L’exploration de la planète Mars a tenu, et tient encore, une place importante dans les programmes d'exploration spatiale des États-Unis, de la Russie (et avant elle, de l'URSS), de l'Union européenne et du Japon. Depuis le début des années 1960, près de quarante sondes, orbiteurs et atterrisseurs, ont été envoyées vers Mars, faisant d'elle la planète la mieux connue après la Terre. L'objectif de ces missions est de recueillir les données permettant de comprendre son histoire et de répondre à la question de la vie sur Mars. En outre, grâce à la planétologie comparée, ces informations apportent souvent des réponses capitales sur le passé, le présent et le futur de notre planète.
L'exploration d'une planète se fait en plusieurs étapes de difficulté croissante. Dans un premier temps, on cherche à survoler la planète pour prendre des clichés détaillés de sa surface. Ensuite, l'objectif est de placer une sonde en orbite afin d'étudier plus précisément sa surface et son atmosphère. La troisième étape consiste à poser un module d'atterrissage pour effectuer des études in situ. Les deux dernières étapes sont des missions de retour d'échantillon et d'exploration humaine. Dans le cas de Mars, le survol et la mise en orbite furent réalisées pour la première fois par les sondes Mariner 4 et Mariner 9 dans la deuxième moitié des années 1960. Mars 3 sera le premier atterrisseur à se poser à la surface de la « planète rouge » au début des années 1970. Aucune mission de retour d'échantillon n'a encore été réalisée.
Explorer Mars est coûteux et difficile. Jusqu'à présent, plus de la moitié des sondes lancées en sa direction ont échoué d'une manière ou d'une autre, avant d'achever et parfois même de commencer leur mission. Cet important taux d'échec est imputable à des erreurs humaines, mais aussi, à la grande difficulté technique à placer une sonde sur une orbite martienne et plus encore, à la faire atterrir.
Mars en question
Représentation de Mars et de ses canaux publiée dans Encyclopædia Britannica de 1911.
Mars est une planète qui fascine les hommes depuis longtemps. Les premières observations télescopiques révélèrent des changements de couleur à sa surface, faisant penser à de la végétation qui évoluait selon les saisons. De même, Giovanni Schiaparelli crut voir en 1877 des canaux suggérant l'existence d'une vie intelligente. Ces interprétations ont rapidement suscité un vif intérêt du public pour la « planète rouge ». Plus tard, les observations des deux lunes, Phobos et Déimos, des calottes polaires, d'Olympus Mons (la plus haute montagne connue du système solaire) et de Valles Marineris (le plus grand canyon jamais observé) ont maintenu l'intérêt pour l'étude et l'exploration de celle-ci.
Mars est une planète tellurique qui s'est formée en même temps que la Terre. Elle ne fait cependant que la moitié de sa taille, ne possède qu'une très fine atmosphère, et sa surface est froide et désertique.
Parmi les questions que se posent les scientifiques à propos de Mars, on peut citer :
En quoi sa structure diffère-t-elle de celle de la Terre ?
Pourquoi ces deux planètes ont-elles subi des évolutions si différentes ?
Est-elle toujours géologiquement active ?
A-t-elle eu une atmosphère primitive suffisamment dense pour que de l'eauliquide ait pu couler à sa surface ?
Quelle a été son évolution climatique et quelles en ont été les raisons ?
Est-ce que des réactions chimiques ont formé des molécules prébiotiques et ont-elles abouti à des structures réplicatives (vivantes) ?
S'il y a eu de la vie, s'est-elle répandue partout et peut-elle encore exister ?
De quelles ressources naturelles pourraient disposer de futurs explorateurs humains ?
Pour comprendre l'histoire de l'exploration martienne il faut savoir que les fenêtres de lancement ont lieu tous les 780 jours. Mars est alors en opposition avec la Terre, rendant le voyage plus rapide et moins coûteux en énergie.
Les premières sondes et orbiteurs
Ce sont les soviétiques qui se lanceront les premiers dans l'exploration de Mars. Les américains ne les rejoindront que quatre ans plus tard avec le programme Mariner.
