Avec NOMAD à bord d’ExoMars

Arnaud Stiepen vit de plus en plus à l’heure martienne. Il s’est en effet spécialisé dans l’analyse des observations de phénomènes atmosphériques sur Mars et avec l’arrivée de la sonde européenne ExoMars sur la planète, de nouvelles données vont être disponibles et vont devoir être analysées. Ses compétences, ils les doit notamment à un travail effectué à l’Université du Colorado où il a pu travailler sur les données émises par la sonde américaine MAVEN. Avec à la clé des découvertes sur le phénomène des aurores diffuses et sur l’évolution –dramatique pour tout espoir de vie- de l’atmosphère de Mars. 

Ce 19 octobre, l’Europe débarque sur Mars. Arnaud Stiepen, chargé de recherche FNRS au LPAP (Laboratoire de Physique Atmosphérique & Planétaire) au sein du STAR Institute de l’Université de Liège (Space sciences, Technologies and Astrophysics Research), attend cet événement avec beaucoup d’intérêt. Ce jour-là en effet, le robot Schiaparelli, alias EDM (Entry descent & landing Demonstrator Module) devrait se poser sur la Planète Rouge. Il aura été largué par la sonde russo-européenne ExoMars 2016 (Exobiology on Mars), trois jours avant qu’elle ne se place sur orbite martienne. S’il arrive intact, cet atterrisseur technologique qui a été développé en Italie par Thales Alenia Space, fera de l’ESA (Agence Spatiale Européenne) le troisième acteur à se poser sur la Planète Rouge, grâce à un partenariat scientifique avec Roscosmos. La Russie fut la première à réussir cet exploit, certes de manière très éphémère, avec Mars-3 (2 décembre 1971). Les Etats-Unis ont eu un laboratoire scientifique sur Mars avec le robot Viking-1 (4 juillet 1976). 

Le même jour – et c’est ce que Arnaud Stiepen suivra plus particulièrement  -, la plate-forme orbitale TGO (Trace Gas Orbiter) de 3,73 t se satellisera sur une trajectoire très elliptique entre 300 et 95.850 km autour de Mars. Elle servira à relayer les signaux provenant de Schiaparelli lors de sa descente, puis de la surface martienne. Ensuite, elle se placera sur une orbite circulaire à quelque 400 km pour remplir une mission scientifique qui est prévue jusqu’en 2022. A bord, un instrument belge représente l’ESA (European Space Agency) : c’est le triple spectromètre NOMAD (Nadir & Occultation for Mars Discovery) réalisé par l’IASB (Institut d’Aéronomie Spatiale de Belgique) avec OIP Sensor Systems (Oudenaerde) et Amos (Liège), et testé au CSL (Centre Spatial de Liège/ Université de Liège). Il est destiné à mettre en évidence les constituants de l’atmosphère martienne, même pour les faibles concentrations. L’étude des données de NOMAD intéresse les chercheurs du LPAP pour mieux comprendre l’évolution de l’atmosphère de Mars. 

Les enseignements de MAVEN

Au sein du LPAP, Arnaud Stiepen est un spécialiste des atmosphères de Mars et Venus et des phénomènes auroraux qui s’y produisent. Récemment, il a participé à l’exploitation d’observations faites par un instrument à bord de MAVEN (Mars Atmosphere & Volatile EvolutioN), une sonde de la NASA qui évolue autour de la Planète Rouge depuis le 21 septembre 2014. Pour son post-doctorat, le chercheur liégeois a passé une année – de septembre 2014 à septembre 2015 -  à l’Université du Colorado à Boulder. Dans le cadre d’une longue collaboration qui s’est développée, à travers des amitiés, entre le LASP (Laboratory for Atmospheric & Space Physics) de Boulder et le LPAP de l’ULg. 

