En étudiant les éléments chimiques sur Mars aujourd'hui, y compris le carbone et l'oxygène, les scientifiques peuvent travailler à rebours pour reconstituer l'histoire d'une planète qui avait autrefois les conditions nécessaires à la vie.

Tisser cette histoire, élément par élément, à environ 140 millions de miles (225 millions de kilomètres) de distance est un processus laborieux. Mais les scientifiques ne sont pas du genre à être facilement dissuadés. Les orbiteurs et les rovers de Mars ont confirmé que la planète avait autrefois de l'eau liquide, grâce à des indices qui incluent des lits de rivière asséchés, rivages antiques, et la chimie de surface saline. En utilisant le Curiosity Rover de la NASA, les scientifiques ont trouvé des preuves de lacs à longue durée de vie. Ils ont aussi déterré des composés organiques, ou les blocs de construction chimiques de la vie. La combinaison d'eau liquide et de composés organiques oblige les scientifiques à continuer de rechercher sur Mars des signes de vie passée ou présente.

Malgré les preuves alléchantes trouvées jusqu'à présent, la compréhension des scientifiques de l'histoire martienne est toujours en cours, avec plusieurs grandes questions ouvertes au débat. Pour un, L'ancienne atmosphère martienne était-elle suffisamment épaisse pour garder la planète au chaud, et donc humide, pour le temps nécessaire pour germer et nourrir la vie ? Et les composés organiques :sont-ils des signes de vie ou de la chimie qui se produit lorsque les roches martiennes interagissent avec l'eau et la lumière du soleil ?

Dans un récent Astronomie de la nature rapport sur une expérience de plusieurs années menée dans le laboratoire de chimie à l'intérieur du ventre de Curiosity, appelé Analyse d'échantillons sur Mars (SAM), une équipe de scientifiques propose quelques pistes pour aider à répondre à ces questions. L'équipe a découvert que certains minéraux contenus dans les roches du cratère Gale pourraient s'être formés dans un lac recouvert de glace. Ces minéraux peuvent s'être formés au cours d'une phase froide prise en sandwich entre des périodes plus chaudes, ou après que Mars a perdu la majeure partie de son atmosphère et a commencé à devenir froide en permanence.

Gale est un cratère de la taille du Connecticut et du Rhode Island réunis. Il a été choisi comme site d'atterrissage de Curiosity en 2012 car il présentait des traces d'eau passée, y compris les minéraux argileux qui pourraient aider à piéger et à préserver les anciennes molécules organiques. En effet, en explorant la base d'une montagne au centre du cratère, appelé Mont Sharp, Curiosity a trouvé une couche de sédiments 1, 000 pieds (304 mètres) d'épaisseur qui ont été déposés sous forme de boue dans d'anciens lacs. Pour former autant de sédiments, une quantité incroyable d'eau aurait coulé dans ces lacs pendant des millions à des dizaines de millions d'années chaudes et humides, disent certains scientifiques. Mais certaines caractéristiques géologiques du cratère font également allusion à un passé qui comprenait le froid, conditions glaciales.

« À un moment donné, L'environnement de surface de Mars doit avoir connu une transition d'être chaud et humide à être froid et sec, comme c'est maintenant, mais exactement quand et comment cela s'est produit est encore un mystère, " dit Heather Franz, un géochimiste de la NASA basé au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland.

François, qui a dirigé l'étude SAM, note que des facteurs tels que les changements dans l'obliquité de Mars et la quantité d'activité volcanique pourraient avoir fait alterner le climat martien entre chaud et froid au fil du temps. Cette idée est soutenue par les changements chimiques et minéralogiques des roches martiennes montrant que certaines couches se sont formées dans des environnements plus froids et d'autres dans des environnements plus chauds.

Dans tous les cas, dit Franz, l'ensemble des données collectées par Curiosity jusqu'à présent suggère que l'équipe voit des preuves du changement climatique martien enregistrées dans les roches.

Étoile de carbone et d'oxygène dans l'histoire du climat martien

L'équipe de Franz a trouvé des preuves d'un ancien environnement froid après que le laboratoire SAM a extrait les gaz de dioxyde de carbone, ou CO 2 , et l'oxygène de 13 échantillons de poussière et de roche. Curiosity a collecté ces échantillons au cours de cinq années terrestres (années terrestres contre années martiennes).

CO 2 est une molécule d'un atome de carbone lié à deux atomes d'oxygène, le carbone servant de témoin clé dans le cas du mystérieux climat martien. En réalité, cet élément simple mais polyvalent est aussi essentiel que l'eau dans la recherche de la vie ailleurs. Sur Terre, le carbone circule en continu dans l'air, l'eau, et surface dans un cycle bien compris qui dépend de la vie. Par exemple, les plantes absorbent le carbone de l'atmosphère sous forme de CO 2 . En retour, ils produisent de l'oxygène, que les humains et la plupart des autres formes de vie utilisent pour la respiration dans un processus qui se termine par la libération de carbone dans l'air, à nouveau via CO 2 , ou dans la croûte terrestre lorsque des formes de vie meurent et sont enterrées.

Les scientifiques découvrent qu'il existe également un cycle du carbone sur Mars et ils s'efforcent de le comprendre. Avec peu d'eau ou une vie à la surface abondante sur la planète rouge depuis au moins 3 milliards d'années, le cycle du carbone est très différent de celui de la Terre.

