Le méthane martien est un sujet qui passionne les scientifiques mais qui les plonge aussi dans l'expectative, voire même qui les divise, depuis qu'il a été détecté dans l'atmosphèreatmosphère martienne en 2003. Sa présence sur Mars soulève beaucoup de questions car, depuis que cette planète est étudiée, en effet, aucun phénomène expliquant des émissions de méthane n'a été observé.

Si les scientifiques se focalisent autant sur ce gaz, c'est que, sur Terre, son origine est à 90 % liée à la vie. Le méthane (CH₄) est en effet un sous-produit du métabolismemétabolisme des organismes vivants. Sur Mars, sa présence pourrait s'expliquer par la présence d'une forme de vie ou, plus sûrement, par un phénomène lié à une activité volcanique ou hydrothermique. À cela s'ajoute que depuis 2003, les résultats sont assez difficiles à comprendre et sujets à polémique, en particulier à cause d'incohérences entre les différents jeux de données. Et aucun d'entre eux n'a permis de localiser ces sources de méthane sur Mars, déterminer les causes de ces émissions, ni si elles sont produites par des mécanismes purement physico-chimiques ou synthétisées par des formes de vie.

De 2003 à 2019, les différentes missions qui ont réussi à détecter du méthane sur Mars. © ESA

Pour y voir plus clair sur cette histoire de méthane, en 2016, l'ESA, l'Agence spatiale européenneAgence spatiale européenne, lance le satellite TGO (Trace Gaz Orbiter) à bord duquel se trouvent les spectromètres optiques Nadir and Occultation for Mars DiscoveryDiscovery (Nomad) et Atmospheric Chemistry Suite (ACS) ; ces derniers permettent d'identifier et de caractériser des moléculesmolécules qui constituent moins de 1 % de l'atmosphère de Mars, non seulement le méthane mais aussi la vapeur d'eau, l'oxygèneoxygène, le monoxyde de carbonemonoxyde de carbone et d'autres espècesespèces encore non recensées.

Onze mois après cette mise en service, la revue Nature publie une série de résultats à partir des observations du TGO. Alors que l'on s'attendait à ce qu'il localise les émissions et sources de méthane dans l'atmosphère martienne, les résultats rendus publics hier « sont très surprenants et plutôt une surprise », nous explique Franck Montmessin, directeur de recherche CNRS au Latmos (Laboratoire atmosphères, milieux, observations spatiales) et coresponsable scientifique de l'instrument ACS. Cela dit, les résultats du TGO sont quand même exceptionnels. Ils fournissent le « recensement le plus détaillé et le plus global à ce jour de l'atmosphère martienne, avec une limite supérieure pour le méthane de 0,05 ppbv (impliquant que si le méthane se trouvait au-dessus de cette valeur, TGO l'observerait), soit 10 à 100 fois moins de méthane que toutes les détections précédemment rapportées. »

Entre avril et septembre 2018, malgré un suivi spatial et temporel inédit, « aucune détection de méthane n'a été faite dans l'atmosphère de Mars » même si ACS et Nomad ont « un seuil de détection du méthane extrêmement bas ». Sensibles à des niveaux de méthane encore plus bas que ceux détectés par CuriosityCuriosity et Mars ExpressMars Express, ACS et Nomad « n'ont rien vu, ce qui est très déroutant d'autant plus que nous sommes très confiants dans nos résultats ».

Où se trouve ce méthane, et qui ou quoi le produit ?

Car si la sonde TGOsonde TGO n'a pas détecté de méthane, ce gaz semble bien présent sur la planète Mars. Depuis 2003, à plusieurs reprises, des observatoires terrestresobservatoires terrestres, des sondes en orbiteorbite autour de Mars et Curiosity ont décelé des molécules de méthane. Toutes ces détections ont donné lieu à de vives discussions, car sporadiques et souvent réalisées à la limite des capacités des instruments les mesurant. En 2004, la sonde Mars Express (ESA) a réalisé les premières détections de méthane depuis l'orbite martienne et mesuré environ 10 molécules de méthane par milliard de molécules de gaz. Le roverrover Curiosity (NasaNasa), qui explore le cratère Gale depuis 2012, a détecté du méthane mais à des niveaux encore plus bas qui varient dans le temps (de 0,2 à 0,7 ppbv) avec des pics environ dix fois plus élevés, autour de 6 ppbv. Des mesures qui laissent à penser que cette teneur correspond vraisemblablement à un niveau de fond du méthane dans l'atmosphère du cratère Gale où Curiosity fait ses mesures.