« J’ai passé à Boulder une année très fructueuse pour un chercheur. L’Université du Colorado dispose de moyens financiers, ce qui contribue à la réactivité de leurs chercheurs. Et je ne me suis pas senti inférieur scientifiquement par rapport à eux. Notre formation en Belgique est excellente. Sinon, comment expliquer que nos collègues américains fassent appel à notre expertise ? La qualité de notre recherche permet de garder le même niveau avec des moyens financiers réduits, comparé à ce que les laboratoires obtiennent Outre-Atlantique ». En ayant accès aux observations du spectromètre de l’Université du Colorado à bord de la sonde MAVEN de la NASA, il a confirmé la déconcertante découverte d’aurores « diffuses » dans l’atmosphère de la Planète Rouge (Lire l’article « Les aurores martiennes dévoilées »). 

Arnaud Stiepen veut en savoir davantage sur les phénomènes qu’il a mis en évidence sur l’environnement atmosphérique de Mars. Il se réfère à la moisson actuelle de données qu’ont recueillies des senseurs dans l’UV (ultraviolet). Les observations dans cette bande spectrale constituent une spécialité de l’Institut légeois d’Astrophysique et de Géophysique. « Ce qui m’intéresse est un nouveau type d’aurores, différentes de celles découvertes sur Mars grâce à la sonde Mars Express de l’ESA en 2005. Il s’agit d’aurores diffuses qu’on a décelées sur une portion de la planète, dans l’hémisphère Nord martien. Ce qui surprend est qu’elles se manifestent à des niveaux bas dans l’atmosphère, sous l’effet d’électrons plus énergétiques que ce qui se passe pour l’apparition des aurores discrètes ». 

En travaillant sur les observations de la sonde MAVEN, l’astrophysicien liégeois ne s’attendait pas du tout à avoir la confirmation de ces aurores qu’on appelle “diffuses” C’est un premier résultat acquis avec MAVEN dès décembre 2014 et que l’on doit à son instrument IUVS (Imaging UV Spectrograph). Durant une année, A. Stiepen a fait partie du team qui a passé au crible les données du spectrographe ultraviolet. Il a animé une conférence de presse organisée par la NASA pour faire part des surprises qu’il a mises en évidence dans ces aurores “diffuses”, qui sont difficiles à percevoir à cause de la lumière très ténue. « Ce type d’aurores est provoqué par des particules très énergétiques, et ce, de manière imprévisible. Pas question d’étudier le phénomène de façon routinière : il faut se trouver au bon moment au bon endroitpour les traquer. A l’avenir, un senseur plus performant pourra mieux les détecter et les étudier.» Avec MAVEN, il est possible de mobiliser plusieurs instruments de la sonde pour réaliser des observations combinées sur un phénomène auroral. « Il s’agit de comprendre d’où viennent les électrons qui provoquent l’aurore, comment ils sont accélérés en suivant les lignes du champ magnétique… »

Au cœur de la « tragédie » de Mars  

Les aurores ne constituent cependant pas le seul centre d’intérêt d’Arnaud Stiepen. Mars a la particularité d’avoir une atmosphère très ténue, composée à 95 % de dioxyde de carbone (gaz carbonique). 

Les observations faites par les sondes martiennes américaines font état d’une pression atmosphérique qui, il y a 3,5 milliards d’années, devait être 150 fois la valeur actuelle, soit proche de celle sur notre planète… Qu’est-ce qui explique qu’une lente et inéluctable métamorphose se soit produite jusqu’à la quasi disparition de l’atmosphère martienne ? La sonde MAVEN a permis de fournir un nouvel éclairage sur la dramatique évolution de Mars, toujours grâce à l’IUVS (Imaging UltraViolet Spectrograph) développé par le LASP (Laboratory for Atmosperic and Space Physics) de l’Université du Colorado. Ce laboratoire de grand renom s’est intéressé aux travaux du chercheur Arnaud Stiepen, qui a étudié pour sa thèse de doctorat les atmosphères de Vénus et de Mars, planètes voisines de la Terre. Il a fait appel à son expertise pour le traitement des données que transmet l’IUVS. 