Premières missions soviétiques
Dès 1960, l'URSS lance le premier programme d'exploration interplanétaire avec l'envoi de deux sondes en direction de Mars. L'objectif, outre celui de photographier la surface de la planète, est d'étudier le milieu interplanétaire et les effets d'un long voyage sur les instruments de bord. Une première tentative est faite le 10 octobre 1960 avec le lancement, dans le plus grand secret, de Marsnik 1 (Mars 1960A). Malheureusement, le troisième étage ne développe pas assez de poussée et la sonde atteint seulement l'altitude de 120 kilomètres avant de retomber sur Terre. Marsnik 2 (Mars 1960B) est lancée quatre jours plus tard et subit le même sort.
En 1962, trois nouvelles sondes sont lancées. Le 24 octobre 1962, Sputnik 22 (Mars 1962A) explose au cours d'une manœuvre d'insertion sur son orbite terrestre. Huit jours plus tard, Mars 1, qui doit survoler Mars afin de prendre des images de sa surface et transmettre des données sur sa structure atmosphérique ainsi que sur le rayonnement cosmique, réussit à s'extraire de l'attraction terrestre. Mais alors qu'elle est a mi-distance de son objectif, la sonde interrompt subitement ses communications. Le 4 novembre 1962, une troisième sonde est envoyée vers la « planète rouge ». Il s'agit de Sputnik 24 (Mars 1962B) qui n'est rien d'autre que le premier atterrisseur jamais conçu. Mais la manœuvre pour le placer sur son orbite de transfert échoue et l'atterrisseur retombe sur Terre deux mois plus tard.
En 1964, l'URSS fait une nouvelle tentative avec le lancement de Zond 2, le 30 novembre 1964. Mais ce nouvel essai aboutit encore sur un échec : la communication est perdue alors que la sonde fait route vers Mars.
Premières missions américaines
Première image de Mars prise par Mariner 4.
Ce n'est qu'en 1964 que la NASA fait son entrée dans la course vers Mars avec les sondes Mariner 3 et Mariner 4. Lors du lancement de Mariner 3 survenu le 5 novembre 1964, la coiffe de protection ne s'éjecte pas correctement, empêchant la sonde d'atteindre une trajectoire martienne et provoquant rapidement la rupture des communications. Durant trois semaines, les ingénieurs de la NASA s'emploient à corriger le problème. Le 28 novembre 1964, le lancement de Mariner 4 est un succès et permet à la sonde d'entamer son voyage de 8 mois vers Mars. Mariner 4 passe au plus près de celle-ci le 14 juillet 1965 et fournit les premières images détaillées de la « planète rouge ». Outre la transmission de photos révélant la présence de cratères d'impact de type lunaire, la sonde mesure la pression atmosphérique (de 4,1 à 7,0 millibars), la température de surface (-100 °C) et ne détecte aucun champ magnétique.
En 1969, la NASA poursuit son programme d'exploration avec le lancement de deux nouvelles sondes, Mariner 6 et Mariner 7, respectivement le 24 février 1969 et le 27 mars 1969. Ces deux sondes atteignent leur objectif durant l'été, mais ce succès est occulté par les premiers pas de l'homme sur la lune.
Durant la fenêtre de lancement suivante, la NASA subit la perte d'une de ses deux sondes, Mariner 8, à cause d'une défaillance de son lanceur, une fusée Atlas Centaure. Cependant, le lancement de Mariner 9 survenu le 30 mai 1971 se solde par un immense succès avec la première satellisation d'une sonde autour d'une autre planète que la Terre. L'orbiteur réalise une cartographie complète de la surface de Mars, transmet les premières images détaillées des volcans, de Valles Marineris, des calottes polaires et des satellites Phobos et Déimos et révèle également l'existence de tempêtes globales.
Les premiers atterrisseurs
Après le succès du programme Mariner, l'URSS et les États-Unis se concentreront sur des missions plus ambitieuses, faire atterrir une sonde sur Mars. Cet objectif sera d'abord atteint par les russes avec le programme Mars puis par les américains, mais de façon plus convaincante, avec le programme Viking.
Programme soviétique Mars
Timbre soviétique de 1972 montrant la sonde Mars 2.