Donc, si du méthane est bien parfois émis sur Mars, il doit venir « de sa surface et rester confiné très près du sol, une région quasi inaccessible aux instruments de TGO, dont la technique de mesure ne leur permet de fonctionner qu'au-dessus de 5 kilomètres d'altitude environ. »

Malgré des résultats contraires aux attentes, les scientifiques avancent quelques hypothèses comme la nécessité de « trouver un processus physico-chimique, dont on ne connait pas la nature, qui ferait que le méthane, a priori émis depuis la surface, serait rapidement détruit dans l'atmosphère, avant qu'il puisse atteindre les altitudes où TGO peut faire ses mesures ». Pour Franck Montmessin, « la seule de manière de présenter nos résultats », sans pouvoir invoquer un « défaut instrumental ou une mauvaise interprétation des résultats chez nos confères qui ont observé du méthane », c'est clairement que la compréhension des « phénomènes physico-chimique dans l'atmosphère martienne est incomplète ».

Méthane martien : suite de l'énigme avec la sonde TGO qui n'en détecte aucune trace

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco, publié le 20/12/2018

La sonde européenne ExoMarsExoMars Trace Gas OrbiterOrbiter (TGO) analyse l'atmosphère de la planète rouge depuis 2016, chassant des traces de méthane déjà détectées depuis 2003. Hélas, malgré une sensibilité accrue, ses instruments ont, pour le moment, fait chou blanc, à la surprise des chercheurs.

Depuis environ 15 ans, des sondes martiennes ont fait la découverte de suintements saisonniers de méthane qui intriguent les exobiologistes, bien décidé à ne pas rester sur les résultats décevants des fameuses sondes Vikings qui n'ont pu découvrir l'existence de formes de vie sur la Planète rouge. Pour comprendre de quoi il en retourne, il faut savoir que les modèles photochimiques de l'atmosphère martienne prédisent que ce gaz aurait une duréedurée de vie d'environ 300 ans, donc toute détection implique une injection très récente dans l'atmosphère à l'échelle géologique. Des indications de la présence de méthane dans l'atmosphère de Mars existent, en fait, précisément depuis 2003 et ont notamment fait l'objet d'une publication dans Science : Thérèse Encrenaz et ses collègues avaient repéré des traces de ce gaz à l'aide des instruments de la sonde européenne Mars Express.

Il y a quelques années, Curiosity avait également détecté de faibles concentrations transitoires de méthane dans l'atmosphère martienne. Mais cela pouvait à nouveau s'expliquer par un apport continuel de météoritesmétéorites possédant de la matièrematière organique. Le méthane serait alors produit par la dégradation de cette matière sous l'effet de l'intense rayonnement UVUV à la surface de Mars. Une autre explication abiotiqueabiotique a aussi été mise en avant, comme le montre le schéma ci-dessous, de sorte que l'on ne pouvait toujours pas en conclure que l'on tenait enfin une preuve ou, pour le moins, une indication très convaincante bien qu'indirecte de l'existence de micro-organismesmicro-organismes, en l'occurrence méthanogènes comme ceux que l'on connait sur Terre, mais sur un autre monde que la Planète bleue.

Sources et mécanismes de dégradation possibles du méthane martien : apport de matière organique par des météorites (cosmic dust) transformée ensuite en méthane par les UV, production par des micro-organismes enfouis (microbes), altération de l'olivine en présence d'eau liquide (water), stockage sous forme de clathrates (clathrate storage), transformation par les UV (photochemistry) en formaldéhyde et méthanol puis en CO₂. © Nasa, JPL, SAM-GSFC, Univ. of Michigan

Des détecteurs des gaz en traces dans l'atmosphère martienne

Tout le monde attendait donc beaucoup de l'arrivée en orbite en 2016, autour de Mars, de la sonde européenne ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO). En effet, elle avait été spécialement conçue pour permettre la détection et la localisation depuis l'espace de sources de méthane dans l'atmosphère de la planète. Pour cela, elle dispose de deux instruments, les spectromètres optiques Nadir and Occultation for Mars Discovery (Nomad) et Atmospheric Chemistry Suite (ACS), qui permettent d'identifier et de caractériser des molécules qui constituent moins de 1 % de l'atmosphère de Mars, non seulement le méthane mais aussi la vapeur d'eau, le dioxyde d'azoteazote et l'acétylène. Plus généralement, TGO surveille les changements saisonniers de la composition et de la température de l'atmosphère martienne afin de créer et d'affiner des modèles atmosphériques détaillés.

C'est, pour le moment, la déception si l'on en croit des communiqués de chercheurs en charge de cette mission et qui ont été rendus publics lors de la réunion fêtant le centenaire de l'Union américaine de géophysique (AGU) et qui s'est tenue du 10 au 14 décembre 2018 à Washington aux États-Unis. Alors que Nomad et ACS ont un seuil de détection du CH₄ extrêmement bas, ils ont fait chou blanc. C'est intriguant mais pas totalement négatif. On s'attendait en effet à trouver tout de même un peu de méthane provenant de la chute des micrométéorites subissant des réactions chimiquesréactions chimiques dans l'atmosphère même de la planète. Si du méthane est bien parfois émis sur Mars, il doit donc venir de sa surface.

