La mission qui pourrait transformer notre compréhension de Mars | Science

Le 17 mars 2022 a été une journée difficile pour Jorge Vago. Physicien planétaire, Vago dirige la science pour une partie du programme ExoMars de l’Agence spatiale européenne. Son équipe n’était qu’à quelques mois du lancement du premier rover martien d’Europe, un objectif vers lequel ils travaillaient depuis près de deux décennies. Mais ce jour-là, l’ESA a suspendu ses relations avec l’agence spatiale russe suite à l’invasion de l’Ukraine. Le lancement avait été prévu pour le cosmodrome de Baïkonour au Kazakhstan, qui est loué à la Russie.

“Ils nous ont dit que nous devions tout annuler”, explique Vago. “Nous étions tous en deuil.”

Ce fut un revers douloureux pour le rover assiégé Rosalind Franklin, initialement approuvé en 2005. Les problèmes budgétaires, les changements de partenaires, les problèmes techniques et la pandémie de Covid-19 avaient tous, à leur tour, causé des retards antérieurs. Et maintenant, une guerre. “J’ai passé la majeure partie de ma carrière à essayer de faire décoller ce truc”, déclare Vago. Pour compliquer encore les choses, la mission comprenait un atterrisseur et des instruments de fabrication russe, que les États membres de l’ESA auraient besoin de financement pour remplacer. Ils ont envisagé de nombreuses options, y compris simplement mettre le rover inutilisé dans un musée. Mais ensuite, en novembre, est venue une bouée de sauvetage, lorsque les ministres européens de la recherche ont promis 360 millions d’euros pour couvrir les frais de mission, y compris le remplacement des composants russes.

Lorsque le rover décollera enfin, espérons-le, en 2028, il emportera une suite d’instruments avancés, mais un en particulier pourrait avoir un impact scientifique énorme. Conçu pour analyser tout matériau contenant du carbone trouvé sous la surface de Mars, le spectromètre de masse de nouvelle génération du rover est la clé de voûte d’une stratégie pour enfin répondre à la question la plus brûlante sur la planète rouge : existe-t-il des preuves de vie passée ou présente ?

“Il existe de nombreuses façons différentes de rechercher la vie”, explique le chimiste analytique Marshall Seaton, boursier du programme postdoctoral de la NASA au Jet Propulsion Laboratory et coauteur d’un article sur l’analyse planétaire dans le Revue annuelle de chimie analytique. La voie la plus évidente et la plus directe consiste peut-être simplement à rechercher des microbes fossilisés. Mais la chimie non vivante peut créer des structures faussement réalistes. Au lieu de cela, 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 chasse aux modèles de vie, au lieu de structures ou de molécules spécifiques, présente un avantage supplémentaire dans un environnement extraterrestre, explique Seaton. “Cela nous permet non seulement de chercher la vie telle que nous la connaissons, mais aussi la vie telle que nous ne la connaissons pas.”

Emballage pour Mars

Au Goddard Space Flight Center de la NASA, près de Washington, DC, le scientifique planétaire William Brinckerhoff présente un prototype du spectromètre de masse du rover, connu sous le nom de Mars Organic Molecule Analyzer, ou MOMA. À peu près de la taille d’une valise à main, l’instrument est un labyrinthe de fils et de métal. “C’est vraiment une bête de somme”, déclare Brinkerhoff alors que son collègue, le scientifique planétaire Xiang Li, ajuste les vis sur le prototype avant de faire la démonstration d’un carrousel contenant des échantillons.

Ce prototype fonctionnel est utilisé pour analyser les molécules organiques dans les sols de type Mars sur Terre. Et une fois que le vrai MOMA arrivera sur Mars, vers 2030, Brinckerhoff et ses collègues utiliseront le prototype – ainsi qu’une copie vierge conservée dans un environnement de type Mars à la NASA – pour tester les modifications apportées aux protocoles expérimentaux, résoudre les problèmes qui surviennent pendant la mission et faciliter l’interprétation des données de Mars.

Ce dernier spectromètre de masse remonte à près de 50 ans, à la première mission qui a étudié le sol martien. Pour les atterrisseurs jumeaux Viking de 1976, les ingénieurs ont miniaturisé des spectromètres de masse de la taille d’une pièce à peu près à l’encombrement des imprimantes de bureau d’aujourd’hui. Les instruments étaient également à bord de l’atterrisseur Phoenix 2008, du rover Curiosity 2012 et plus tard des orbiteurs martiens de Chine, d’Inde et des États-Unis.

Toute personne visitant le prototype de Brinckerhoff doit d’abord passer devant une vitrine avec une copie démontée de l’instrument Viking, prêtée par la Smithsonian Institution. “C’est comme un trésor national”, déclare Brinckerhoff, 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 tester les bagages à la recherche d’explosifs à l’aéroport. Les scientifiques de l’EPA les utilisent pour tester l’eau potable pour les contaminants. 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 “est un instrument en trois parties”, explique Devin Swiner, chimiste analytique à la société pharmaceutique Merck. Tout d’abord, l’instrument vaporise les molécules dans la phase gazeuse et leur donne également une charge électrique. Ces molécules de gaz chargées ou ionisées peuvent ensuite être manipulées avec des champs électriques ou magnétiques afin qu’elles se déplacent à travers l’instrument.

Deuxièmement, l’instrument trie les ions par une mesure que les scientifiques peuvent associer au poids moléculaire, afin qu’ils puissent déterminer le nombre et le type d’atomes que contient une molécule. Troisièmement, l’instrument enregistre tous les « poids » d’un échantillon ainsi que leur abondance relative.

