Téléporter des scientifiques sur Mars - #leSOW 8

Chaque fois que je contemple un cliché pris depuis la surface de Mars, je me surprends à trouver dans ces paysages quelque chose d'extrêmement familier. Ce sol brun constellé de blocs rocheux et ces vastes étendues de sable et de poussière à perte de vue pourraient très bien avoir été photographiés en plein cœur du désert d'Atacama, du Colorado ou du Wadi Rum [Jordanie]. Ce n'est d'ailleurs pas un hasard si ce dernier a servi de décor à une poignée de films hollywoodiens qui mettent en scène la planète rouge. Pourtant, un œil aiguisé ne manquera pas de déceler dans ces paysages quelques détails exotique. Un coucher de soleil bleu. Une atmosphère aux teintes rosées. Et surtout, aucun signe de vie. De nos jours, la surface de Mars est un désert aride et glacé, stérilisé par des milliards d'années de rayonnements ultraviolets en provenance du Soleil et par les composés oxydants de son sol. Les bactéries les plus intrépides ne pourraient pas y survivre. Mais la planète rouge n'a peut-être pas toujours été aussi hostile à l'existence d'une vie de surface. De nombreuses structures géologiques laissent penser qu'il y a plusieurs milliards d'années, de grandes quantités d'eau liquide qui coulaient régulièrement. Mars a-t-elle été habitable dans sa prime jeunesse? A-t-elle était habitée? Depuis les années 60, une véritable flotte d'explorateurs robotique étudie la planète rouge sous toutes ses coutures. Le dernier en date est le rover Perseverance de la NASA, développé dans le cadre de la mission Mars 2020. Son but est de dévoiler les premiers chapitres de l'histoire géologique de Mars, et de déterminer si la région dans laquelle il s'est posé à un jour été propice à l'apparition de la vie. Mais je ne peux décemment pas m'étendre sur les résultats scientifiques de cette mission sans vous parler au préalable de l'un de ses moments les plus intenses. Le monde entier a les yeux rivés sur Mars. En a peine 7 minutes, la capsule passe d'une vitesse de 20 000 km/h à 0. Au cours de sa descente dans l'atmosphère martienne, elle est complètement livrée à elle-même. En cas de problème, les ingénieurs ne pourront pas sauver la sonde. Ils et elles ne peuvent que contempler, impuissant(e)s et avec 11 minutes de retard, les superbes images de la descente du rover. La joie explose. Le robot d'une tonne, aussi gros qu'une voiture, s'est posé comme prévu dans le cratère Jezero, soupçonné d'avoir abrité un lac par le passé. L'aventure de la mission Mars 2020 peut enfin commencer. Ces images ont fait le tour de la planète. Mais qu'est ce qui s'est passé une fois que la tension et les confettis sont retombés ? Comment est-ce qu'on sélectionne des sites d'intérêt ? Et à quoi ressemble le quotidien d'un rover sur Mars ? Eh bien pour le savoir, nous sommes au Laboratoire de Planétologie et de Géodynamique : le LPG. Ce labo nantais est impliqué à plusieurs échelles dans la mission Mars 2020. Il développe des outils de réalité virtuelle qui permettent aux géologues de s'immerger dans les données de la sonde spatiale et collabore au fonctionnement de l'un de ses instruments majeurs: Supercam. Bonjour je suis un Nicolas Mangold, je suis directeur de recherche au CNRS et je travaille sur la géologie la planète Mars. Supercam c'est un instrument complexe, qui est un petit peu le petit frère de l'instrument qui s'appelle ChemCam qui est à bord du rover Curiosity. L'instrument a un laser qui permet de tirer sur les roches, de chauffer les roches et d'acquérir la chimie la roche grâce à ça. Il a aussi des spectromètres qui vont enregistrer en infrarouge la réflectance des roches et en Raman, c'est-à-dire que là on va avoir la minéralogie de la roche. Donc on va avoir la chimie, la minéralogie, en géologie c'est ce qui nous intéresse avec aussi la texture, c'est-à-dire les images. Et donc Supercam en plus de ça a une caméra qui a une très bonne résolution, 2000 pixels par 2000 pixels, qui permet de photographier les roches autour du rover. Pour analyser les terrains variés du cratère Jezero, Perseverance peut compter sur ses six roues alimentées par une source d'énergie nucléaire, qui lui permettent de parcourir jusqu'à 200 mètres par jour. Enfin, par jour solaire martien plus précisément, puisque ce dernier dure un peu plus longtemps qu'un jour terrestre. Mais à cause des conditions météo extrêmes de Mars, le rover ne peut pas se mouvoir en permanence. En pratique, la plupart de ses opérations scientifiques sont cantonnées à la journée, où les températures