La formation de Mars reste une énigme : « Les modèles ne fonctionnent pas »

Il y a un peu plus de deux siècles, une météorite est tombée en Haute-Marne, sur la commune de Chassigny. Et, aujourd’hui, cette roche arrivée de Mars est au cœur d’une étude qui trouble les planétologues. Elle est parue dans Science ce 16 juin 2022. « Nous avons voulu tracer l’origine des éléments volatils, raconte à Numerama une des autrices, Sandrine Péron, et nous avons eu des surprises. »

La Française, chercheuse à l’ETH de Zurich en Suisse, a mesuré de près la quantité de krypton présente dans l’échantillon de la météorite de Chassigny. « Le résultat, c’est que la quantité de krypton nous montre que cette roche est semblable aux météorites chondrites, mais c’est contraire à ce que disent les modèles. »

Pourquoi la présence de ce gaz dans ces proportions est-elle si originale ? Parce que ça ne colle pas du tout avec la théorie sur la manière dont Mars et les autres planètes se sont formées. Le modèle veut que les planètes se forment dans la nébuleuse solaire, le nuage de gaz gigantesque présent lors des débuts du système solaire, à partir duquel sont nées l’étoile et les planètes. Peu à peu, le gaz se rassemble sous l’effet de la gravité et forme au centre, une proto-étoile, et en périphérie, des planètes.

Une atmosphère solaire et un sous-sol météoritique ?

Les proto-planètes sont alors des boules de magma en fusion et récupèrent dans la nébuleuse solaire des éléments volatils comme l’azote, le carbone ou le krypton qui se dissolvent dans le magma. Les roches souterraines sont alors considérées comme solaires.

Dans un second temps, les météorites chondrites s’écrasent à la surface et projettent les éléments volatils qu’elles transportent dans l’atmosphère. Il y a donc une différence entre l’origine des éléments volatils qui vient ici, non pas de la nébuleuse solaire, mais des météorites. C’est ainsi que la Terre aurait été formée.

Mais les mesures de l’atmosphère de Mars in situ nous montrent que ce n’est pas comme cela que les choses se sont passées pour la planète rouge. Au contraire, l’atmosphère est solaire, et pas météoritique. Donc, l’hypothèse pour expliquer cela est que le gaz contenu sous le magma s’est échappé, une fois la nébuleuse solaire disparue, et s’est retrouvé dans l’atmosphère.

 « Pour ce qui est de l’atmosphère solaire, nous en avons des preuves, résume Sandrine Péron. Mais nous avions des doutes sur le sous-sol. Tous les modèles suggèrent qu’il devrait être solaire également… Mais notre étude dit le contraire ! »

La météorite de Chassigny étudiée ici est très particulière, puisqu’elle est censée venir du centre de la planète. Elle aurait été expulsée lors d’un impact, aurait voyagé quelques millions d’années dans l’espace, avant d’atterrir sur Terre. Selon la théorie, elle devrait de ce fait être d’origine solaire, formée alors que la nébuleuse n’avait pas encore été dissipée. Mais non ! Elle ressemble bien à une roche contaminée par les chondrites. Pour arriver à cette conclusion, les auteurs se sont servis du krypton qui n’avait jusque-là pas été énormément étudié. Et pour cause, ce gaz est rare, ce qui rend sa détection et a fortiori son analyse difficile. Les autres études de ce type se focalisent davantage sur le xénon qui, lui, est beaucoup plus accessible.

« Le krypton est pratique, précise la chercheuse, car il est un bon traceur de l’origine des gaz. Nous avons réussi à avoir un protocole pour faire des mesures précises des isotopes du krypton, ce qui était très difficile jusqu’à présent. Et ici, il n’est clairement pas solaire. Le modèle classique d’acquisition des éléments volatils ne marche pas pour Mars. »

Après le krypton, la chasse au néon

La question est donc : comment du matériel des chondrites s’est-il retrouvé sous la surface de Mars ? L’hypothèse la plus probable serait que les météorites chondrites ont nourri Mars en éléments volatils, alors que la planète était encore en formation et que la nébuleuse solaire n’était pas totalement dissipée.

Cela suggère que la planète a dû se former extrêmement rapidement avec des météorites chondrites, et que lorsque le magma a refroidi et s’est solidifié, l’atmosphère s’est créée via la nébuleuse solaire. Il n’y a pas eu le dégazage des éléments météoritiques comme prévu, sinon l’atmosphère aurait été d’origine météoritique également (mais ce n’est pas le cas). Autrement dit, la croissance de Mars était déjà complètement terminée alors que la nébuleuse, elle, était toujours là.

Le problème avec ce nouveau modèle, c’est que cela n’explique pas comment l’atmosphère de Mars, si elle s’est formée aussi vite également, a pu être préservée alors que les radiations de la nébuleuse auraient dû la faire disparaître quasi intégralement. Sandrine Péron a une hypothèse : « Nous pensons que le krypton de l’atmosphère s’est retrouvé piégé sous terre, ou dans des calottes glaciaires, avant de ressortir préservé une fois la nébuleuse disparue. »

Tout cela bouscule les connaissances sur la formation de Mars, et malheureusement, la clé de l’énigme n’arrivera pas avant encore quelques années. « Une manière d’en savoir plus serait d’étudier le néon, suggère Sandrine Péron. C’est un autre gaz important pour savoir comment Mars s’est formée, mais il est indétectable sur les météorites, car les traces ont été complètement masquées par leur passage dans l’espace, soumis aux radiations cosmiques. »

L’espoir d’étudier le néon repose alors sur Perseverance et les retours d’échantillons qu’il compte mener. Avec des roches martiennes préservées et ramenées bien à l’abri jusqu’à un laboratoire sur Terre, l’histoire complète de Mars pourrait être retracée.