Avec le MOMA à bord, le rover Rosalind Franklin atterrira 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 des échantillons et fourniront un contexte sur leur environnement. Une foreuse récupérera des échantillons anciens jusqu’à deux mètres de profondeur. Les scientifiques émettent l’hypothèse que c’est assez loin, dit Vago, pour être à l’abri du rayonnement cosmique sur Mars qui brise 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 prendre quelque chose qui peut être aussi grand qu’une pièce à la taille d’un grille-pain ou d’une petite valise et l’envoyer dans l’espace est une très grosse affaire”, déclare Swiner.

Le regard de la vie

Le MOMA aidera les scientifiques à rechercher des signes révélateurs de vie sur Mars en passant au crible des molécules à la recherche de modèles qui ne se formeront probablement pas autrement. Par exemple, les lipides – des composés qui comprennent des éléments constitutifs des membranes cellulaires – ont une prépondérance de nombres pairs d’atomes de carbone dans presque tous les êtres vivants, tandis que la chimie non vivante produit un mélange plus égal de nombres pairs et impairs d’atomes de carbone. Trouver un ensemble de lipides avec des atomes de carbone qui 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 les mains gauche et droite. Sur Terre, la vie ne contient majoritairement que des acides aminés gauchers. La chimie non vivante crée des variétés gauchers et droitiers. En d’autres termes, un grand excès d’acides aminés gauchers ou droitiers est plus réaliste qu’un mélange plus homogène.

Plus généralement, les scientifiques pensent que des distributions chimiques similaires à celles-ci seraient indicatives de la vie même si les molécules présentant les modèles n’existent pas dans la biochimie terrestre.

Les missions précédentes sur Mars qui incluaient des spectromètres de masse ont rencontré des problèmes qui ont entravé leur capacité à identifier les signes de vie. Les scientifiques ont pris ces leçons durement acquises et ont conçu le MOMA pour surmonter ces obstacles, y compris l’un des plus troublants : le destructeur de molécules notoire, le perchlorate. Le perchlorate, qui se retrouve également dans des environnements terrestres extrêmes comme le désert d’Atacama en Amérique du Sud, peut dégrader les molécules organiques à des températures élevées, masquant les signes potentiels de vie.

En 2008, l’atterrisseur Mars Phoenix a découvert des ions perchlorate dans le sol de Mars. Deux autres missions, l’atterrisseur Viking et le rover Curiosity, ont détecté des hydrocarbures chlorés – des sous-produits possibles du perchlorate réagissant avec des molécules martiennes dans les fours à haute température de leurs spectromètres de masse. Cela signifiait que le perchlorate pouvait avoir obscurci toute preuve de molécules organiques qui pourraient indiquer la vie.

MOMA contourne astucieusement le problème du perchlorate avec un laser ultraviolet. Le laser vaporise et ionise les échantillons en une seule fois, avec des impulsions lumineuses d’une durée inférieure à deux nanosecondes, trop rapides pour que des réactions au perchlorate se produisent.

Le laser a un autre avantage : il laisse les molécules en grande partie intactes en leur donnant 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 les structures des molécules dans 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 ne pourraient faire. En analysant les pièces de puzzle résultantes de cet ion, il est possible de déterminer la structure chimique de la molécule d’origine à partir de l’échantillon martien et ainsi d’identifier de quoi il s’agit.

Ce sera la première fois que cette technique laser se rendra sur Mars, mais des tests sur Terre suggèrent que cela fonctionnera. Le prototype a trouvé des traces de molécules organiques même en présence de plus de perchlorate que Phoenix n’en a détecté dans le sol martien, explique Brinckerhoff. Et dans des échantillons de type Mars collectés dans le parc national de Yellowstone, il a détecté des lipides et d’autres molécules plus complexes que celles détectées lors des précédentes missions sur Mars.

Le 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. En mode four, le MOMA utilise trois réactifs chimiques qui stabilisent les molécules pour faciliter la spectrométrie de masse. L’un d’eux, qui n’a jamais été utilisé auparavant sur Mars, est là pour distinguer les acides aminés gauchers et droitiers, ce qui lui permet de plaider en faveur d’origines vivantes ou non vivantes d’une manière que les missions précédentes ne pouvaient pas.

Le MOMA n’aura pas le dernier mot pour savoir si la vie a jamais existé sur Mars. Même les résultats les plus alléchants devraient être confirmés par des expériences répétées et des éléments de preuve provenant des autres instruments du rover, dit Vago. Certains travaux de confirmation pourraient également avoir lieu via d’autres missions ou même un jour à partir de l’analyse d’échantillons de Mars ramenés sur Terre. “Nous devrons monter un dossier, car sinon personne ne nous croira”, déclare Vago.

L’équipe internationale de scientifiques qui a travaillé sur la mission sait ce dont elle a besoin pour construire ce boîtier, mais tant que le rover Rosalind Franklin n’atterrit pas sur la surface de la planète rouge, elle ne peut pas commencer. Tous ces scientifiques ont partagé la déception en mars 2022 de voir la mission au point mort de nouveau retardée.

Mais pour Brinckerhoff, cette déception est tempérée par l’excitation : après tout, la mission est toujours en cours. “Cette chose est la meilleure de nous tous”, dit-il, “et le simple fait de la voir fonctionner sur Mars va être une catharsis de carrière.”

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