Une équipe internationale dirigée par des scientifiques de l’Université de Liège permet d’observer, pour la première fois dans le domaine du visible, une émission lumineuse dans le côté nuit de la planète Mars. Des nouvelles observations qui permettent de mieux comprendre la dynamique de la haute atmosphère de la planète rouge et ses variations tout au long de l’année. Les résultats de cette étude font l’objet d’une publication dans Nature Astronomy.
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ne équipe scientifique, emmenée par des chercheurs du Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire (LPAP / STAR Research Institute) de l’Université de Liège vient d’observer, pour la première fois, des lueurs dans le ciel nocturne de Mars avec l’aide de l’Instrument UVIS-NOMAD à bord du satellite Trace Gas Orbiter (TGO) de l’Agence Spatiale Européenne (ESA). Cet instrument fait partie de l’ensemble des spectromètres NOMAD développé à l’institut Royal d’Aéronomie Spatiale à Uccle, testé et étalonné au Centre Spatial de Liège. Il a été inséré en orbite circulaire martienne à 400 km d’altitude en 2018.
Initialement conçu pour cartographier dans l’ultraviolet la couche d’ozone entourant la planète, UVIS-NOMAD couvre un domaine spectral s’étendant du proche ultraviolet à la lumière rouge. Dans ce but, l’instrument est habituellement orienté vers le centre de la planète et observe la lumière solaire réfléchie par la surface planétaire et l’atmosphère. « Sur base d’une proposition émanant de notre laboratoire, l’instrument a été orienté vers le bord de la planète afin d’en observer l’atmosphère par la tranche, explique Jean-Claude Gérard, planétologue à l’ULiège. En 2020 déjà, nous avions pu détecter la présence d’une émission verte entre 40 et 150 km d’altitude présente pendant la journée martienne. Cette dernière était due à la dissociation de la molécule CO2, le principal constituant atmosphérique, par le rayonnement solaire ultraviolet. »
Un long voyage pour les atomes d’oxygène
Le satellite TGO, qui observe l’atmosphère de nuit, vient donc de détecter une nouvelle émission entre 40 et 70 km d’altitude. «Cette émission est due à la recombinaison des atomes d’oxygène créés dans l’atmosphère d’été et transportés par les vents vers les hautes latitudes hivernales, reprend Lauriane Soret, chercheuse au LPAP. Les atomes s’y recombinent au contact de CO2 pour reformer une molécule d’O2 dans un état excité qui se relaxe en émettant de la lumière dans le domaine visible.» Cette émission lumineuse se concentre dans les régions polaires au nord et au sud, là où les atomes d’oxygène convergent dans la branche descendante de la gigantesque trajectoire depuis l’hémisphère opposé. L’intensité de l’émission est élevée et se situe dans le domaine des rayonnements visibles. Ce processus semble s’inverser chaque demi année martienne* et la luminosité change alors d’hémisphère. Une émission similaire avait été analysée sur Vénus par la même équipe sur base des images du satellite Venus Express. Sur Vénus, les atomes voyagent de la face éclairée vers la face nocturne où ils émettent la même luminescence que sur Mars.
Les chercheurs de l’ULiège au premier plan
Les chercheurs du LPAP ont joué un rôle essentiel dans ces observations. Après avoir mis en évidence la présence d’une couche lumineuse verte entourant la planète du côté jour, ils ont identifié l’émission de nuit. « L’étude sera poursuivie au cours de la mission TGO et nous apportera de précieux renseignements sur la dynamique de la haute atmosphère martienne et ses variations au cours de l’année martienne, continue Lauriane Soret. Nous avons remarqué qu’une autre émission située dans l’ultraviolet et due à la molécule d’oxide d’azote (NO) est également observée par UVIS dans les mêmes régions. La comparaison des deux luminescences va nous permettre d’affiner le diagnostic et de préciser les processus en jeu.»
En effet, la molécule NO émet également de la lumière lors de la recombinaison entre les atomes d’oxygène et d’azote. Comme pour le rayonnement de la molécule O2, les atomes sont formés dans la lumière solaire, transportés par les vents vers l’autre hémisphère et se recombinent au cours du mouvement descendant dans les régions polaires.
« Ces nouvelles observations sont inattendues et intéressantes pour les futurs voyages vers la planète rouge, se réjouit Jean-Claude Gérard. L’intensité de la luminescence dans les régions polaires est telle que des instruments simples et relativement bon marché en orbite martienne pourraient cartographier et assurer le suivi des courants atmosphériques. Une future mission de l’ESA pourrait ainsi emporter une caméra qui en ferait l’imagerie globale. En outre, l’émission est suffisamment intense pour être observable au cours de la nuit polaire par des futurs astronautes en orbite ou à partir du sol martien’.
Et Benoit Hubert, chercheur qualifié du FNRS au LPAP de conclure : ‘’la télédétection de ces émissions constitue un excellent outil pour sonder la composition et la dynamique de la haute atmosphère de Mars entre 40 et 80 km. Cette région est inaccessible aux méthodes de mesure directe de la composition à l’aide de satellite’’.
* Une année martienne dure 687 jours terrestres.
J.-C. Gérard, L. Soret, et al., Observation of the Mars O2 visible nightglow by TGO-NOMAD, Nature Astronomy, 2023.
Lauriane SORET
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