Comment les rovers détectent les molécules organiques sur Mars

Un laboratoire de chimie sur roues

Quelque part sur le sol poussiéreux du cratère Gale, un robot de la taille d'une petite voiture fait de la chimie. Le rover Curiosity de la NASA transporte un ensemble d'instruments collectivement connus sous le nom de Sample Analysis at Mars (SAM) – un laboratoire miniature capable de dénicher les molécules à base de carbone que les scientifiques considèrent comme les éléments constitutifs de la vie. Comprendre comment les rovers trouvent réellement ces molécules révèle l'ingéniosité derrière l'une des quêtes scientifiques les plus ambitieuses de l'humanité.

Qu'est-ce qu'une molécule « organique » ?

En chimie, organique ne signifie pas « produit par un être vivant ». Cela fait simplement référence aux molécules construites autour de liaisons carbone-carbone ou carbone-hydrogène. Les météorites livrent des composés organiques aux surfaces planétaires tout le temps, et les processus géologiques peuvent les créer sans aucune biologie impliquée. Le défi sur Mars n'est pas seulement de trouver des composés organiques, mais de déterminer s'ils se sont formés par la vie, la géologie ou la livraison cosmique.

Cette distinction est extrêmement importante. Certains schémas – des rapports isotopiques spécifiques, des structures moléculaires répétitives ou des associations avec des minéraux particuliers – pourraient servir de biosignatures, preuve qu'une vie a existé autrefois. Les rovers sont conçus pour cataloguer ces indices, même si une réponse définitive reste insaisissable.

Première étape : forer dans la roche

La détection commence par une foreuse montée sur le bras robotique du rover. Curiosity sélectionne des cibles rocheuses en fonction du contexte géologique – les sédiments argileux déposés par l'eau ancienne sont des candidats de choix. La foreuse pulvérise la roche en une fine poudre, qui est ensuite acheminée dans les chambres internes de SAM. L'ensemble du processus doit éviter la contamination par des produits chimiques d'origine terrestre transportés à bord du rover, un casse-tête d'ingénierie constant.

Deuxième étape : chauffer et renifler

La méthode standard de SAM est la pyrolyse – chauffer l'échantillon pulvérisé dans un minuscule four à des températures dépassant 800 °C. Au fur et à mesure que la roche cuit, les gaz piégés s'échappent. Ces vapeurs passent à travers un chromatographe en phase gazeuse, un long tube enroulé qui sépare le mélange en composants moléculaires individuels en fonction de la vitesse à laquelle chacun se déplace dans la colonne. Les gaz séparés entrent ensuite dans un spectromètre de masse, qui identifie chaque molécule par son rapport masse/charge sur une plage de 2 à 535 daltons.

Cette technique, connue sous le nom de chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (GC-MS), est le cheval de bataille de la détection organique sur Mars. Elle a confirmé la présence de chlorobenzène, de thiophènes et d'autres petits composés carbonés dans la mudstone martienne.

Troisième étape : la chimie humide – la percée

Certaines des molécules les plus intéressantes – les acides aminés, les acides gras et autres composés importants pour la biologie – se décomposent ou restent invisibles à haute température. Pour les attraper, SAM transporte neuf coupelles scellées de solvant chimique pour une technique appelée chimie humide.

Dans cette approche, un échantillon de roche est déposé dans une coupelle contenant de l'hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH) dissous dans du méthanol. Le réactif fortement alcalin hydrolyse l'échantillon, coupant les grosses molécules des surfaces minérales et les décomposant en fragments plus petits et volatils. Le four chauffe ensuite le mélange à environ 550 °C, et les gaz libérés s'écoulent dans le même pipeline GC-MS pour identification.

Cette méthode s'est avérée spectaculairement fructueuse. Dans les résultats publiés dans Nature Communications, la première expérience TMAH de Curiosity a détecté plus de 20 composés organiques dans du grès vieux de 3,5 milliards d'années, dont sept jamais vus auparavant sur Mars. Parmi eux, on trouvait des hétérocycles azotés – des molécules en forme d'anneau avec des structures similaires aux précurseurs de l'ADN – et du benzothiophène, la plus grande molécule aromatique confirmée comme étant indigène à la planète rouge.

Pourquoi c'est important

Chaque nouvelle détection élargit le catalogue de la chimie martienne et démontre que la surface de la planète peut préserver les molécules organiques pendant des milliards d'années. Cette préservation est essentielle : si une vie ancienne a existé sur Mars, ses empreintes chimiques peuvent encore être lisibles dans les archives rocheuses.

Les futures missions iront plus loin. Le rover Perseverance de la NASA scelle des échantillons de roche dans des tubes pour un éventuel retour sur Terre, où des laboratoires à grande échelle peuvent appliquer des techniques bien au-delà de ce que tout rover transporte. Le rover Rosalind Franklin de l'Agence spatiale européenne forera jusqu'à deux mètres sous la surface, atteignant des couches protégées du rayonnement intense qui dégrade les composés organiques au sommet.

Pour l'instant, le travail de détective se poursuit un trou de forage à la fois – un chimiste robotique lisant patiemment le journal moléculaire d'un monde qui n'a peut-être pas toujours été mort.