sont de l'ordre de -20°C. La nuit, elles peuvent descendre sous la barre des -80°C, ce qui pose des contraintes fortes sur les matériaux. Le rover se contracte. Le rover en fait il commence sa journée de travail le matin, il travaille une journée en continu, et il renvoie ses données en fin de journée typiquement. Ou aussi pendant la nuit on a des passages voire de temps en temps pendant la journée. Ces passages utilisent l'antenne du rover pour transmettre à un orbiteur, c'est-à-dire une sonde spatiale qui est en orbite autour de Mars, qui va recevoir ces données et ces données vont ensuite transiter par cet orbiteur vers la Terre. Et ils sont reçus par la Terre par ces grands radiotélescopes qui sont d'énormes antennes d'une centaine de mètres de large qui reçoivent ces données et les transmettent ensuite à la NASA. Tout ça c'est fait de manière automatique, et ensuite on reçoit ça quelques minutes après dans nos ordinateurs en utilisant les logiciels qui sont communs avec la NASA. Selon la configuration relative des orbites de la Terre et de Mars, les données envoyées par le rover peuvent mettre entre 5 et 20 minutes à atteindre notre planète. Du coup, pour optimiser son fonctionnement, le rover est en semi-autonomie. Sa technologie de navigation lui permet de créer un modèle 3d de son environnement proche en direct afin de détecter automatiquement les obstacles potentiels et de les contourner. Le trajet de Perseverance est prédéfini en partie. C'est-à-dire qu'on a des idées sur les directions où aller à long terme par rapport aux objectifs scientifiques qu'on s'est fixé au départ. C'est à dire ceux du site d'atterrissage tel qu'on le connaît avec les données orbitales. Et puis ensuite on affine ce trajet en fonction des observations à la surface qui nous arrivent tous les jours, et donc on a une avancée, une direction qu'on s'est donnée pour des périodes de quelques semaines. Et puis au jour le jour, si on voit quelque chose d'intéressant à droite ou à gauche, on va faire une petite déviation, un petit détour qui va nous permettre d'analyser des roches intéressantes. Chaque fois que les géologues repèrent une zone d'intérêt sur le trajet du rover, l'endroit est photographié en détail par ses nombreuses caméras. Mais ces images nous parviennent en 2D, ce qui peut créer quelques soucis lorsqu'on cherche à appréhender les échelles de taille des roches sur place. Pour éviter ces problèmes et permettre aux géologues de manipuler les données du rover de la manière la plus immersive possible, une poignée de scientifiques du LPG développe depuis quelques années un fascinant dispositif de réalité virtuelle qui permet aux géologues, aux étudiants et au grand public de se téléporter sur la planète rouge à travers les yeux électroniques des sondes spatiales. Je suis Stéphane Le Mouélic, je suis ingénieur de recherche au CNRS, et je travaille au Laboratoire de Planétologie et de Géodynamique de Nantes depuis 2003. La photogrammétrie c'est une technique que j'ai découvert il n'y a pas si longtemps que ça, il y a quelques années seulement, qui est assez extraordinaire et qui consiste en gros à prendre des images d'un objet sous différents angles, et ensuite vous mettez ces images dans un ordinateur et vous allez reconstituer l'objet en 3D. Je sais que ça va être difficile pour moi d'aller sur Mars. Donc l'idée c'est de faire venir Mars au laboratoire et donc d'utiliser ces techniques émergentes de la réalité virtuelle pour donner l'occasion à des scientifiques, des géologues mais aussi des étudiants ou n'importe qui de faire comme s'ils étaient sur place. Ce que l'on essaie de faire c'est de faire des reconstitutions les plus précises possibles pour ensuite éventuellement pouvoir en tirer une information scientifique, donc typiquement faire des analyses comme si on faisait un camp de terrain géologique, donc avec la capacité d'observer la taille notamment des structures géologiques, leur répartition. Est-ce qu'il y a des strates ? Est-ce que ces strates sont plates ? Est-ce qu'elles sont inclinés ? Est-ce que si je vois des strates inclinées par là, ça se continue à l'autre bout par là bas ? Voilà, essayer d'avoir une compréhension régionale des terrains sur lesquels se promènent les sondes spatiales. L'un des intérêts majeurs c'est de mieux comprendre les échelles. C'est quelque chose que les astronautes d'Apollo ont souvent raconté. Même sur place, eux, sur la lune, ils avaient énormément de mal à savoir si un caillou qu'ils voyaient était un caillou petit et proche ou un caillou