L’instrument IUVS observe l’atmosphère à différentes altitudes, en la balayant suivant des tranches verticales pour rechercher des traceurs qui sont dus à la luminescence et aux aurores. A partir de la position, de l’intensité et de la forme de ces émissions, il s’avère possible de comprendre les processus dynamiques et chimiques qui les ont produits. L’IUVS donne une nouvelle vision de l’impact de l’activité solaire sur le comportement atmosphérique de Mars. « Ce qui m’intéresse plus particulièrement, c’est de savoir si l’atmosphère martienne est capable de changer rapidement et dans quelle mesure elle se modifie sous l’effet du Soleil et des ondes de gravité qui se propagent depuis la surface de Mars. »  La participation d’A. Stiepen aux recherches du LASP ne pouvait être que profitable au LPAP liégeois. Ainsi le spécialiste liégeois des atmosphères vénusienne et martienne s’est illustré en contribuant à une découverte majeure sur l’évolution qu’a connue l’atmosphère martienne : son érosion progressive depuis 3 à 4 milliards d’années, due à l’impact des ions et électrons qui sont émis par le soleil.  

« Cette érosion se poursuit tant qu’il y a une atmosphère, explique A. Stiepen, On cherche surtout à comprendre ce lent processus en remontant dans le passé. On aimerait déterminer la masse d’atmosphère que Mars a perdue en trois à quatre milliards d’années. De la sorte, on pourra extrapoler ce que sera, à l’avenir, la santé de l’atmosphère martienne. » Et de faire référence pour son enquête à un changement de paradigme : « Avant qu’on ne dispose des informations de la sonde MAVEN, on pensait que l’érosion de l’atmosphère de Mars par le vent solaire était plutôt calme. Il n’en est rien. On a compris que le vent solaire, à cause de ses accès de violence au fil des âges, en vient à user plus fort l’atmosphère lors de ses colères. Ces événements énergétiques sont un élément très important, dont il faut tenir compte dans le calcul de l’érosion totale. »

Ce phénomène d’érosion ne peut être sous-estimé. Co-auteur d’un rapport scientifique sur les données de MAVEN concernant ce processus, Arnaud Stiepen précise : « Ce que l’on sait, c’est que l’atmosphère, voici 3 à 4 milliards d’années, était plus dense, plus chaude, capable de maintenir de l’eau liquide en surface. Et puis, au fil du temps – il est question de centaines de millions d’années - , cette couche s’est érodée. Dans cette étude, je me suis basé sur la valeur de l’airglow, c’est-à-dire de la lumière produite par l’atmosphère excitée. Elle donne des infos sur la compositon, la dynamique, les vents de l’atmosphère ». Si le Soleil se révèle plus actif et qu’il réchauffe l’atmosphère, on peut comprendre qu’il y ait davantage d’atmosphère qui s’échappe vers l’espace. L’évolution de l’atmosphère martienne révèle l’action du vent solaire. « Un peu comme le vent a un effet d’érosion sur une montagne. » La grande découverte concerne le rôle des CMEs (Coronal Mass Ejections) ou éjections de masse coronale comme accélérateurs de l’érosion. Ce plasma énergétique, expulsé du Soleil, peut trouver sur sa trajectoire la Planète Rouge. Comme celle-ci n’a pas de champ magnétique pour le dévier, il vient directement exciter l’atmosphère martienne et accélérer son érosion. 

Faire mieux en utilisant NOMAD

Ce comportement des CMEs a de quoi stimuler la curiosité d’Arnaud Stiepen. Surtout que le LPAP mise sur sa fructueuse collaboration avec l’IASB pour exploiter au mieux les observations de NOMAD. « Si le but premier de l’instrument développé en Belgique est l’étude du méthane dans l’atmosphère, on pourra en tirer parti pour des mesures d’autres constituants et de processus dynamiques. Je compte avoir accès à ces données pour en savoir advantage sur mes sujets d’intérêt martiens que sont les aurores ‘diffuses’ et l’érosion atmosphérique. »