L'exploration de Mars.

De laborieux commencements

Le premier lancement à destination de Mars a eu lieu le 10 octobre 1960. Il s'agissait de la sonde soviétique Marsnik 1. Elle n'a pas atteint l'orbite terrestre. Et il en sera de même pour Marsnik 2, lancée 5 jours plus tard, pour Spoutnik 22, lancée le 22 octobre 1962, qui se détruit avant d'avoir quitté l'atmosphère, et encore pour Spoutnik 24, lancée le 24 novembre. Spoutnik 23 (Mars 1), lancée quelques jours plus tôt, le 1^er novembre, réussira cependant à parcourir une centaine de millions de kilomètres en direction de Mars, avant que le contact radio ne soit perdu. Conformément à la durée de la révolution synodique de Mars, il faut ensuite attendre deux ans, pour qu'une nouvelle fenêtre favorable aux lancements se présente. La sonde Zond 2 est ainsi envoyée vers Mars le 3 novembre 1964, avec pour objectif un atterrissage. Mais l'engin est perdu à mi parcours.

Côté américain, le premier tir a aussi été un échec, dès les premières phases du décollage. C'était celui de la sonde Mariner 3, lancée le 5 novembre 1964. Mariner 4, lancé le 28 novembre suivant, réussit cependant beaucoup mieux. La sonde s'approchera ainsi e 14 juillet 1965, à moins de 10 000 km de la surface de Mars, et parviendra à transmettre des images de la planète. La composition de son atmosphère de Mars également précisée.
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Une des premières images prises par Mariner 4
de la surface martienne. Source : JPL / Nasa.

A l'occasion de la fenêtre de lancement suivante, la Nasa lance les sondes Mariner 6 (le 25 février 1969), et sa soeur jumelle Mariner 7 (le 27 mars). La première atteint Mars le 31 juillet, et s'approche à moins de 3500 km. Elle transmettra de 75 images. La seconde arrive à destination le 5 août, et transmet 126 images transmises. La calotte sud de Mars apparaît à cette occasion composée de dioxyde de carbone. Au même moment, les Soviétiques connaissent de nouveaux échecs : celui de Mars 1969A (le 27 mars), et celui de Mars 1969B (le 2 avril), qui ne dépassent pas la phase de lancement.

Encore deux ans à attendre. Mais les résultats du programme d'exploration restent toujours aussi aléatoires... En Amérique, on assiste ainsi d'abord à l'échec au lancement de Mariner 8, le 8 mai 1971. Puis, au succès de Mariner 9, lancée le 30 mai. Ce sera la première sonde à se satelliser autour d'une autre planète. Plus de 7000 photographies sont transmises, et parmi elles les premières images de Phobos et Deimos. Mais la sonde a joué de malchance : une tempête de sable géante, ayant masqué la plus grande partie de la surface de Mars, au cours de la période de fonctionnement de la sonde. Seul le sommet de quelques hauts volcans, dépassant des nuages ont pu être réellement observés.

En Union soviétique, la situation va s'améliorer un peu en 1971. Mais ici encore, le premier essai est un échec : 10 mai, Kosmos 419 retombe dans l'atmosphère après avoir seulement réussi à atteindre l'espace. Le 19 mai, Mars 2 est lancée pour arriver enfin le 27 novembre à proximité de Mars. Un atterriseur est envoyé sur la planète. Il s'écrase, mais l'orbiteur reste fonctionne encore quelques heures et permet de transmettre les premières données. Le 28 mai c'est au tour de Mars 3, sonde jumelle de la précédente de partir vers la planète rouge. Mars 3 parvient à poser une atterrisseur le 2 décembre, mais qui ne parvient pas à transmettre de données utilisables. Au total, Mars 2 et Mars 3 auront tout de même retourné une soixantaines d'images depuis l'orbite. Des températures inférieures à -100°C auront également été mesurées au cours de leur mission.

Lors de l'opportunité de tir de 1973, le programme soviétique se poursuit avec le lancement le 21 juillet 1973, de Mars 4, qui parvient à survoler la planète, mais rate sa satellisation. Le 25 juillet, c'est le tour de Mars 5 d'être lancée. Celle-ci réussira à se placer en orbite martienne, le 12 février 1974. Elle prendra quelques dizaines d'images avant de tomber en panne. Le 5 août 1973, puis le 9 août, c'est au tour de Mars 6 et de Mars 7, respectivement, d'être envoyées vers Mars. La première atteindra la planète le 12 mars de l'année suivante, descendra dans l'atmosphère et transmettra quelques données avant de tomber en panne. Quant à la seconde, elle manquera la planète de quelques centaines de kilomètres. Un dernier échec, qui marque pour l'Union soviétique le début d'une pause de treize ans dans l'exploration de cette planète.