qui était très gros et lointain. Parce que sur la lune, et c'est pareil sur Mars, y a pas de repères que notre cerveau connaît : il n'y a pas d'arbre, pas de route, pas de voiture, pas de maison. Donc quand vous voyez un paysage purement minéral, vous avez du mal finalement à avoir une idée des échelles. Avec la réalité virtuelle on résout complètement ce problème puisque vous allez être immergé dans le monde virtuel, vous allez pouvoir survoler une zone ou marcher carrément à la surface. Et donc la compréhension des échelles devient immédiate. J'ai eu l'occasion de tester ça, mais il y a longtemps déjà, sur le premier casque de réalité virtuelle, l'Oculus Rift DK1 pour ceux qui connaissaient, c'était les premiers kits de développement. J'avais testé ça à la NASA où ils avait mis en place un test où ils faisaient passer des géologues, des scientifiques sur un environnement qu'ils avaient recréé autour du robot Curiosity, et puis il fallait repositionner les cailloux sur une carte. Donc on faisait ça en 2D sur un écran d'ordinateur, puis ensuite on passait en réalité virtuelle avec ce premier casque, qui était avec de gros pixels qui rendait un peu malade, et on refaisait le même exercice. Et sur leur échantillon ils avaient démontré que... Pourtant c'était à chaque fois des scientifiques qui passaient ! Eh ben le taux de bonnes réponses sur la compréhension de l'environnement il était aux alentours de 70% sur ordinateur, et il est passé à 95% en réalité virtuelle. Sur des images satellite sur Mars c'est assez extraordinaire, on est capable depuis 2006 de voir des détails de l'ordre de 25 cm. C'est-à-dire qu'on fait mieux sur Mars que ce qu'on faisait sur Terre dans le domaine civil à la même époque. Mais en même temps quand vous arrivez sur place avec un rover, là vous avez le nez sur les cailloux, donc on peut descendre à une résolution de pratiquement quelques dizaines de microns par pixel. Donc l'idée c'est d'intégrer tout ça, toutes ces images, à la fois orbitales puis les images globales du site puis les images locales, pour avoir une compréhension la plus fine possible de l'environnement. Nous en géologie on dit souvent que les terrains qu'on voit c'est un vrai livre d'histoire. Eh ben en fait, avec nos satellites, on voit quelque part la couverture du livre d'histoire. Et avec le rover, eh bien on peut feuilleter les pages de ce livre d'histoire. À peine quelques mois après son arrivée sur Mars, l'équipe scientifique de Perseverance a livré les premières analyses de son site d'atterrissage. Ces analyses se sont focalisées sur une structure géologique particulière : les falaises de la butte Kodiak, situées à environ 2 kilomètres du rover, et qui n'avaient été observées jusqu'à présent que depuis l'orbite martienne. Dans la première étude qu on a publié récemment avec les données de Perseverance, en fait on montre que ce site d'atterrissage est bien le bon site d'atterrissage. C'est-à-dire qu'il y a effectivement eu un lac, on le soupçonnait depuis l'orbite mais ça a été confirmé. En particulier il y a des strates qui sont exactement comme on s'attend sur Terre quand on a un delta qui arrive à l'intérieur d'un lac. C'est quelque chose qui n'avait jamais été vu sur Mars et qu'on avait pas vu depuis l'orbite parce que ce sont des strates complètement verticales. Et puis on a aussi vu avec une grande surprise des strates avec des gros blocs rocheux de près d'un mètre. Et là on voit qu'ils se sont formés par des rivières, c'est ce qu'on appelle des conglomérats. Imaginez des rivières à la sortie des Alpes au printemps qui charrient des gros blocs, ben c'est un petit peu ça qu'on voit, sauf qu'au milieu d'un lac on n'a pas trop l'habitude de voir ce genre de choses. Donc on s'imagine que ces dépôts là sont formés dans des conditions très particulières, probablement à la fin de l'activité lacustre, voire même complètement après, et donc on essaye de remonter comme ça à l'évolution géologique du cratère entre une période où il y a un lac, une période où le lac s'est asséché, et puis une période où on a eu ces crues soudaines. Ces premiers résultats sont déjà très enthousiasmants pour les géologues planétaires. Mais la plus grande découverte que pourrait faire Perseverance serait évidemment celle de traces, directes ou indirectes, de vie microbienne passée à la surface de Mars. Mais vu qu'on ne connaît qu'un seul échantillon de vie dans l'univers, le notre, il est difficile de spéculer sur les formes que pourrait prendre une hypothétique vie martienne, ou même si elle