Lueur dans le domaine visible détectée pour la première fois dans la nuit martienne

Une équipe scientifique dirigée par des chercheurs du Laboratoire de Physique Planétaire et Atmosphérique (LPAP) de l’Université de Liège (BE) vient d’observer, pour la première fois, des lumières dans le ciel nocturne de Mars grâce à l’instrument UVIS-NOMAD embarqué à bord du Satellite Trace Gas Orbiter (TGO) de l’Agence spatiale européenne (ESA). Cet instrument fait partie de la suite de spectromètres NOMAD développée à l’Institut Royal d’Aéronomie Spatiale d’Uccle, et testée et calibrée au Centre Spatial de Liège. Il a été inséré sur une orbite circulaire martienne à une altitude de 400 km en 2008.

Initialement conçu pour cartographier la couche d’ozone entourant la planète dans l’ultraviolet, UVIS-NOMAD couvre une gamme spectrale s’étendant du proche ultraviolet au rouge. Pour cela, l’instrument est généralement orienté vers le centre de la planète et observe la lumière solaire réfléchie par la surface planétaire et l’atmosphère. Sur la base d’une proposition de notre laboratoire, l’instrument a été orienté vers le limbe de la planète afin d’observer son atmosphère depuis le bord”, explique Jean-Claude Gérard, planétologue à l’ULiège. En 2020, nous avions déjà pu détecter le présence d’une émission verte entre 40 et 150 km d’altitude, présente lors du jour martien, due à la dissociation du CO₂ molécule, principal constituant de l’atmosphère, par le rayonnement solaire ultraviolet.

Un long voyage pour les atomes d’oxygène

Le satellite TGO, en observant l’atmosphère la nuit, vient 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 estivale et transportés par les vents vers les hautes latitudes hivernales”, explique Lauriane Soret, chercheuse au LPAP. Là, les atomes se recombinent au contact du CO.₂ réformer un O₂ molécule dans un état excité qui se détend et émet de la lumière dans le domaine visible. ” Cette émission de lumière est concentrée dans les régions polaires au nord et au sud, où les atomes d’oxygène convergent dans la branche descendante de la gigantesque trajectoire de l’hémisphère opposé. L’intensité de l’émission est élevée, dans le visible. Ce processus semble s’inverser tous les six mois d’année martienne*, et la luminosité change alors d’hémisphère. Une émission similaire a été analysée sur Vénus par la même équipe à partir des images du satellite Venus Express. Sur Vénus, les atomes voyagent du côté ensoleillé vers le côté obscur où ils émettent la même lueur que sur Mars.

Les chercheurs de l’ULiège à l’avant-garde

Les chercheurs du LPAP ont joué un rôle clé dans ces observations. Après avoir mis en évidence la présence d’une couche de lumière verte entourant la planète côté jour, ils ont identifié l’émission nocturne. L’étude se poursuivra au cours de la mission TGO et nous fournira de précieuses informations sur la dynamique de la haute atmosphère martienne et ses variations au cours de l’année martienne”, poursuit Lauriane Soret. Nous avons remarqué qu’une autre émission ultraviolette due à la La molécule d’oxyde nitrique (NO) est également observée par UVIS dans les mêmes régions. La comparaison des deux émissions permettra d’affiner le diagnostic et d’identifier les processus impliqués.

La molécule NO émet également de la lumière lorsque les atomes d’oxygène et d’azote se recombinent. Comme pour le rayonnement de l’O₂ molécule, les atomes se forment sous la lumière du soleil, transportés par les vents vers l’autre hémisphère et se recombinent lors du mouvement descendant dans les régions polaires.

Ces nouvelles observations sont inattendues et intéressantes pour de futurs voyages vers la planète rouge”, s’enthousiasme Jean-Claude Gérard. L’intensité de la lueur nocturne dans les régions polaires est telle que des instruments simples et relativement peu coûteux en orbite martienne pourraient cartographier et surveiller les flux atmosphériques. Une future mission de l’ESA pourrait embarquer une caméra pour une imagerie globale. De plus, l’émission serait suffisamment intense pour être observable pendant la nuit polaire par les futurs astronautes en orbite ou depuis le sol martien.

Benoit Hubert, chercheur au LPAP, conclut : “La télédétection de ces émissions est 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 directes de mesure de la composition par satellite.” .

(* Une année martienne dure 687 jours terrestres.)