"Néanmoins, le cycle du carbone est toujours en cours et est toujours important car il n'aide pas seulement à révéler des informations sur l'ancien climat de Mars, " dit Paul Mahaffy, chercheur principal sur SAM et directeur de la division d'exploration du système solaire à la NASA Goddard. "Cela nous montre également que Mars est une planète dynamique qui fait circuler des éléments qui sont les éléments constitutifs de la vie telle que nous la connaissons."

Les gaz construisent un boîtier pour une période froide

Après que Curiosity ait introduit des échantillons de roche et de poussière dans SAM, le laboratoire a chauffé chacun à près de 1, 650 degrés Fahrenheit (900 degrés Celsius) pour libérer les gaz à l'intérieur. En regardant les températures du four qui ont libéré le CO 2 et de l'oxygène, les scientifiques pouvaient dire de quel type de minéraux provenaient les gaz. Ce type d'information les aide à comprendre le cycle du carbone sur Mars.

Diverses études ont suggéré que l'atmosphère ancienne de Mars, contenant majoritairement du CO 2 , était peut-être plus épais que celui de la Terre aujourd'hui. La plus grande partie a été perdue dans l'espace, mais certains peuvent être stockés dans des roches à la surface de la planète, notamment sous forme de carbonates, qui sont des minéraux constitués de carbone et d'oxygène. Sur Terre, les carbonates sont produits lorsque le CO 2 de l'air est absorbé dans les océans et autres plans d'eau, puis minéralisé en roches. Les scientifiques pensent que le même processus s'est produit sur Mars et que cela pourrait aider à expliquer ce qui est arrivé à une partie de l'atmosphère martienne.

Encore, les missions vers Mars n'ont pas trouvé assez de carbonates à la surface pour supporter une atmosphère épaisse.

Néanmoins, les quelques carbonates que SAM a détectés ont révélé quelque chose d'intéressant sur le climat martien à travers les isotopes du carbone et de l'oxygène qui y sont stockés. Les isotopes sont des versions de chaque élément qui ont des masses différentes. Parce que différents processus chimiques, de la formation rocheuse à l'activité biologique, utiliser ces isotopes dans des proportions différentes, les rapports des isotopes lourds aux isotopes légers dans une roche fournissent aux scientifiques des indices sur la façon dont la roche s'est formée.

Dans certains des carbonates SAM trouvés, les scientifiques ont remarqué que les isotopes de l'oxygène étaient plus légers que ceux de l'atmosphère martienne. Cela suggère que les carbonates ne se sont pas formés il n'y a pas longtemps simplement à partir du CO atmosphérique 2 absorbé dans un lac. S'ils avaient, les isotopes de l'oxygène dans les roches auraient été légèrement plus lourds que ceux de l'air.

S'il est possible que les carbonates se soient formés très tôt dans l'histoire de Mars, quand la composition atmosphérique était un peu différente de ce qu'elle est aujourd'hui, Franz et ses collègues suggèrent que les carbonates se sont plus probablement formés dans un lac gelé. Dans ce scénario, la glace aurait pu aspirer les isotopes lourds de l'oxygène et laisser les plus légers former des carbonates plus tard. D'autres scientifiques de Curiosity ont également présenté des preuves suggérant que des lacs recouverts de glace auraient pu exister dans le cratère Gale.

Alors, où est tout le carbone ?

La faible abondance de carbonates sur Mars est déroutante, disent les scientifiques. S'il n'y a pas beaucoup de ces minéraux au cratère Gale, peut-être que l'atmosphère au début était plus mince que prévu. Ou peut-être que quelque chose d'autre stocke le carbone atmosphérique manquant.

Sur la base de leur analyse, Franz et ses collègues suggèrent qu'une partie du carbone pourrait être séquestrée dans d'autres minéraux, comme les oxalates, qui stockent le carbone et l'oxygène dans une structure différente de celle des carbonates. Leur hypothèse est basée sur les températures auxquelles le CO 2 a été libéré de certains échantillons à l'intérieur de SAM - trop faible pour les carbonates, mais juste pour les oxalates - et sur les différents rapports isotopiques du carbone et de l'oxygène que les scientifiques ont vu dans les carbonates.

Un modèle d'une molécule de carbonate à côté d'une molécule d'oxalate

Les oxalates sont le type le plus courant de minéraux organiques produits par les plantes sur Terre. Mais les oxalates peuvent également être produits sans biologie. Une façon est à travers l'interaction du CO atmosphérique 2 avec des minéraux de surface, l'eau, et la lumière du soleil, dans un processus connu sous le nom de photosynthèse abiotique. Ce type de chimie est difficile à trouver sur Terre car la vie y est abondante, mais l'équipe de Franz espère créer une photosynthèse abiotique en laboratoire pour déterminer si elle pourrait réellement être responsable de la chimie du carbone qu'elle observe dans le cratère Gale.

Sur Terre, la photosynthèse abiotique a peut-être ouvert la voie à la photosynthèse parmi certaines des premières formes de vie microscopiques, c'est pourquoi le trouver sur d'autres planètes intéresse les astrobiologistes.

Même s'il s'avère que la photosynthèse abiotique a bloqué du carbone de l'atmosphère dans les roches du cratère Gale, Franz et ses collègues aimeraient étudier le sol et la poussière de différentes parties de Mars pour comprendre si leurs résultats du cratère Gale reflètent une image globale. Ils auront peut-être un jour l'occasion de le faire. Le rover Perseverance Mars de la NASA, en raison d'un lancement vers Mars entre juillet et août 2020, prévoit d'emballer des échantillons dans le cratère Jezero pour un éventuel retour dans les laboratoires sur Terre.