PROXIMARS, la composition de Mars

Voici notre troisième atelier en ligne autour de Perseverance, le rover (ou astromobile) envoyé par la NASA en juillet 2020. Il a atterri sur Mars en février 2021 dans le cratère Jezero.

LA QUESTION

Les spectres martiens nous montreront-ils la vie ?

Une grande partie des instruments embarqués sur le rover Perseverance mesure les spectres de lumières visibles et invisibles. Nous vous proposons quelques expériences à réaliser autour de l'analyse de spectres électromagnétiques afin de mieux saisir comment vont être exploitées les capacités du rover martien par la communauté scientifique.

INTRODUCTION

Les objectifs de la mission Perseverance :
1. Déterminer si la vie a existé sur Mars. Les missions précédentes, telles que Curiosity, ont établi que Mars a pu être habitable dans le passé. Avec Perseverance, les recherches portent sur les traces de vie bactériologique passée.
2. Caractériser le climat martien tel qu'il est aujourd'hui et tel qu'il était dans le passé.
3. Étudier la géologie martienne et révéler les processus qui ont créé et modifié la croute martienne au fil du temps.
4. Préparer l'exploration habitée, en étudiant comment utiliser les ressources naturelles sur place et comment mieux protéger de futurs explorateurs humains.
Perseverance va également préparer une mission de retour d'échantillons. En effet, certaines expériences sont trop complexes ou demandent des instruments impossibles à emporter. Le rover va donc préparer des capsules contenant des échantillons du sol martien. Une mission spatiale envoyée dans quelques années ira récupérer ces capsules pour les ramener sur Terre.

Suivez les actualités de Perseverance CNES résumé en français, NASA en anglais.

Jezero : ce cratère a été choisi car il a jadis contenu un lac. Un cours d'eau se jetait dans le lac et a formé un delta. Or les deltas sont des lieux propices à la formation de la vie. De plus, un canal de sortie s'est creusé sur un côté du cratère. Enfin, cette zone fournit des paysages très variés sur une petite région, permettant ainsi d'étudier différents contextes géologiques.

Supercam : La Supercam est un instrument positionné en haut du mat du rover Perseverance. Sa mission est d'examiner le sol et les roches avec une caméra, des lasers et des spectromètres afin de trouver des composés organiques qui pourraient être liés à la présence de vie passée sur Mars. Elle peut aussi évaluer la dangerosité de la poussière martienne pour d'éventuels explorateurs humains.

Supercam peut identifier la chimie et la composition minérale d'une roche jusqu'à 7 mètres de distance, ce qui permet d'étudier des roches qui ne seraient pas accessibles au bras robotisé du rover. Examiner des roches plus éloignées du rover permet aussi aux scientifiques de déterminer où envoyer le rover ensuite.

C'est une version améliorée de la Chemcam qui est à bord du rover Curiosity (à la surface de Mars depuis 2012) : dans les nouveautés, Supercam prend des photos couleur et permet de reconnaître un plus grand nombre de minéraux.
La Chemcam et la Supercam utilisent toutes les deux la technologie LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, ou Spectroscopie d'émission atomique de plasma induit par laser). Elles envoient des impulsions laser sur une roche pour en vaporiser la surface et créer un plasma. Un télescope relié à un spectromètre mesure la lumière de ce plasma pour déduire la composition chimique de la roche. La Supercam utilise en plus la spectroscopie Raman : elle émet un laser vert en direction d'une roche et analyse la lumière réfléchie par la roche. Elle peut aussi analyser la lumière du Soleil réfléchie par les roches dans l'infrarouge.
Le laser balaie également la poussière à la surface des roches et crée des petits trous dans la roche, ce qui permet aux scientifiques d'examiner ce qui se trouve juste en dessous, et non la poussière de surface.

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Vous l'avez sûrement deviné, les expériences que nous vous proposons de réaliser ici concernent la spectroscopie.

La spectroscopie est l'analyse des corps par l'examen visuel de leur spectre lumineux¹ d'absorption ou d'émission au moyen d'un spectroscope. L'étude du spectre de la lumière renvoyée par les planètes a permis de mettre en évidence les molécules présentes dans leur atmosphère. La spectroscopie a fourni également de précieux renseignements sur les gaz émis par les comètes. Les perfectionnements de l'analyse chimique par spectroscopie de fluorescence des rayons X (...) ont fourni un moyen précieux de recherche rapide des éléments. (Hist. gén. sc., t. 3, vol. 2, 1964, p. 482)

Le spectre¹ d'une lumière monochromatique, comme celui d'un laser utilisé dans les salles de TP de lycée, ne comporte qu'une seule raie. En revanche, le spectre¹ d'une lumière polychromatique comporte plusieurs raies. Cette technique a de nombreuses applications spatiales :
- Détecter les exoplanètes
- Déterminer la composition chimique de la couronne solaire, de roches à la surface des planètes
telluriques, de nébuleuses
- Connaître la température des étoiles...

