Vue d'artiste de l'orbiteur de gaz trace ExoMars de l'ESA détectant la lueur verte de l'oxygène dans l'atmosphère martienne. Cette émission, repéré du côté diurne de Mars, est similaire à la lueur nocturne observée autour de l'atmosphère terrestre depuis l'espace. Crédit :Agence spatiale européenne
L'orbiteur de gaz trace ExoMars de l'ESA a détecté de l'oxygène vert brillant dans l'atmosphère de Mars, la première fois que cette émission a été observée autour d'une planète autre que la Terre.
Sur Terre, l'oxygène incandescent est produit pendant les aurores polaires lorsque des électrons énergétiques de l'espace interplanétaire frappent la haute atmosphère. Cette émission de lumière entraînée par l'oxygène donne aux aurores polaires leur belle et caractéristique teinte verte.
L'aurore, cependant, n'est qu'une des façons dont les atmosphères planétaires s'éclairent. Les atmosphères des planètes, y compris la Terre et Mars, brillent constamment de jour comme de nuit, car la lumière du soleil interagit avec les atomes et les molécules de l'atmosphère. La lueur diurne et nocturne est causée par des mécanismes légèrement différents :la lueur nocturne se produit lorsque des molécules brisées se recombinent, alors que la lueur du jour apparaît lorsque la lumière du soleil excite directement des atomes et des molécules tels que l'azote et l'oxygène.
Sur Terre, la lueur verte de la nuit est assez faible, et c'est donc mieux vu en regardant d'un point de vue « dehors », comme le montrent de nombreuses images spectaculaires prises par les astronautes à bord de la Station spatiale internationale (ISS). Ce malaise peut être un problème lors de la chasse autour d'autres planètes, car leurs surfaces brillantes peuvent le noyer.
Cette lueur verte a maintenant été détectée pour la première fois sur Mars par l'ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO), qui orbite autour de Mars depuis octobre 2016.
La lueur de l'air de la Terre observée depuis la Station spatiale internationale. Crédit :Agence spatiale européenne
"L'une des émissions les plus brillantes observées sur Terre provient de la lueur nocturne. Plus précisément, à partir d'atomes d'oxygène émettant une longueur d'onde de lumière particulière qui n'a jamais été vue autour d'une autre planète, " dit Jean-Claude Gérard de l'Université de Liège, La Belgique, et auteur principal de la nouvelle étude publiée dans Astronomie de la nature .
"Toutefois, cette émission devrait exister sur Mars depuis environ 40 ans et, grâce à TGO, nous l'avons trouvé."
Jean-Claude et ses collègues ont pu repérer cette émission en utilisant un mode d'observation spécial du TGO. L'une des suites avancées d'instruments de l'orbiteur, connu sous le nom de NOMAD (Nadir and Occultation for Mars Discovery) et comprenant le spectromètre ultraviolet et visible (UVIS), peut observer dans diverses configurations, l'un d'eux positionne ses instruments pour pointer directement vers la surface martienne, également appelé canal « nadir ».
"Les observations précédentes n'avaient capturé aucune sorte de lueur verte sur Mars, nous avons donc décidé de réorienter le canal nadir UVIS pour pointer vers le "bord" de Mars, similaire à la perspective que vous voyez dans les images de la Terre prises depuis l'ISS, " ajoute la co-auteur Ann Carine Vandaele de l'Institut Royal d'Aéronomie Spatiale de Belgique, La Belgique, et chercheur principal de NOMAD.
Entre le 24 avril et le 1er décembre 2019, Jean-Claude, Ann Carine et ses collègues ont utilisé NOMAD-UVIS pour scanner des altitudes allant de 20 à 400 kilomètres de la surface martienne deux fois par orbite. Lorsqu'ils ont analysé ces ensembles de données, ils ont trouvé l'émission d'oxygène vert dans chacun d'eux.