La nouvelle donne martienne

Le premier grand succès de l'exploration martienne est celui des deux sondes Viking lancées en 1975 par la Nasa. Viking 1 est lancé le 20 août, Viking 2, engin jumeau du précédent, est lancé le 9 septembre. Ces sondes sont composées de deux modules : l'un sera un orbiteur, l'autre un atterrisseur. Viking 1 arrive en orbite martienne le 19 juin 1976, et sont module d'atterrissage se pose le 20 juillet dans la région de Chryse Planitia. Il y analysera les conditions atmosphériques, ainsi que des échantillons de sol. De nombreuses images sont également transmises. Viking 2 atteint pour sa part l'orbite martienne le 7 août 1976. Et, le 3 septembre, l'atterriseur se détache du module principal et se pose dans la région d'Utopia Planitia. Sa mission au sol est similaire à celle de Viking 1. Au total plus de 50 000 clichés auront été pris par les deux atterrisseurs et les orbiteurs.
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Première image en couleur du sol martien prise par Viking 1.
Source : JPL / Nasa.

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Après le succès du programme Viking, les États-Unis abandonnent à leur tour pour quelque temps l'étude in situ de Mars. Et ce sera finalement les lancements des sondes soviétiques Phobos 1 (le 7 juillet 1988) et Phobos 2 (le 12 juillet de la même année) qui marqueront un renouveau des programmes martiens. Phobos 1 doit sur voler Mars, Phobos 2 larguer deux atterriseurs sur Phobos. Malheureusement, le 2 septembre 1988, Phobos 1 est désactivé par erreur. Phobos 2 atteindra l'orbite martienne le 29 janvier 1989, et des données commenceront à être transmises; mais le 27 mars, au moment où l'engin frôle Phobos, le contact est perdu avec l'engin.

L'alternance des succès et des échecs se poursuit maintenant avec les sondes envoyées par la nasa. Cela commence avec la sonde Mars Observer, lancée par la Nasa le 25 septembre 1992, et avec laquelle le contact est perdu le 21 août 1993, alors qu'elle arrivait a proximité de Mars. Cela se continue avec les lancements de Mars Global Surveyor et de Mars Pathfinder, dont les missions seront, elles, des réussites. Mars Global surveyor a été lancée le 7 novembre 1996 en direction de Mars. Arrivée à destination le 12 septembre 1997, la sonde ne commencera son travail proprement scientifique (une cartographie de la planète) qu'à partir de mars 1999. Quant à la sonde Mars Pathfinder, c'est un atterrisseur, lancé par la Nasa le 4 décembre 1996, et qui emporte un véhicule autonome, le rover Sojourner. Arrivée à destination le 4 juillet 1997, la sonde déploiera deux jours plus tard Sojourner, qui commence son exploration autour du site d'atterrissage. Des données seront transmises jusqu'au 27 septembre.

Le rover Sojourner de la mission Mars Pathfinder. Source : JPL / Nasa. -

Mais la comédie des erreurs qui gangrène les programmes d'exploration martienne depuis ses commencements n'est toujours pas terminée. Le 16 novembre 1996, la Russie lance Mars 96, sonde qui comporte un orbiteur et un atterrisseur, et deux pénétrateurs : c'est un échec après le lancement. Le 3 juillet 1998, la sonde Nozomi (ou Planet B) est lancée depuis le Japon : des difficultés à atteindre la trajectoire prévue retardera d'abord son arrivé à proximité de Mars, puis conduiront finalement à l'abandon de la mission, fin 2003. la dernière manoeuvre la concernant aura été l'évitement de Mars pour empêcher toute contamination due à un impact. Le 11 décembre 1998, Mars Climate Orbiter est lancée par la Nasa : la sonde est perdue dès son arrivée en orbite martienne, le 23 septembre de l'année suivante, après une erreur de navigation. Enfin, le 3 janvier 1999, c'est au tour de Mars Polar Lander d'être lancé par la Nasa. Elle doit se poser sur la calotte sud de Mars, et deux pénétrateurs sont également emportés. Mais la sonde qui arrive à destination le 3 décembre, choisit ce moment là pour cesser d'émettre...

La calotte polaire australe, photographiée par MGS. Source : JPL / Nasa.

Reull Vallis (à l'est du bassin Hellas), photographié par Mars Express. Source : ESA.

Les derniers programmes en date sont ceux des sondes Mars Odyssey, Mars Express et Mars Exploration Rovers. Mars Odyssey, lancée par la Nasa le 7 avril 2001, et qui est arrivée en orbite martienne le 24 octobre suivant pour y exécuter, comme les orbiteurs de Viking et de Mars Global Surveyor, un travail de cartographie globale. Quant à Mars Express, c'est une sonde lancée le 2 juin 2003 par l'agence spatiale européenne (ESA), nouveau venu dans l'exploration de Mars. La mission comportait un orbiteur, qui est parvenu à se placer comme prévu en orbite martienne le 25 décembre 2003, et un atterrisseur nommé Beagle 2 (en référence au Beagle, qui était le navire à bord duquel Fitz-Roy et Darwin firent leur tour du monde), avec lequel le contact radio a été perdu lors de sa descente vers la surface martienne.