serait détectable par les instruments du rover. Mais ça n'empêche pas les scientifiques d'avoir des attentes sur la question. Quand j'étais tout petit je pense que j'aurais beaucoup aimé voir un os de dinosaure à la surface de Mars. Maintenant je sais que c'est pas ça qu'on va chercher. Tout ce que nos sondes spatiales nous apprennent de l'environnement de Mars c'est qu'il y a très sûrement eu de l'eau liquide en très grande quantité par le passé. Et même on l'a vu avec Curiosity à certains endroits une eau liquide peu salée, pas acide, donc vraiment une eau telle qu'on la connaît chez nous. Mais les sondes nous montrent aussi que Mars s'est asséchée assez vite, peut-être au bout d'un milliard d'années, elle a perdu son atmosphère en grande partie. Donc les conditions propices à l'émergence de la vie, si elles ont été présentes sur Mars, n'ont pas duré autant que sur Terre. Et notamment sur Terre, les formes de vie macroscopiques, il faut attendre y a peut-être 500 millions d'années pour commencer à les voir émerger. Donc les fossiles qu'on a tous en tête : les ammonites des trilobites, les os de dinosaures, tout ça c'est il y a à peine quelques centaines de millions d'années. Et on sait que sur Mars, il y a quelques centaines de millions d'années, on avait déjà un environnement complètement désertique, froid, avec une atmosphère extrêmement raréfiée. Sur Terre on sait qu'il y a une forme de traces de vie qui peut donner des objets macroscopiques, c'est-à-dire visible à l’œil nu, c'est ce qu'on appelle des stromatolites, c'est-à-dire des colonies de bactéries qui croissent les unes sur les autres et forment des petites formes arrondies, stratifiées, un petit peu comme des oignons, et qui en fait sont que des colonies de bactéries qui tracent le fait qu'ils se sont formés par la vie. Alors c'est difficile à démontrer parce que des roches peuvent parfois avoir des formes qui vont y ressembler. Mais forcément si on voit ça un jour on va être attiré, on va les analyser en détail parce que ça serait extraordinaire. Si on a des traces en plus par exemple avec Supercam de matière organique associée à ces roches en particulier, bon là c'est sûr que ce sera une découverte majeure qui dépassera bien ce qu'on vient de faire avec les premières images de Supercam. La mission de Perseverance ne fait que commencer. Et son travail sur le terrain ne s'arrête pas à l'étude des roches. Le rover participe aussi à jeter les bases de la prochaine étape de l'exploration de Mars : le retour d'échantillons sur Terre. Vers 2026, la NASA prévoit en effet le lancement d'une mission extrêmement ambitieuse appelée Mars Sample Return. MSR pour les intimes. Cette mission, en collaboration avec l'Agence spatiale européenne, se déroulera en trois temps. Tout d'abord, Perseverance est chargé de récupérer une quarantaine d'échantillons de roches martiennes intéressantes, et de les placer dans des petits tubes hermétiquement scellés, qui seront déposés à même le sol. À la fin de la décennie 2020, une autre sonde spatiale devrait atterrir sur Mars. Elle contiendra un rover chargé de récupérer les tubes un par un à la surface de la planète rouge, ainsi qu'une petite fusée dans laquelle seront placés les échantillons. Cette dernière sera conçue pour les envoyer en orbite martienne. À ce moment-là, une troisième sonde récupérera la capsule d'échantillons et la ramènera saine et sauve sur notre planète. Si toutes ces étapes se déroulent comme prévu, quelques centaines de grammes de précieux matériau martien devraient débarquer sur Terre au début des années 2030. Ils pourront alors être soumis à toutes sortes d'analyse détaillées qui sont impossibles à réaliser sur place par les instruments limités des rovers et des orbiteurs. C'est de la science fiction, mais pas tellement plus qu'au début de la mission Rosetta par exemple, où effectivement il fallait prévoir des instruments qui dix ans plus tard iraient se poser sur une comète pour éventuellement faire des analyses sur place. Au moment où la mission Rosetta a été conçue, ça pouvait paraître complètement fou, et pourtant ça a très bien marché. Grâce aux efforts combinés des ingénieurs, des scientifiques et des agences spatiales du monde entier, nous sommes entrés dans un véritable âge d'or de l'exploration martienne. Un âge d'or où il devient possible d'y envoyer des robots nucléaires dotés de lasers, d'y faire voler les hélicoptères, d'y transporter virtuellement des géologues, et de remonter dans le passé de la planète rouge afin de dévoiler sa jeunesse.