L'orbiteur de gaz trace ExoMars de l'ESA a détecté de l'oxygène vert brillant dans l'atmosphère de Mars – la première fois que cette émission a été observée autour d'une planète autre que la Terre. Les constats, obtenu avec l'instrument NOMAD du TGO via son canal UVIS entre avril et décembre 2019, sont représentés par des points verts en fonction de l'altitude, et comparé à un modèle théorique (ligne rouge). La lueur du jour vert oxygène semble être la plus brillante à 80 km, atteignant un deuxième sommet à environ 120 km, et se dissipant au-dessus de 150 km. Crédit :J.-C. Gérard et al. (2020)
"L'émission était la plus forte à une altitude d'environ 80 kilomètres et variait en fonction de l'évolution de la distance entre Mars et le soleil, " ajoute Ann Carine.
L'étude de la lueur des atmosphères planétaires peut fournir une mine d'informations sur la composition et la dynamique d'une atmosphère, et révèlent comment l'énergie est déposée à la fois par la lumière du soleil et le vent solaire, le flux de particules chargées émanant de notre étoile.
Pour mieux comprendre cette lueur verte sur Mars, et le comparer à ce que nous voyons autour de notre propre planète, Jean-Claude et ses collègues ont approfondi la façon dont il a été formé.
"Nous avons modélisé cette émission et constaté qu'elle est principalement produite sous forme de dioxyde de carbone, ou CO
La comparaison simultanée de ces deux types d'émission a montré que l'émission visible était 16,5 fois plus intense que l'ultraviolet.
Émission d'oxygène détectée dans les spectres diurnes des membres du canal UVIS de l'instrument NOMAD sur l'orbiteur de gaz trace ExoMars de l'ESA. Différentes couleurs montrent les mesures à différentes altitudes dans l'atmosphère martienne. La lueur du jour de l'oxygène semble être la plus brillante à 80 km, atteignant un deuxième sommet à environ 120 km, et se dissipant au-dessus de 150 km. C'est la première fois que cette émission est observée autour d'une planète autre que la Terre. Crédit :J.-C. Gérard et al. (2020)
"Les observations sur Mars sont en accord avec les modèles théoriques précédents mais pas avec le brillant réel que nous avons repéré autour de la Terre, où l'émission visible est beaucoup plus faible, " ajoute Jean-Claude. "Cela suggère que nous avons plus à apprendre sur le comportement des atomes d'oxygène, ce qui est extrêmement important pour notre compréhension de la physique atomique et quantique."
Cette compréhension est essentielle pour caractériser les atmosphères planétaires et les phénomènes connexes, tels que les aurores. En déchiffrant la structure et le comportement de cette couche rougeoyante verte de l'atmosphère de Mars, les scientifiques peuvent avoir un aperçu d'une gamme d'altitudes qui est restée en grande partie inexplorée, et surveiller son évolution à mesure que l'activité du soleil varie et que Mars se déplace le long de son orbite autour de notre étoile.
"C'est la première fois que cette émission importante est observée autour d'une autre planète au-delà de la Terre, et marque la première publication scientifique basée sur les observations du canal UVIS de l'instrument NOMAD sur l'orbiteur ExoMars Trace Gas, " souligne Håkan Svedhem, Scientifique du projet TGO de l'ESA.
"Cela démontre la sensibilité et la qualité optique remarquablement élevées de l'instrument NOMAD. Cela est particulièrement vrai étant donné que cette étude a exploré la face diurne de Mars, qui est beaucoup plus lumineux que la nuit, rendant ainsi encore plus difficile la détection de cette faible émission."
Comprendre les propriétés de l'atmosphère de Mars n'est pas seulement intéressant scientifiquement, mais est également essentiel pour mener à bien les missions que nous envoyons sur la planète rouge. Densité atmosphérique, par exemple, affecte directement la traînée subie par les satellites en orbite et par les parachutes utilisés pour envoyer des sondes à la surface martienne.
« Ce type d'observation par télédétection, couplée à des mesures in situ à des altitudes plus élevées, nous aide à prédire comment l'atmosphère martienne réagira aux changements saisonniers et aux variations de l'activité solaire, " ajoute Håkan. " La prévision des changements de densité atmosphérique est particulièrement importante pour les missions à venir, y compris la mission ExoMars 2022 qui enverra un rover et une plate-forme scientifique de surface pour explorer la surface de la planète rouge. »