Mieux réussi a été, le 3 janvier 2004, l'atterrissage dans le cratère Gusev du rover Spirit appartenant à la mission Mars Exploration Rover (lancements les 10 juin et 7 juillet), qui comporte également une seconde sonde, dont le rover se nomme Opportunity, et qui s'est posé - lui aussi sans encombres - le 25 janvier, dans la région de Méridiani Planum. En mars, les analyses d'une roche grâce au robot de la sonde Opportunity ont confirmé l'existence passée d'eau à l'état liquide à la surface de Mars. Mais en 2006, après la défaillance de l'une de ses roues, Spirit s'est retrouvé coincé dans le sable; il a été contraint de fonctionner désormais comme une station fixe.

Paysage du site d'atterrissage de Spirit. Source : JPL / MER.

En 2008, Phoenix (dont le nom vient de ce qu'il a été construit à partir de pièces détachées d'une précédente mission martienne qui avait échoué) a atterri près du bord de la calotte polaire, à 68° de latitude Nord, et a directement mesuré la glace d'eau dans le sol.

Curiosity.
En novembre 2011, la NASA a lancé, avec Curiosity, sa plus grande (et sa plus chère) mission sur Mars depuis Viking, avec le rover le plus sophistiqué jamais envoyé sur une autre planète : Mars Science Laboratory (MSL), plus connu sous le nom de Curiosity. Lancé par la NASA, Curiosity représentait un changement de paradigme, passant du simple "suivre l'eau" à "évaluer l'habitabilité passée". Son objectif principal était d'explorer le cratère Gale, choisi pour sa richesse géologique et la présence potentielle d'un ancien lac, afin de déterminer si Mars a un jour possédé les conditions environnementales nécessaires à l'apparition de la vie microbienne.

L'atterrissage spectaculaire de Curiosity en août 2012 dans le cratère Gale, utilisant la manoeuvre innovante du sky crane, a été un triomphe technologique. Dès ses premiers mois d'exploration, le rover a livré de solides preuves de l'existence passée d'un environnement lacustre habitable. L'analyse des roches sédimentaires au lieu-dit Yellowknife Bay a révélé la présence d'argiles formées en présence d'eau douce et chimiquement neutre, ainsi que les éléments chimiques essentiels à la vie tels que le soufre, l'azote, l'oxygène, le phosphore et le carbone (CHNOPS). Curiosity a également foré dans des roches martiennes, une première, permettant d'analyser leur composition interne moins altérée par la surface. Le rover a ensuite entrepris son lent mais constant ascension du Mont Sharp (Aeolis Mons), la grande montagne au centre du cratère Gale, explorant différentes couches stratigraphiques représentant différentes époques de l'histoire martienne.

Il a continué à trouver des preuves de lacs et de rivières, mais aussi de périodes plus sèches et saumâtres, documentant l'évolution climatique de Mars. Parmi ses autres découvertes importantes figurent la détection de molécules organiques dans des roches sédimentaires (des briques potentielles de la vie, bien que leur origine - biologique ou géologique - reste à confirmer) et la mesure des variations saisonnières du méthane atmosphérique, dont la source est encore un mystère.

Curiosity a également fourni des données cruciales sur les niveaux de radiation à la surface, essentielles pour la planification de futures missions humaines. Pendant toute cette période, les orbiteurs déjà en place, comme Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) et Mars Express de l'ESA, ont continué à fournir des données précieuses, cartographiant la surface en haute résolution, étudiant la minéralogie et surveillant l'atmosphère, souvent en soutien direct aux opérations de Curiosity ou en vue de futures missions. Opportunity, le rover jumeau de Spirit arrivé en 2004, a également continué son exploration remarquable sur Meridiani Planum jusqu'en 2018, date à laquelle une tempête de poussière globale l'a mis hors service après plus de 14 ans d'activité.