En 1971, peu après l'échec de Cosmos 419 et dix ans après la première sonde Mars 1, les scientifiques soviétiques lancent avec succès Mars 2 et Mars 3 le 19 mai 1971 et le 28 mai 1971. Chacune de ces deux sondes emporte avec elle un atterrisseur. L'atterrisseur de Mars 2 pénètre dans l'atmosphère martienne 27 novembre 1971, mais sous un angle d'incidence trop fort, causant sa perte. Mars 2 reste néanmoins le premier objet humain à avoir touché la surface de Mars. Cinq jours plus tard, c'est au tour de Mars 3 de larguer son atterrisseur. Cette fois-ci, c'est un succès. Le 2 décembre 1971, l'atterrisseur se pose en douceur. Malheureusement, il ne fonctionne que 20 secondes, le temps de transmettre une image floue et très sombre. Cette défaillance est attribuée à une tempête, expliquant ainsi la faible qualité de l'image reçue.
En 1973, les Soviétiques n'envoient pas moins de quatre sondes en direction de Mars. Mars 4 et Mars 5 sont destinées à se satelliser alors que Mars 6 et Mars 7 emportent chacune un atterrisseur. De ces quatre sondes, seul Mars 5 connait un succès et peut transmettre 60 images avant de subir une avarie. L'atterrisseur de Mars 6 transmet des données pendant la descente mais cesse d'émettre peu de temps avant son atterrissage présumé. Mars 4 et Mars 7 ratent toutes les deux la « planète rouge ».
Programme américain Viking
En 1975, deux sondes américaines sont envoyées vers Mars, Viking 1 le 20 août 1975 et Viking 2 le 9 septembre 1975, composées chacune d'un satellite d'observation et d'un module d'atterrissage. Les orbiteurs doivent réaliser une cartographie précise de la surface de Mars tandis que les atterrisseurs sont conçus pour détecter une éventuelle forme de vie élémentaire. Au bout d'un voyage de dix mois, les deux sondes parviennent à se placer sur leur orbite. Le 20 juillet 1976, viking 1 Lander est détaché de son module orbital. Après une descente de quelques heures, il touche le sol martien à l'ouest de Chryse Planitia et transmet ses premières images. Viking 2 Lander atterrit quant à lui le 3 septembre 1976 à 200 kilomètres à l'ouest du cratère d'impact Mie situé dans Utopia Planitia.
Même si aucune forme de vie n'a été détectée, le programme Viking reste une réussite spectaculaire. Viking 1 a transmis des informations pendant plus de six ans et Viking 2, pendant près de quatre ans, démontrant une nouvelle fois, après le succès du programme Mariner et celui d'Apollo, l'immense savoir-faire américain en matière d'exploration spatiale. Durant tout ce temps, la quantité de données transmise a été colossale. Les atterrisseurs ont analysé la composition de l’atmosphère et du sol et collecté des données météorologiques sur plus de trois années martiennes (six années terrestre). Les orbiteurs ont photographié la quasi totalité de la planète avec une résolution inférieure à 300 mètres par pixel et noté les importantes variations de pression atmosphérique liées au cycle du dioxyde de carbone. En outre, l'observation détaillée de Mars a permis de mettre en évidence la présence passée d'eau liquide à sa surface, relançant ainsi la question de la vie sur la « planète rouge ».
Mars 3
Viking 1
Viking 2
Mars Pathfinder
Spirit
Opportunity
Phoenix
Position des sondes ayant réussi leur atterrissage sur la planète Mars.
Le programme soviétique Phobos
Vue d'artiste de la sonde Phobos 2.
Suite aux résultats très décevants de son programme Mars, les soviétiques abandonnent l’exploration de la planète pendant près de 15 ans. Ce n’est qu’en 1988 qu’ils reviennent sur le devant de la scène avec le programme Phobos dont le principal objet d’étude est le satellite Phobos.
Deux sondes sont envoyées vers Mars : Phobos 1 le 7 juillet 1988 et Phobos 2 le 12 juillet 1988. Les deux lancements se déroulent correctement jusqu’au 2 septembre 1988 ou Phobos 1 interrompt brutalement ses communications suite à une erreur humaine. Phobos 2 reste donc la seule sonde à pouvoir accomplir sa mission. Mais le 27 mars 1989, alors que la sonde n’est plus qu’à 50 mètres de Phobos et qu’elle s’apprête à lancer ses deux atterrisseurs, les communications sont une nouvelle fois perdues. On estime aujourd'hui que ce dysfonctionnement a été provoqué par des particules émises lors d'une éruption solaire.
Les succès et les échecs des années 1990
Les années 1990 seront une période noire pour l'exploration de la planète Mars avec pas moins de cinq échecs sur sept tentatives. Malgré le succès flamboyant du programme Viking, Mars reste une destination difficile à atteindre.
