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Les planètes au crible de la géologie

Galileo, Spirit, Mars Express, Huygens… Tous ces appareils envoyés par l’homme pour explorer le système solaire ont permis de cartographier, ou même d'analyser, le sol de certaines planètes. Ainsi, les spécialistes en géologie planétaire décrivent déjà assez précisément l'état des sols sur Mars ou sur Vénus

En un peu plus de trente ans, une nouvelle discipline a pris son essor : la géologie planétaire. Née avec le programme Apollo, lorsque les scientifiques ont eu pour la première fois la possibilité d’étudier des roches lunaires, elle a depuis réalisé des progrès considérables. Les dernières missions spatiales - envoyées par les États-Unis et l’Europe principalement - lui ont permis de percer l’atmosphère opaque de Titan (l’une des lunes de Saturne), de prédire la présence d’océans d’eau liquide dans les profondeurs de certains corps célestes, ou de trouver des minéraux formés voici 3,5 milliards d’années sur la planète Mars.

En France, trois laboratoires en particulier (à Orsay, Nantes et Toulouse), développent cette discipline qui s’intéresse aux formes des terrains et à la nature des roches que l’on trouve sur les planètes ou les lunes. La qualité de leurs travaux rivalise avec ceux des chercheurs américains, leaders au plan mondial.

Couverture du n° 100 de Le centième numéro du magazine "Géochronique" est consacré aux mondes planétaires.
© Société géologique de France/BRGM
Pour célébrer les succès de la géologie planétaire, le magazine "Géochronique", co-édité par la Société géologique de France et le BRGM (Bureau de recherche géologique et minière) consacre son centième numéro (décembre 2006) aux "mondes planétaires". Pourquoi les géologues dont le métier est basé sur la connaissance de l’histoire et de la structure de notre bonne vieille planète Terre et aux nombreuses applications (mines, eau, énergie, génie civil, environnement, etc.), ont-ils choisi de s'intéresser aussi à l'espace ? Il faut d'abord savoir que les géologues "terriens" et planétaires ont la même formation de base, les seconds se spécialisant en planétologie plus tard (à Bac 5, au niveau des Masters). Ensuite, la géologie planétaire est une discipline relativement nouvelle, mais amenée à se développer considérablement dans les prochaines décennies. "Nous en sommes aux balbutiements de l'analyse in situ des terrains extra-terrestres par des instruments (chromatographes et spectromètres, par exemple) embarqués à bord de robots, explique Jacques-Marie Bardintzeff, volcanologue au Laboratoire de pétrographie-volcanologie de l’Université Paris-Sud 11. C’est pourquoi on se pose, encore aujourd’hui, des questions concernant Mars qui ont été résolues voici des siècles pour la Terre." En effet, les robots qui ont foulé le sol de Mars ont pris quantité de clichés et réalisé des analyses "sur place". Mais si l'on a rapporté quelque 400 kg de matière du sol lunaire, on ne dispose d’aucun échantillon de sol de planète (en dehors de quelques météorites arrivées sur Terre et dont on suppose qu'elles viennent de Mars) !

"La NASA ne prévoit pas de réaliser de mission de retour d’échantillons depuis la planète Mars avant 2018", prévient Francis Rocard, coordonnateur du programme d’exploration de Mars au CNES (Centre national d’études spatiales). Et une telle mission n’a même pas encore reçu de financement. L’Europe, quant à elle, ne dispose pas des moyens financiers pour se lancer dans une telle aventure. Aussi pourrait-elle désirer s’associer aux États-Unis dans le cadre d’une mission de ce type. On rechercherait en particulier des molécules dites "prébiotiques" (préalables à l’apparition de la vie) et des bactéries (vivantes ou fossiles). Les échantillons permettraient aussi de retracer l’histoire de la formation de la planète rouge, de calculer son rythme de refroidissement, de dater précisément les roches, et d’en tirer des conclusions pour l’évolution future de la Terre.
Bref, géologue planétaire est un métier d'avenir…



* D.E.A. : Diplôme d'études approfondies, formation doctorale de niveau bac 5.

01.Les mondes brûlants

Io, lune de JupiterIo est surtout remarquable pour son volcanisme très actif. On trouve à sa surface des volcans, des montagnes non volcaniques, de nombreux lacs de soufre fondu, des caldeiras profondes de plusieurs kilomètres. Le soufre et ses composés sont responsables des couleurs variées d’Io.
© Université of Arizona, LPL
C’est un four. La température de Vénus atteint 460 °C au sol. Et pour cause : cette planète n’est distante du Soleil que de 100 millions de km (contre 150 millions de km pour la Terre). Mais surtout, son atmosphère de dioxyde de carbone (CO2) entretient un puissant effet de serre. Cette chaleur infernale constitue l’une des raisons pour lesquelles peu de sondes ayant réussi à se poser sur Vénus ont été capables de survivre plus de quelques minutes. La sonde américaine Magellan, elle, a fait preuve de prudence. De 1990 à 1994, c’est à distance respectable qu’elle a observé la planète. Et c’est à cet appareil que l’on doit la plupart de nos connaissances actuelles sur la géologie de celle qu’on appelle communément "l’étoile du berger".

