Comment le vent solaire a dépouillé Mars de son atmosphère

Une planète qui ressemblait autrefois à la Terre

Mars est aujourd'hui un monde aride, bombardé de radiations, avec une atmosphère à peine 1 % aussi épaisse que celle de la Terre. Les températures de surface chutent à –80 °C la nuit, et l'eau liquide ne peut pas survivre à la surface. Pourtant, d'anciens lits de rivières, des bassins lacustres et des dépôts minéraux racontent une histoire très différente. Il y a environ quatre milliards d'années, Mars était plus chaude et plus humide, une planète qui aurait pu abriter les conditions nécessaires à la vie. Que s'est-il passé ? La réponse courte nous vient du Soleil, à plus d'un million de kilomètres par heure.

Qu'est-ce que le vent solaire ?

Le vent solaire est un flux continu de particules chargées, principalement des protons et des électrons, que le Soleil expulse de son atmosphère extérieure, la couronne, dans le système solaire. Ces particules se déplacent à des vitesses allant de 400 à 900 km/s, emportant avec elles des fragments du champ magnétique du Soleil. Lorsque le vent solaire atteint une planète, ce qui se passe ensuite dépend presque entièrement d'une chose : si cette planète possède ou non un champ magnétique global propre.

La Terre est protégée par une puissante magnétosphère générée par son noyau de fer en fusion et en rotation. Ce bouclier invisible dévie la majeure partie du vent solaire autour de la planète, canalisant les particules chargées en toute sécurité vers les pôles, où elles créent les aurores boréales et australes. Sans ce bouclier, notre atmosphère serait lentement érodée dans l'espace. Mars, de manière catastrophique, a perdu cette protection il y a longtemps.

Comment Mars a perdu son bouclier magnétique

Les scientifiques pensent que Mars avait autrefois un champ magnétique actif généré par une dynamo dans son noyau métallique, un peu comme celui de la Terre. Mais Mars a environ la moitié du diamètre de la Terre et un dixième de sa masse, ce qui signifie que son intérieur s'est refroidi beaucoup plus rapidement. Il y a entre 3,7 et 4,2 milliards d'années, cette dynamo interne s'est arrêtée. Le champ magnétique global s'est effondré et Mars s'est retrouvée nue face au vent solaire.

Des recherches publiées dans la Harvard Gazette et étayées par des données provenant de météorites martiennes ont permis de préciser cette chronologie. Certaines régions de la croûte martienne portent encore des signatures magnétiques fossilisées, vestiges de l'ancien champ figé dans la roche avant la mort de la dynamo. Ces anomalies crustales sont parmi les preuves les plus solides que Mars avait autrefois une magnétosphère protectrice comparable à celle de la Terre.

Comment le vent solaire érode une atmosphère

Sans bouclier magnétique, le vent solaire interagit directement avec la haute atmosphère de Mars. Deux processus principaux entraînent la perte atmosphérique :

• Capture d'ions : Le champ magnétique intégré au vent solaire génère un champ électrique lorsqu'il passe près de Mars. Ce champ accélère les atomes et les molécules chargés électriquement dans la haute atmosphère, appelés ions, et les projette dans l'espace à une vitesse énorme.
• Pulvérisation cathodique : Les particules de vent solaire à haute énergie percutent l'atmosphère martienne et éjectent physiquement les molécules de gaz, un peu comme des boules de billard qui se dispersent sur une table.

Ces processus peuvent sembler lents, mais sur une échelle de temps géologique, ils sont dévastateurs. La NASA estime que le vent solaire arrache actuellement environ 100 grammes d'atmosphère martienne par seconde, et pendant les tempêtes solaires, ce taux augmente considérablement. Multipliez cela sur des milliards d'années, et la perte cumulative est stupéfiante.

Ce que la mission MAVEN de la NASA a révélé

L'image la plus claire de ce processus provient de MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN), un vaisseau spatial de la NASA qui est en orbite autour de Mars depuis 2014. MAVEN a été conçu spécifiquement pour étudier la haute atmosphère et mesurer la vitesse à laquelle elle est perdue dans l'espace.

Ses conclusions, rapportées par la NASA et détaillées par la Planetary Society, ont été frappantes. MAVEN a confirmé que le dépouillement par le vent solaire est le principal mécanisme à l'origine de la perte atmosphérique de Mars. Le vaisseau spatial a mesuré qu'environ 65 % de tout l'argon qui existait autrefois dans l'atmosphère martienne a déjà été perdu dans l'espace. L'argon est chimiquement inerte, de sorte que sa perte est un marqueur pur d'échappement physique, non affecté par les réactions chimiques.

MAVEN a également cartographié les endroits où le gaz s'échappe. Environ 75 % s'échappent par la magnétocue martienne, la région située directement derrière Mars, à l'opposé du Soleil, tandis qu'environ 25 % s'échappent par des panaches polaires. Un halo diffus de gaz en fuite entoure toute la planète.

Une observation spectaculaire de MAVEN s'est produite lorsque le vent solaire a temporairement disparu lors d'une accalmie inhabituelle de l'activité solaire. La fine atmosphère de Mars a visiblement gonflé vers l'extérieur sans la pression du vent. Lorsque le vent solaire est revenu, la perte atmosphérique a repris. L'expérience a fourni une démonstration vivante et en temps réel du mécanisme.

Ce que cela signifie pour Mars, et pour la vie

Au fur et à mesure que l'atmosphère s'amincissait au cours de milliards d'années, l'effet de serre de Mars s'est affaibli, les températures ont chuté et l'eau liquide n'a plus pu persister à la surface. Les océans et les rivières de la planète ont lentement gelé ou se sont évaporés dans l'espace. Il y a environ 3,5 milliards d'années, Mars s'était transformée d'un monde potentiellement habitable en un désert froid que les scientifiques observent aujourd'hui.

Cette histoire a de profondes implications pour la recherche de la vie. Si la vie a jamais existé sur Mars, c'est très probablement au cours du premier milliard d'années de la planète, avant que l'atmosphère ne s'effondre. Une étude publiée dans The Conversation note que toute vie survivante aujourd'hui devrait être protégée sous terre, à l'abri du froid et du rayonnement ultraviolet intense qui baigne désormais la surface sans entrave.

Pourquoi cela est important au-delà de Mars

L'histoire de Mars est aussi une mise en garde sur ce qui rend une planète habitable. Le champ magnétique de la Terre, maintenu par son noyau toujours actif, n'est pas une caractéristique permanente. Il s'est affaibli et a même inversé sa polarité à de nombreuses reprises dans l'histoire de la Terre. Les scientifiques étudient ces inversions avec attention, car une magnétosphère affaiblie, même temporairement, pourrait exposer l'atmosphère terrestre à une plus grande érosion par le vent solaire.

Comprendre les mécanismes qui ont dépouillé Mars aide les planétologues à identifier les exoplanètes, des mondes en orbite autour d'autres étoiles, qui sont les plus susceptibles de conserver des atmosphères suffisamment épaisses pour abriter la vie. La taille d'une planète, sa chaleur interne et sa distance par rapport à son étoile entrent toutes en ligne de compte dans ce calcul. Il s'avère que Mars était tout simplement trop petite pour rester géologiquement active assez longtemps pour maintenir son bouclier en place.