L'eau est essentielle à la vie sur Terre et sur d'autres planètes, et les scientifiques ont trouvé de nombreuses preuves d'eau au début de l'histoire de Mars. Mais Mars n'a pas d'eau liquide à sa surface aujourd'hui. Une nouvelle recherche de l'Université de Washington à St. Louis suggère une raison fondamentale :Mars est peut-être tout simplement trop petite pour retenir de grandes quantités d'eau.

Des études de télédétection et des analyses de météorites martiennes datant des années 1980 postulent que Mars était autrefois riche en eau, par rapport à la Terre. Le vaisseau spatial orbiteur Viking de la NASA et, plus récemment, les rovers Curiosity et Perseverance au sol ont renvoyé des images dramatiques de paysages martiens marqués par des vallées fluviales et des canaux d'inondation.

Malgré ces preuves, aucune eau liquide ne reste à la surface. Les chercheurs ont proposé de nombreuses explications possibles, y compris un affaiblissement du champ magnétique de Mars qui aurait pu entraîner la perte d'une atmosphère épaisse.

Mais une étude publiée la semaine du 20 septembre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences suggère une raison plus fondamentale pour laquelle Mars d'aujourd'hui est si radicalement différente de la "marbre bleu" de la Terre.

"Le destin de Mars a été décidé dès le début, " a déclaré Kun Wang, professeur assistant en sciences de la terre et des planètes en Arts &Sciences à l'Université de Washington, auteur principal de l'étude. "Il y a probablement un seuil sur les exigences de taille des planètes rocheuses pour retenir suffisamment d'eau pour permettre l'habitabilité et la tectonique des plaques, avec une masse dépassant celle de Mars."

Pour la nouvelle étude, Wang et ses collaborateurs ont utilisé des isotopes stables de l'élément potassium (K) pour estimer la présence, distribution et abondance des éléments volatils sur différents corps planétaires.

Le potassium est un élément modérément volatil, mais les scientifiques ont décidé de l'utiliser comme une sorte de traceur d'éléments et de composés plus volatils, comme l'eau. Il s'agit d'une méthode relativement nouvelle qui s'écarte des tentatives précédentes d'utiliser les rapports potassium-thorium (Th) recueillis par télédétection et analyse chimique pour déterminer la quantité de substances volatiles que Mars avait autrefois. Dans des recherches antérieures, les membres du groupe de recherche ont utilisé une méthode de traceur de potassium pour étudier la formation de la lune.

Wang et son équipe ont mesuré les compositions isotopiques du potassium de 20 météorites martiennes précédemment confirmées, sélectionné pour être représentatif de la composition en silicate en vrac de la planète rouge.

En utilisant cette approche, les chercheurs ont déterminé que Mars a perdu plus de potassium et d'autres substances volatiles que la Terre au cours de sa formation, mais a retenu plus de ces volatiles que la lune et l'astéroïde 4-Vesta, deux corps beaucoup plus petits et plus secs que la Terre et Mars.

Les chercheurs ont trouvé une corrélation bien définie entre la taille corporelle et la composition isotopique du potassium.

"La raison des abondances beaucoup plus faibles d'éléments volatils et de leurs composés dans les planètes différenciées que dans les météorites primitives indifférenciées est une question de longue date, " a déclaré Katharina Lodders, professeur-chercheur en sciences de la Terre et des planètes à l'Université de Washington, un co-auteur de l'étude. "La découverte de la corrélation des compositions isotopiques K avec la gravité planétaire est une nouvelle découverte avec des implications quantitatives importantes pour quand et comment les planètes différenciées ont reçu et perdu leurs volatiles."

"Les météorites martiennes sont les seuls échantillons dont nous disposons pour étudier la composition chimique de la masse de Mars, " a déclaré Wang. " Ces météorites martiennes ont des âges variant de plusieurs centaines de millions à 4 milliards d'années et ont enregistré l'histoire de l'évolution volatile de Mars. En mesurant les isotopes d'éléments modérément volatils, comme le potassium, nous pouvons déduire le degré d'épuisement volatil des planètes en vrac et faire des comparaisons entre les différents corps du système solaire.

"Il est incontestable qu'il y avait de l'eau liquide à la surface de Mars, mais combien d'eau au total Mars avait une fois est difficile à quantifier par la seule télédétection et les études de rover, " a déclaré Wang. " Il existe de nombreux modèles pour la teneur en eau en vrac de Mars. Dans certains d'entre eux, Mars au début était encore plus humide que la Terre. Nous ne pensons pas que ce soit le cas."

Zhen Tian, un étudiant diplômé du laboratoire de Wang et un boursier de l'Académie internationale McDonnell, est le premier auteur de l'article. L'associé de recherche postdoctoral Piers Koefoed est co-auteur, tout comme Hannah Bloom, diplômé de l'Université de Washington en 2020. Wang et Lodders sont membres du corps professoral du McDonnell Center for the Space Sciences de l'université.

Les découvertes ont des implications pour la recherche de la vie sur d'autres planètes en plus de Mars, les chercheurs ont noté.

Être trop près du soleil (ou, pour les exoplanètes, étant trop proche de leur étoile) peut affecter la quantité de substances volatiles qu'un corps planétaire peut retenir. Cette mesure de la distance aux étoiles est souvent prise en compte dans les indices de « zones habitables » autour des étoiles.

"Cette étude souligne qu'il existe une fourchette de taille très limitée pour que les planètes aient juste assez mais pas trop d'eau pour développer un environnement de surface habitable, " a déclaré Klaus Mezger du Center for Space and Habitability de l'Université de Berne, La Suisse, un co-auteur de l'étude. "Ces résultats guideront les astronomes dans leur recherche d'exoplanètes habitables dans d'autres systèmes solaires."

Wang pense maintenant que, pour les planètes situées dans des zones habitables, la taille de la planète devrait probablement être davantage soulignée et prise en compte de manière routinière lorsqu'on se demande si une exoplanète pourrait soutenir la vie.

"La taille d'une exoplanète est l'un des paramètres les plus faciles à déterminer, " a dit Wang. " Basé sur la taille et la masse, nous savons maintenant si une exoplanète est candidate à la vie, car un facteur déterminant de premier ordre pour la rétention volatile est la taille."