Vénus est une planète composée d’une seule plaque, contrairement à la Terre qui en possède plusieurs, glissant et frottant les unes contre les autres. Sa surface s’est constituée voici 200 à 600 millions d’années - ce qui est relativement jeune - lorsque les laves l’ont couverte en raison d’une intense activité volcanique. C’est du moins une interprétation plausible. La planète est en effet constellée d’édifices volcaniques, dont certains de grande dimension : mille d’entre eux ont plus de 20 km de diamètre !
Le volcan Maat MonsVue en 3D du volcan Maat Mons, reconstituée à partir d’images prises par les sondes américaines Venera et Magellan. Ce volcan culmine à plus de 8 000m au-dessus des grandes plaines environnantes. C’est le volcan le plus élevé de la planète Vénus.
© NASA/JPL

"Pourquoi le volcanisme a-t-il été aussi violent à cette époque ? Nous l’ignorons, note Jacques-Marie Bardintzeff, volcanologue au Laboratoire de pétrographie-volcanologie de l’Université Paris-Sud 11. De même que nous ne savons pas pourquoi il semble s’être complètement interrompu aujourd’hui." En effet, tous les volcans vénusiens paraissent aujourd’hui éteints. Si certains sont encore actifs, la sonde européenne Venus Express, qui orbite actuellement autour de "l’étoile du berger", pourrait les détecter indirectement par leurs émissions de gaz.

Par comparaison, Io bouillonne aujourd’hui d’activité. Cette lune de Jupiter, d’un rayon de 1 800 km (contre 6 400 à la Terre) est le seul corps du système solaire connu (avec la Terre) à posséder des volcans en activité. Ils sont plus de trois cents à cracher leur lave à tout moment ! Les scientifiques les classent en trois types, parmi lesquels ceux de type "Loki" (du nom d'un des volcans de Io) sont les plus "monstrueux", comme les qualifie Jacques-Marie Bardintzeff. Prenez le Tvashtar Catena. Lorsqu’il a été observé par la sonde américaine Galileo, dans les années quatre-vingt-dix, il produisait jusqu’à 200 000 m3/s de lave à la seconde (donnée à comparer au 7 500 m3/s de l’éruption de l’Hekla, en Islande, en 1970). Un panache de gaz et de poussières haut de 380 km le surmontait. Et il envoyait des corps solides à 600 km à la ronde.

Mais, pour les non-spécialistes, le plus étonnant est peut-être que ce volcanisme s’explique par des facteurs externes à Io. On le doit à l’effet de marée engendré par la présence de Jupiter. Sur Terre, l’effet de marée dû à la Lune et au Soleil produit des élévations et des baisses cycliques du niveau de la mer. Sur Io, sa puissance est telle - en raison de la proximité de Jupiter - qu’il est responsable de frottements dans son intérieur, lesquels provoquent des échauffements et donc, la constitution dans sa croûte de magmas qui ne demandent qu’à remonter à l’air libre.

02.Les mondes glacés

Les lunes de JupiterReprésentation des quatre lunes galiléennes de Jupiter ; de haut en bas : Io, Europe, Ganymède et Callisto. Ces lunes, parmi les plus grosses lunes du système solaire, ont été découvertes par Galilée en 1610. Jupiter possède en tout soixante-trois satellites naturels connus.
© NASA
Ce n’est pas parce qu’elles sont gelées qu’Europe, Ganymède et Callisto doivent être considérées sans intérêt. Il est vrai qu’une épaisse couche de glace d’eau couvre la surface de ces lunes de Jupiter (d’un rayon compris entre 1 500 et 2 600 km). La chaleur qu’elles reçoivent du Soleil est en effet très faible, celui-ci se situant à une distance de 780 millions de km. Tout n’est pourtant pas figé sur ces trois corps célestes.

Il se pourrait même qu’ils contiennent de l’eau liquide en sous-sol, à quelques kilomètres de la surface. Ce qui la fait ainsi fondre ? La chaleur générée dans les entrailles de ces lunes. Celle-ci est produite par plusieurs sources. Un léger effet de marée, comme dans le cas de Io. Ou encore par l’énergie radioactive générée par certaines roches présentes en profondeur.

Des trois, c’est Europe qui attire le plus les spécialistes. Car elle pourrait rassembler les conditions nécessaires à l’apparition de la vie. Tout d’abord, son cœur de roches (qui constitue 80 % de sa masse totale) est probablement au contact direct de l’eau liquide. Il suffirait alors que des volcans, engendrés par l’effet de marée dû à la proximité relative de Jupiter, soient actifs en profondeur pour que soit enregistrée la présence d’un système comparable à celui des sources hydrothermales terrestres. Certains biologistes pensent que c’est dans de telles zones, où se rencontrent l’eau, la matière et l’énergie, que la vie aurait pu éclore sur Terre voici quelque 3,8 milliards d’années.