Les observations de TGO vont se poursuivre et la précision des données augmentant, on va pouvoir mettre des bornes de plus en plus basses sur la présence ou  non de méthane, même saisonnière, sur Mars puisque la sonde va continuer son travail jusqu'en 2022. Mais peut-être, aura-t-on des résultats plus enthousiasmants avant, avec l'arrivée prochaine des rovers ExoMars 2020rovers ExoMars 2020 et Mars 2020Mars 2020, respectivement de l'ESA de la Nasa.

Le méthane martien de plus en plus énigmatique...

Article de Jean-Luc GoudetJean-Luc Goudet publié le 08/08/2009

Pourquoi l'atmosphère de la Planète rouge concentre-t-elle le méthane dans une seule région ? Parce qu'il est produit là seulement et qu'il est ensuite détruit par l'atmosphère. L'explication est logique... mais aucun phénomène connu n'explique une destruction aussi efficace, expliquent deux chercheurs français, pour qui Mars est vraiment invivable.

En 2003, des émanations de méthane avait été détectées dans l'atmosphère martienne, une découverte confirmée en 2004 par Thérèse Encrenaz grâce aux données de Mars Express. L'observation avait suscité un certain émoi chez les planétologues car le méthane (CH₄) est détruit dans l'atmosphère à l'échelle de quelques siècles. Si donc on en observe c'est que la planète en produit encore, de manière plus ou moins régulière et même en quantités importantes. Mars serait donc une planète vivante au sens géologique du terme, avec des mécanismes encore à l'œuvre et peut-être volcaniques, qui n'ont jamais été observés. Certains allaient même plus loin, se plaisant à imaginer des organismes vivants enfouis dans le sous-sol et émettant ce gaz, qui, sur notre planète, est surtout d'origine biologique.

La question la plus épineuse est celle de la distribution du méthane dans l'atmosphère. Loin d'être homogène, elle est concentrée autour d'un vaste territoire, quelque part dans l'hémisphère nordhémisphère nord. Si le lieu de production est là, c'est que le méthane doit être détruit dans l'atmosphère suffisamment rapidement pour ne pas avoir le temps de s'étaler tout autour de la planète.

Une durée de vie de quelques siècles, courte pour la géologiegéologie mais longue pour la météorologiemétéorologie, est suffisante pour permettre à ce gaz de se diffuser dans la totalité de l'atmosphère martienne.

Pour sortir des spéculations, Franck Lefèvre (du Latmos, université de Saint-Quentin-en-Yvelines) et François Forget (université Pierre et Marie CurieMarie Curie, Paris) ont utilisé un modèle climatiquemodèle climatique de l'atmosphère de Mars, intégrant les phénomènes chimiques (photochimiques surtout) qui s'y déroulent. L'idée est de retrouver les paramètres conduisant à cette curieuse concentration locale.

Sale temps sur Mars

Le résultat est négatif. Les phénomènes photochimiques connus comme étant à l'origine de la destruction du méthane ne peuvent pas expliquer, affirment ces deux chercheurs, la très forte hétérogénéité de la répartition de ce gaz. Qui plus est, expliquent-ils dans la revue Nature, les cycles connus de condensationcondensation et de sublimationsublimation du dioxyde de carbonedioxyde de carbone (CO₂) peuvent au contraire générer des variations à long terme des quantités atmosphériques de méthane. A peu près le contraire de ce que l'on observe...

Pour retrouver la répartition du méthane telle que la voient les instruments actuels, il faudrait que la durée de vie de ce gaz dans l'atmosphère soit de seulement 200 jours. C'est 600 fois plus court que ce qu'impliquent les processus photochimiques connus sur Terre... Les auteurs envisagent le cas où le méthane pourrait être détruit au niveau de la surface du sol. Il faudrait alors que ce gaz ne survive pas plus d'une heure dans l'atmosphère martienne.

La conclusion des deux planétologues est qu'il doit exister, probablement dans l'atmosphère, un mécanisme extrêmement efficace pour détruire les molécules de méthane. Dans ce cas, l'environnement martien devrait être bien plus agressif qu'on ne le pense, et, pour tout dire, invivable. Un mécanisme capable de rompre si rapidement la molécule CH₄ devrait en effet venir à bout de n'importe quel composé organique (à base de carbone).

Conclusion : la disparition de méthane, comme sa production, constitue un épais mystère, qui devrait donner du travail aux planétologues penchés sur Mars...