L'anomalie du carbone-13 martien résolue par deux équipes simultanément

Deux équipes concurrentes publient à quelques jours d'intervalle des résultats de l'analyse de la composition isotopique du monoxyde de carbone de la haute atmosphère martienne. Leur conclusion respective est exactement la même : la photolyse du CO2 a produit plus de CO sur Mars que ce qu'on pensait, ce qui peut expliquer la quantité de molécules organiques observée au sol, qui ne seraient donc pas d'origine biotique. Les deux études sont publiées dans Nature Astronomy (le 11 mai) et dans The Planetary Science Journal (le 26 mai).

Cela ressemble à une course contre la montre entre deux équipes qui étudient la même chose, pour savoir qui parviendrait à publier avant l'autre une explication de la mesure anormale du rover Curiosity sur du méthane, publiée l'année dernière par Christopher House et al.. A ce petit jeu, c'est Juan Alday (Open University) et ses collaborateurs qui ont gagné face à l'équipe de Shohei Aoki (université de Tokyo). Alday et ses coauteurs ont soumis leur article à Nature Astronomy le 12 décembre 2022, article qui a finalement été accepté pour publication, après révision, le 14 avril 2023. Aoki et ses collaborateurs avaient quant à eux soumis leur article à The Planetary Science Journal 10 jours après Alday, le 22 décembre, et il a été accepté, après révision, le 4 mai (avec donc 20 jours de retard sur Alday) et finalement, Aoki et al. n'ont pu regagner que 5 jours sur la date de publication effective puisque leur article est publié finalement 15 jours après celui de Alday et al. 

Les deux équipes de planétologues ont exploité les données de la sonde ExoMars Trace Gas Orbiter mais pas avec les mêmes instruments de la sonde, pour étudier comment l'atmosphère de Mars s'est enrichie ou non en isotopes lourds suite à la fuite de l'atmosphère vers l'espace pendant des milliards d'années. L'estimation de cet enrichissement nécessite une compréhension de tous les processus atmosphériques qui contribuent à l'évolution des rapports isotopiques entre la basse et la haute atmosphère, là où se produisent les processus d'échappement.

Alday et ses collaborateurs ont mesuré des profils verticaux du monoxyde de carbone (CO), obtenus par l'instrument ACS (Atmospheric Chemistry Suite) de la sonde ExoMars Trace Gas Orbiter, et les ont combiné avec les prédictions d'un modèle photochimique. Ils trouvent des preuves de l'existence d'un processus de fractionnement du CO₂ induit par des réactions photochimiques, un processus qui épuise les isotopes lourds de C et O dans le CO sous l'action du rayonnement solaire. Ils mesurent en effet une déplétion en ¹³C par rapport au ¹²C : δ ¹³C = −160 ± 90‰, et pour l'oxygène (¹⁸O par rapport à ¹⁶O) un δ ¹⁸O = −20 ± 110‰). Pour les chercheurs, la prise en compte de ce processus de fractionnement dans la haute atmosphère a pour effet de réduire le facteur d'échappement d'environ 25%, ce qui suggère que moins de carbone s'est échappé de l'atmosphère de Mars qu'on ne le pensait auparavant. Ils en déduisent que dans la basse atmosphère, l'incorporation de cette fraction de CO appauvri en ¹³C dans la surface pourrait soutenir l'origine abiotique des matières organiques martiennes pauvres en ¹³C qui ont récemment été découvertes par le rover Curiosity en 2022 dans le cratère Gale. Ces mesures de Curiosity d'échantillons de méthane appauvris en ¹³C paraissaient anormales car les mesures isotopiques du rover sur le CO₂ atmosphérique au niveau du sol montraient à l'inverse un enrichissement en ¹³C, ouvrant de vastes questions sur l'origine de ce méthane pauvre en ¹³C...  

Et Shohei Aoki et son équipe parviennent à la même conclusion sur l'origine non biotique des matières organiques du sol martien. Eux aussi ont exploité les données de ExoMars Trace Gas Orbiter pour étudier le monoxyde de carbone de la haute atmosphère martienne. Ils ont mesuré le rapport isotopique du carbone ¹³C/¹²C dans le CO de 30 à 50 km d'altitude à partir de l'analyse des mesures d'occultation solaire prises par l'instrument NOMAD (Nadir and Occultation for Mars Discovery) de ExoMars Trace Gas Orbiter. Ils utilisent les raies spécifiques des différents isotopes ¹²C, ¹⁶O, ¹³C et ¹⁸O dans les spectres. D'ailleurs, comme les intensités des raies du ¹²C et de ¹⁶O dans cette gamme spectrale sont particulièrement sensibles à la température, les chercheurs en profitent au passage pour déterminer la température atmosphérique de Mars (entre 140 et 160 K entre 30 et 45 km d'altitude). Et Aoki et ses collaborateurs mesurent eux aussi une dépletion en ¹³C : δ ¹³C de −263 ‰ en moyenne (±132 ‰). L'incertitude importante des données est causée par la dépendance à la température, mais malgré ça, cette valeur de la déplétion en 13C est tout à fait cohérente avec la valeur trouvée par Alday et ses collaborateurs (−160 ± 90‰), et va dans le même sens. Pour l'oxygène, Aoki et al. trouvent δ ¹⁸O = −82± 60‰, là encore en accord avec la valeur trouvée par Alday et al. (δ ¹⁸O = −20 ± 110‰). Aoki et son équipe déduisent de ces résultats que le CO est appauvri en ¹³C par rapport au CO2 dans l'atmosphère martienne telle que mesuré par le rover Curiosity. Cet appauvrissement du ¹³C dans CO est cohérent avec le fractionnement qui est induit par la photolyse du CO₂ dans la haute atmosphère. Et ce processus selon eux, pourrait soutenir une origine des matières organiques dans les sédiments martiens uniquement par des réactions photochimiques sur les molécules de CO. 

Ces résultats mettent en évidence le rôle important de la photochimie dans le fractionnement de la composition isotopique du carbone et de l'oxygène de l'atmosphère de Mars. Des futures mesures des rapports isotopiques de différentes espèces pourraient fournir d'autres informations clés sur les cycles photochimiques dans l'atmosphère martienne, et également donner des estimations précises du fractionnement qui existe entre la basse et la haute atmosphère, ce qui aura aussi des implications importantes pour notre compréhension de l'évolution à long terme du climat de Mars.

Sources

Photochemical depletion of heavy CO isotopes in the Martian atmosphere

Juan Alday et al.

Nature Astronomy (11 may 2023)

https://doi.org/10.1038/s41550-023-01974-2

Depletion of 13C in CO in the Atmosphere of Mars Suggested by ExoMars-TGO/NOMAD Observations

S. Aoki et al. 

The Planetary Science Journal, Volume 4, Number 5 (26 may 2023)

https://doi.org/10.3847/PSJ/acd32f 

Illustrations

1. Mesures des rapports 13C/12c et 18O/16O en fonction de l'altitude par Alday et al.

2. Mesures des rapports 13C/12c et 18O/16O en fonction de l'altitude par Aoki et al.