Diversification des acteurs.
En 2014, deux nouveaux orbiteurs ont rejoint le ballet martien. L'Inde, avec sa première mission interplanétaire, a placé le Mars Orbiter Mission (MOM), ou Mangalyaan, en orbite autour de Mars. Bien que ses objectifs scientifiques soient modestes comparés à d'autres missions, le succès technologique de l'ISRO (Organisation indienne de recherche spatiale) dans la conception, le lancement et l'insertion en orbite d'une sonde à un coût relativement faible a été un exploit majeur. MOM a notamment pris des images de la surface martienne et tenté de mesurer le méthane atmosphérique. Presque simultanément, la NASA a inséré son orbiteur MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) en orbite. MAVEN est spécifiquement dédié à l'étude de la haute atmosphère de Mars, de son interaction avec le vent solaire et des processus qui ont conduit à la perte massive de l'atmosphère martienne au cours du temps, transformant une planète potentiellement chaude et humide en un désert froid et sec. Les données de MAVEN ont confirmé que la perte atmosphérique due au vent solaire est un processus majeur, particulièrement intense lors des tempêtes solaires, expliquant une grande partie de la transition climatique martienne.

En 2016, l'Agence Spatiale Européenne (ESA) et Roscosmos ont lancé la première phase de leur programme ExoMars. Cette mission comprenait le Trace Gas Orbiter (TGO) et un atterrisseur de démonstration technologique nommé Schiaparelli. Si l'atterrissage de Schiaparelli en octobre 2016 s'est malheureusement soldé par un échec technique peu avant l'arrivée au sol, le TGO a réussi son insertion orbitale et est devenu un atout majeur pour l'exploration martienne. TGO est équipé d'instruments extrêmement sensibles capables de détecter et de quantifier les gaz traces dans l'atmosphère martienne, avec un accent particulier sur le méthane et d'autres hydrocarbures, ainsi que sur la vapeur d'eau. Ses mesures très précises ont placé des contraintes significatives sur la concentration du méthane, trouvant des niveaux généralement bas et remettant en question certaines détections antérieures. Le TGO sert également de relais de communication essentiel pour les rovers à la surface et est équipé d'une caméra haute résolution (CaSSIS) produisant des images spectaculaires, ainsi que d'un détecteur de neutrons (FREND) capable de cartographier la distribution de la glace d'eau près de la surface.

Perseverance, Tianwen-1, al-Amal.
L'exploration s'est encore intensifiée avec la fenêtre de lancement de 2020, qui a vu partir trois missions ambitieuses vers Mars, profitant d'un alignement planétaire favorable. En février 2021, ces trois missions sont arrivées à destination, ouvrant une nouvelle ère. La NASA a fait atterrir son rover Perseverance, successeur de Curiosity mais axé sur l'astrobiologie et la recherche directe de signes de vie passée dans le cratère Jezero, un ancien delta de rivière. Perseverance est doté d'instruments encore plus sophistiqués et surtout, il collecte des échantillons de roches et de régolithe qu'il scelle dans des tubes en vue d'une future mission de retour d'échantillons sur Terre, prévue dans les années 2030. Cette capacité de "cache" d'échantillons est une première historique et une étape cruciale vers l'analyse directe de matériaux martiens dans des laboratoires terrestres. Outre la collecte d'échantillons, Perseverance a testé de nouvelles technologies, notamment MOXIE, un instrument capable de produire de l'oxygène à partir du dioxyde de carbone atmosphérique martien (une étape clé pour la production de propergol et d'air respirable pour de futures missions humaines), et surtout, le drone hélicoptère Ingenuity. Ingenuity a réalisé le tout premier vol motorisé et contrôlé sur une autre planète en avril 2021, démontrant la faisabilité de l'exploration aérienne et ouvrant la voie à de futures missions avec des capacités de reconnaissance aérienne étendues.

Parallèlement à l'arrivée de Perseverance, la Chine a marqué un jalon majeur en arrivant également sur Mars avec sa mission Tianwen-1, une mission complète comprenant un orbiteur, un atterrisseur et un rover. Après une phase d'observation orbitale, l'atterrisseur et le rover Zhurong se sont posés avec succès en mai 2021 dans la plaine d'Utopia Planitia, faisant de la Chine le deuxième pays seulement à réussir à opérer un rover sur la surface martienne. Le rover Zhurong, doté d'instruments pour étudier la géologie de surface, la minéralogie et la structure du sous-sol via un radar, a exploré son site d'atterrissage pendant plusieurs mois, fournissant des données précieuses sur cette région vaste et peu explorée. L'orbiteur Tianwen-1 poursuit quant à lui une cartographie globale de la planète.

Enfin, la troisième mission arrivée en février 2021 fut Hope (Al Amal) des Émirats arabes unis. Cet orbiteur est la première mission interplanétaire des Émirats arabes unis et sa conception est axée sur l'étude de l'atmosphère martienne à l'échelle globale et sur des cycles temporels étendus. Depuis son orbite unique et élevée, Hope observe l'atmosphère martienne sous différentes perspectives et à différents moments de la journée et de l'année martienne, fournissant des données sur les dynamiques atmosphériques, les phénomènes météorologiques quotidiens et saisonniers, et la façon dont l'énergie et les particules s'échappent de l'atmosphère supérieure.