Titan également fascine les géologues. De cette lune de Saturne (d’un rayon de 5 000 km, proche de celui de la Terre), ils ne savaient en effet pratiquement rien jusqu’à ce qu’un atterrisseur européen, Huygens, transperce son atmosphère parfaitement opaque et se pose à sa surface en 2005. Ce qu’il a découvert ? De superbes traces de fleuves. Quelque chose coule - ou a coulé - en abondance à la surface de Titan. "Il s’agit sans doute de méthane. À –180 °C, qui est la température moyenne au sol, cette substance se présente sous une forme liquide, explique Nicolas Mangold, géologue planétaire au laboratoire IDES (Interactions et Dynamique des Environnements de Surface) du CNRS et de l’Université Paris-Sud 11. Le méthane pourrait même jouer sur Titan un rôle identique à celui de l’eau sur Terre. Il est possible qu’il forme des cours d’eau, s’accumule dans des lacs, s’évapore et retombe en pluies". La sonde américaine Cassini, qui tourne autour de Saturne et doit réaliser quarante-quatre survols de Titan, pourrait apporter de nouveaux éléments en réponse à cette question.

03.Mars a t-elle été une oasis de vie ?

Les ravines sur les parois d’un cratère martienGrâce aux clichés obtenus par la caméra haute résolution de la sonde américaine Mars Global Surveyor, on peut voir de nombreuses nouvelles ravines sur les pentes de ce cratère. Ceci laisse supposer une récente érosion par de l’eau.
© Malin Space Science Systems/NASA
Lorsqu’ils évoquent Mars, les géologues parlent d’une planète morte. Morte, c’est-à-dire privée aujourd’hui de tout volcanisme. Morte, mais pas inerte, loin de là. Son atmosphère continue d’y jouer un rôle important. Les deux véhicules automatisés américains Spirit et Opportunity* qui arpentent actuellement sa surface, y ont photographié de superbes mini-tornades. On sait également que des tempêtes dites "globales" peuvent parfois s’y produire, qui couvrent la planète toute entière. De nombreux autres phénomènes transitoires apparaissent sur Mars : du givre la nuit, par exemple ; des calottes constituées de glaces d’eau et de dioxyde de carbone aux deux pôles en certaines saisons ; des dunes aux formes variées. Selon les chercheurs de la NASA (National Aeraunotics and Space Administration), qui interprètent des images de la sonde Mars Global Surveyor, de l’eau liquide coulerait même actuellement sur le sol de la planète rouge, en très faible quantité et de manière sporadique. Pour preuve, des ravines apparues entre deux passages de l’appareil au-dessus du même site et qu’un écoulement aurait récemment creusé.

Le volcanisme, lui, semble s’être assoupi depuis plusieurs millions d’années. "Heureusement d’ailleurs, car, sinon, les laves auraient pu recouvrir, donc effacer, les traces du passé géologique de la planète", note Nicolas Mangold. Les terrains anciens couvrent environ la moitié de sa surface. Certains sont vieux de trois ou quatre milliards d’années, alors que la planète elle-même est probablement âgée de quelque 4,5 milliards d’années. Les spécialistes la décrivent comme "une planète archiviste", qui a gardé intacte certaines reliques géologiques de son passé.

On a ainsi découvert dans les années soixante-dix, grâce aux photographies des sondes américaines Mariner et Viking, qu’un liquide, probablement de l’eau, a coulé sur Mars en abondance, formant des rivières, des fleuves, peut-être des océans. Depuis, les scientifiques en cherchent partout des signes plus précis. Ils voudraient en effet savoir si cette planète a rassemblé les conditions pour être une oasis de vie dans sa jeunesse, voici environ 3,5 milliards d’années.

En 2003, les deux robots Spirit et Opportunity ont été envoyés dans ce but. Le second a trouvé des roches riches en soufre (sulfates) qui se seraient déposées à la manière de sédiments - probablement sous l’eau. Il a également découvert de petites concrétions aussitôt surnommées "myrtilles" (blueberries) par les géologues planétaires qui, après analyse, seraient des oxydes de fer produits dans une nappe phréatique. La sonde européenne Mars Express a également détecté des argiles, lesquelles se forment par la lente altération des roches volcaniques par l’eau liquide.

"Grâce aux appareils qui observent actuellement Mars, comme Opportunity ou encore la sonde européenne Mars Express, il ne se passe pas une semaine sans une nouvelle découverte passionnante. La situation me fait penser à celle qu’ont connue les géologues planétaires au moment de l’exploration de la Lune dans les années soixante : ils avaient l’impression de découvrir un nouveau monde. C’est exactement notre cas", se réjouit Nicolas Mangold.



* Spirit et Opportunity sont deux petits robots identiques, qui ont atterri sur Mars en janvier 2004 dans le cadre de la mission "Mars Exploration Rovers". Ils ont atterri à deux endroits différents et ont étudié l'histoire du climat de Mars ainsi que l'éventuelle présence d'eau grâce à des instruments capables d'analyser les sols et les roches rencontrés.

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