(1) spectre lumineux : Images juxtaposées formant une succession continue de couleurs et résultant de la décomposition de la lumière blanche par réfraction ou diffraction

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Première expérience :
Mettre en évidence un spectre lumineux ⁽¹⁾

Dans cet atelier, vous allez décomposer la lumière. Voici le matériel dont vous allez avoir besoin. Notez que nous avons axé ces expériences avec ce dont vous pouvez disposer en classe de Physique en lycée.

Cette photo illustre le matériel adéquat :

Voici le schéma d'un dispositif simple :

Cette expérience montre que la lumière se décompose lors de la traversée d'un prisme. Mais certaines couleurs ne sont pas perceptibles par l’œil humain. Un prisme dévie chacune des ondes monochromatiques qui composent la lumière blanche. La déviation dépend de la longueur d'onde, le prisme permet de les séparer. On peut montrer aux élèves la décomposition de la lumière blanche (par exemple avec la lumière du Soleil) par un prisme. Puis distribuer un prisme à chaque groupe d'élèves afin qu'ils essaient de recréer le phénomène.

Questions défis 1 (QD1) : quelle est la couleur qui a la longueur d'onde la plus longue ? Et la plus courte ? Comment argumenter la réponse ? Comment le prouver ? (réponses en fin d'article)

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Seconde expérience :
La lumière invisible

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Troisième expérience :
Identifier les éléments

Maintenant, voyons comment se servir des spectres lumineux afin d'identifier des éléments chimiques. Lorsqu'une lumière traverse une atmosphère, la raie spectrale que nous pouvons observer ne ressemblera pas forcément à celle que nous venons de découvrir précédemment. En effet, selon les gaz (les éléments chimiques) que la lumière traverse, la raie spectrale présente un aspect différent. En analysant ces différences, nous pouvons déterminer les éléments qui composent la lumière émise, ou bien les gaz traversés par la lumière. Il existe deux grandes catégories : Les spectres d'émission (spectres de sources émettrices de radiations de lumière, chaleur...),, et les spectres d'absorption.

Le spectre d'émission continu. Par exemple, un feu de cheminée ou notre soleil donnera une raie spectrale du même type que celui de notre expérience précédente.

Le spectre de raie d'émission : Ce spectre est obtenu en décomposant la lumière issue d'une lampe spectrale à vapeur d'atomes. Dans l'exemple ci-après, il s'agit d'une lampe à mercure. On  observe des raies colorées, très localisées, sur un fond principalement sombre.

Le spectre d'absorption : ce spectre est obtenu lorsque qu'une lumière traverse un corps gazeux. Exemple ci dessous, nous créons un nuage de gaz de mercure devant la lumière blanche.

Passons à quelques exercices pour se familiariser avec ces spectres. Cette fois ci, les outils sont en lien direct dans cet article. Merci à https://web-labosims.org/ et http://ostralo.net/ pour ces supports.

Cliquez sur l'image ci dessous. Elle ouvre une page web avec des types d'étoiles et plusieurs éléments chimiques proposés. L'objectif est de retrouver quels sont les éléments chimiques qui composent l'étoile, grâce à la lecture comparative du spectre d'absorption et du spectre d'émission.

Choisissez "étoile 1", "étoile 2" ou "étoile 3". Cela vous affiche le spectre d'absorption. Ensuite testez les différents éléments chimiques dessous (Hydrogène, sodium...) afin de faire correspondre les bandes noires du spectre d'absorption avec les bandes colorées du spectre d'émission.

Vous découvrirez ainsi la technique utilisée par les astrophysiciens pour caractériser les étoiles.

Le support suivant vous permet de découvrir l'ensemble des raies d'émission et d'absorption pour l'ensemble du tableau périodique des éléments. merci à http://ostralo.net/ pour ce support.

Cliquez sur l'image, elle ouvrira la page web correspondante.

Pour finir sur cette partie, si vous disposez de spectromètres en classe, vous pouvez observer plusieurs sources lumineuses (bougies, lampe au sodium, néon,...) et déterminer les éléments qui la  composent. Vous pouvez aussi examiner le spectre d'une source de lumière colorée qui a été faite avec une lumière blanche et un filtre de couleur. Enfin, vous pouvez utiliser des bougies avec des flammes de différentes couleurs (à chercher dans les rubriques bougies d'anniversaire). En effet, les flammes sont des plasmas, ce qui permet de faire le lien avec la SuperCam qui analyse les plasmas créés par le laser lorsqu'il frappe une roche.

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Réponses aux questions défis :

QD 1 :

• Quelle est la couleur qui a la longueur d'onde la plus longue ? Le rouge.
• Et la plus courte ? Le violet.
• Comment argumenter la réponse ? En particulier, la diffraction "envoie" la couleur violette selon un angle plus aigu que la couleur rouge.
• Comment prouver ? Grâce à un spectromètre 😉

QD2 : Une onde a réchauffé le thermomètre, mettant ainsi en évidence l'existence des infrarouges.