ETUDE DE L'HABITABILITÉ DE LA SURFACE DE MARS AVEC LES EXPÉRIENCES SPATIALES SAM (MISSION MSL) ET MOMA (MISSION EXOMARS ROVER).

STUDY OF MARS SURFACE HABITABILITY WITH THE SAM (MSL MISSION) AND MOMA (EXOMARS ROVER MISSION) SPACE EXPERIMENTS.

• Auteur / Autrice : Théo Govekar
• Direction : Cyril Szopa, Caroline Freissinet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : IMPEC
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines

Mots clés

Mots clés libres

Exobiologie

Mars

Analyse in situ

Exploration spatiale

Mission Curiosity

Mission ExoMars

Astrobiology

Mars

In situ analysis

Space exploration

Curiosity mission

ExoMars mission

Résumé

L'étude de la composition de la surface de Mars est l'un des principaux objectifs des missions d'étude in situ de cet environnement. Parmi les propriétés recherchées, le contenu en matériaux organiques est particulièrement important. En effet, une forme de chimie prébiotique, voire une activité biologique, a pu se développer sur Mars à une époque primitive à laquelle la vie est apparue sur la Terre. Mars représente donc une formidable opportunité de rechercher des traces d'activité prébiotique qui ont disparu sur Terre, dans les terrains anciens de l'hémisphère sud qui datent de plus de 4 Gans. La présence de molécules organiques est également attendue par leur apport constant par des sources exogène. La recherche de molécules provenant de tels objets aiderait à comprendre comment la matière organique se conserve ou évolue à la surface de la planète. Enfin, l'analyse d'échantillons de surface peut également apporter des informations sur la minéralogie des roches martiennes de surface. L'expérience Sample Analysis at Mars (SAM), embarquée à bord de la sonde Curiosity de la NASA qui explore la surface de Mars depuis 2012, est l'expérience de la sonde ayant pour vocation de mener à bien de telles analyses. Dans ce but, elle est composée de trois instruments analytiques, dont un chromatographe en phase gazeuse développé par le LATMOS en collaboration avec le LISA et le LGPM. Cet instrument est couplé à un spectromètre de masse développé par le centre Goddard de la NASA. Ces 2 instruments couplés permettent d'analyser les gaz de l'atmosphère, et la matière volatile issue de la préparation (pyrolyse, traitement chimique) des échantillons solides collectés par le rover. Au cours des 11 années passées d'opération de Curiosity sur Mars, l'équipe de SAM a mis en évidence pour la première fois de la matière organique dans le sol de Mars, et plus particulièrement dans une variété d'argiles. Mais la réactivité qui existe entre les matériaux organiques et les minéraux présents dans le sol rend l'identification des molécules parentes complexe. Ces 11 années d'opération ont permis de collecter une moisson d'analyses dont une grande partie reste encore à exploiter. Curiosity doit fonctionner encore au moins 2 années supplémentaires (jusqu'en 2025) et poursuivre son ascension du mont Sharp. SAM analysera des échantillons prélevés dans une couche géologique enrichie en sulfates dont le rover a débuté l'exploration. L'étude des échantillons de cette strate constituera donc une recherche originale comparativement à ce qui a été fait auparavant. Le doctorant participera donc au traitement et à l'interprétation des données passées et futures de SAM. Il mènera un travail de laboratoire important pour générer des données d'étalonnage des instruments, nécessaires au traitement des données et à l'optimisation des résultats fournis. En particulier, le doctorant étudiera l'influence des modes de préparation de l'échantillon (pyrolyse et dérivatisations) pour remonter à la nature des molécules parentes des espèces détectées par les instruments. Ce travail permettra également de caractériser des phases inorganiques présentes dans l'échantillon. En 2028, l'expérience Mars Organic Molecules Analyzer (MOMA) devrait être lancée vers Mars avec l'ensemble de la charge scientifique du rover Exomars de la mission de l'ESA du même nom. Cette expérience contiendra un chromatographe développé par le LATMOS et le LISA, ainsi qu'un spectromètre de masse et un laser à désorption/ionisation. Les analyses de MOMA seront similaires à celle de SAM, les échantillons analysés auront été collectés en profondeur (2 m) où la matière organique peut être protégée des conditions de surface. Le doctorant participera au travail de préparation et d'optimisation des méthodes analytiques à utiliser par MOMA pour les analyses in situ, et préparera le retour scientifique de l'instrument au travers d'analyses de laboratoire de matériaux pertinents pour l'étude d'Oxia Planum.

The study of the composition of the surface of Mars is today one of the main objectives of the space missions for in situ study of this environment. Among the properties sought, the content of organic materials is particularly important because a form of prebiotic chemistry, or even a biological activity, could have arisen at a primitive period when life appeared on Earth. Mars represents a tremendous opportunity to look for traces of a prebiotic activity in the ancient terrains of the southern hemisphere that is more than 4 Gyrs old. The presence of organic molecules is also expected due to a constant delivery from exogenous sources. Also, finding molecules from such objects would help to understand how organic matter is conserved or evoluates on the surface of Mars. Finally, analysis of surface samples may also provide information on the mineralogy of surface Martian rocks. The Sample Analysis at Mars (SAM), onboard the Curiosity probe that explores the surface of Mars since 2012, is the experiment aiming to carry out such analyzes. It is composed of three analytical instruments, including a gas chromatograph developed by LATMOS in collaboration with LISA and LGPM. This instrument is coupled to a mass spectrometer developed by NASA's Goddard Center. Coupling these two instruments make it possible to analyze the atmospheric gases and the volatile matter resulting from the preparation (pyrolysis, chemical treatment) of the solid samples collected by the rover. Over the past 11 years of operation of the Curisoity rover, the SAM team has shown for the first time organic matter in the soil of Mars, and particularly in various clays sampled in different location in crater Gale. These 11 years allowed to collect a wealth of data among which numerous ones remain to be treated. Curiosity should work at least for 2 additional years (until 2025) and continue its ascent of Mount Sharp. SAM will analyze samples collected in a geological layer enriched in sulfates. Rocks and minerals of this strata have been made under different climatic conditions than the lower strata, probably under dryer conditions. Therefore, the study of the samples collected in this strata will constitute an original research compared to what we have done previously. We will therefore look for organic molecules associated with different minerals formed in this sulfate enriched strata and we will compare the obtained results with those obtained from the analysis of the lower clays strata. The PhD student will participate to the treatment and interpretation of the data collected with SAM. An important work in the laboratory will also be conducted to generate instrument calibration data needed to process the data and optimize the results provided. In particular, the PhD student will study the influence of the mode of preparation of the sample (pyrolysis at 900 ° C and derivatizations) to retrieve the nature of the parent molecules of the organic molecules detected by the instrument. This work will also be of interest to characterize the inorganic phases present in the samples. Finally, in 2028, the Mars Organic Molecules Analyzer (MOMA) experiment will be part of the scientific payload of the Exomars rover of the ESA mission of the same name. This experiment will include a chromatograph developed by LATMOS and LISA, as well as a mass spectrometer and a desorption/ionisation laser. If the type of analysis carried out by MOMA will be similar to that of SAM, the samples analyzed will have been collected in depth (2 m) where organic matter can be protected from surface conditions. The instrument will proceed to the analysis of samples that will be collected at the surface. As part of this research, the PhD student will be involved in the preparation and optimization of the analytical methods to be used by MOMA for the in situ analyses, and also to prepare the scientific of the instrument through laboratory analyses of materials relevant to the exploration of Oxia Planum.