallis, Ma'adim signifiant Mars en hébreu) ; ce flot se serait déversé dans le cratère pour constituer un lac aujourd'hui disparu mais qui a très probablement laissé une importante couche de sédiments. On espérait que Spirit trouverait ce matériau sédimentaire, dont l'analyse aurait alors fourni des informations très précieuses sur les conditions d'environnement qui prévalaient à l'époque où le lac existait et où Mars connaissait un climat chaud et humide. Cela n'a malheureusement pas été le cas. Le deuxième véhicule, Opportunity, a été déposé le 26 janvier 2004, dans un petit cratère bordé d'affleurements rocheux, à proximité de l'équateur et du méridien origine, dans une région très plate, Meridiani Planum, où la sonde orbitale Mars Global Surveyor a détecté un dépôt important d'hématite grise, un oxyde de fer dont la formation nécessite souvent la présence d'eau liquide. Les panoramas transmis par l'engin montrent un désert de « sable » très fin, qui tranche avec les paysages rocailleux photographiés par les Viking, Sojourner et Spirit, et Opportunity a effectivement mis en évidence dans le sol et dans certaines roches plusieurs indices de la présence ancienne d'eau liquide sur le site.

Avant de se mettre en orbite autour de Mars, le 25 décembre 2003, la sonde européenne Mars Express a, pour sa part, largué sur Mars un petit atterrisseur britannique de 30 kg, Beagle 2, qui devait se poser par 10,6° de latitude Nord et 90° de longitude Est, dans la région Isidis Planitia, regardée comme un ancien bassin sédimentaire, et procéder à des prélèvements et des analyses d'échantillons du sol (recueillis éventuellement sous de petits rochers ou, par carottage, jusqu'à plusieurs dizaines de centimètres de profondeur) pour tenter d'y déceler des traces d'activité biologique. Malheureusement, le contact n'a pu être établi avec l'engin après son arrivée au sol. Toutefois, cet échec ne compromet en rien la mission de la sonde orbitale, équipée d'une caméra couleur stéréoscopique, de deux spectromètres pour l'étude de l'atmosphère, d'un spectro-imageur dédié à l'étude minéralogique, d'un dispositif d'observation des interactions du vent solaire et de la haute atmosphère, et d'un radar pour déceler la présence éventuelle d'eau liquide dans le sous-sol jusqu'à une profondeur de un à deux kilomètres.

Exploration future

Pour la communauté scientifique, de l'astronome au géologue, au météorologue, au biochimiste…, Mars offre un champ d'expérimentation tellement fascinant que son exploration est appelée à se poursuivre et à s'intensifier. Les prochaines années verront la mise en œuvre de nouvelles missions automatiques au rythme des rapprochements de la planète avec la Terre (oppositions de Mars), tous les 26 mois : sondes orbitales, stations de mesure au sol, véhicules de reconnaissance… Puis, entre 2010 et 2020, devraient intervenir des missions qui auront pour objet la collecte d'échantillons du sol martien et leur retour sur la Terre. Ces différentes missions constitueront le prélude à ce qui pourrait constituer la plus grande aventure humaine du XXI^e s., les vols habités vers Mars.

Satellites

On connaît l'existence, autour de Mars, de deux petits satellites : Phobos et Deimos. Ils s'apparentent à des astéroïdes, qui auraient été capturés par l'attraction gravitationnelle de la planète, à l'instar des plus petits satellites de Jupiter ou de Saturne. Toutefois, leur faible densité et la brièveté de la période durant laquelle Mars a conservé, après sa formation, une atmosphère relativement épaisse, constituent des obstacles à ce scénario.