Les missions américaines
Photo du premier robot mobile, Sojourner, à la surface de Mars.
Dix sept ans après le programme Viking, soit le temps nécessaire pour dépouiller les données envoyées par les deux sondes jumelles, la NASA décide de retourner vers Mars en lançant Mars Observer le 25 septembre 1992. Mais le 21 août 1993, soit trois jours avant la date prévue pour l’insertion sur son orbite martienne, le contact est perdu. Mars Observer était et reste encore la sonde la plus coûteuse envoyée par la NASA (813 millions de dollars). Sa charge scientifique était exceptionnelle. Sa perte a profondément modifié l’approche de l’agence en matière d’exploration spatiale. Désormais, il faudra être « better, faster, cheaper », c'est-à-dire, envoyer davantage de sondes à budget serré de manière à ne pas tout perdre en cas d’échec.
En 1996, La NASA lance donc deux sondes vers Mars : l’orbiteur Mars Global Surveyor le 7 novembre 1996, puis l’atterrisseur Mars Pathfinder le 4 décembre 1996.
Mars Pathfinder est le premier à rejoindre la « planète rouge », marquant ainsi le retour au succès plus de vingt ans après Viking. Il se pose sur Mars le 4 juillet 1997 dans la région d’Ares Vallis et libère le premier robot mobile, Sojourner, qui explore les environs jusqu'à l'arrêt des transmissions le 27 septembre 1997.
Mars Global Surveyor réussit quant à lui à se placer en orbite martienne le 11 septembre 1997. Pendant neuf ans, l’orbiteur étudie l'ensemble de la surface de Mars, son atmosphère et sa structure interne et nous renvoie plus de données sur la planète que toutes les autres missions réunies. Parmi les découvertes importantes, Mars Global Surveyor a révélé la présence de dépôts sédimentaires et d’hématites dans la région de Meridiani Planum, apportant ainsi deux preuves supplémentaires de la présence d’eau liquide dans un passé lointain. L’orbiteur a également découvert un champ magnétique fossile dont la structure pourrait traduire une ancienne tectonique des plaques. Enfin, il a permis de mieux comprendre le cycle de l’eau et a produit une carte topographique globale.
Forte de ses nouveaux succès, la NASA entame fin 1998 une nouvelle mission, Mars Surveyor 98, dont l’objet d’étude est l’eau sur Mars. Elle est composée de deux sondes : Mars Climate Orbiter, lancée le 11 décembre 1998, et Mars Polar Lander, lancée le 3 janvier 1999. Malheureusement, cette mission est un désastre avec la destruction de l’orbiteur le 23 septembre 1999 suite à une erreur de navigation et la perte de l’atterrisseur le 3 décembre 1999 peu après son entrée atmosphérique.
La sonde russe Mars 96
Toujours en quête d'un succès franc et massif, les russes mettent au point une mission qui doit faire date dans l'exploration de la planète Mars. En collaboration avec l’Union européenne et les États-Unis, la Russie conçoit une énorme sonde de 6 180 kilogrammes composée d’un satellite d’observation, de deux modules d’atterrissage et de deux pénétrateurs. Il s’agit de la sonde la mieux équipée jamais lancée par l’homme et doit étudier Mars sous tous ses aspects.
Mars 96 est lancée le 16 novembre 1996. Mais une probable défaillance de son lanceur, une fusée Proton, cause sa perte. La mission est un nouvel échec pour la Russie.
La sonde japonaise Nozomi
1998 marque l’entrée du Japon dans l’exploration de la planète Mars et plus généralement, dans l’exploration interplanétaire. L’objectif est de placer une sonde en orbite autour de la « planète rouge » afin d’étudier les interactions de son atmosphère avec le vent solaire.
Nozomi est lancée le 3 juillet 1998. Rapidement victime d'une série d'incidents, dont une panne de son propulseur, elle doit repousser son rendez-vous avec Mars de 1999 à 2004. En 2002, alors qu'elle s'est placée en orbite héliocentrique et profite de l'assistance gravitationnelle de la Terre, la sonde est victime d'une forte éruption solaire qui met à mal ses circuits électriques, faisant craindre le pire. En effet, n'ayant pas été conçue pour atterrir sur Mars, Nozomi n'a pas subi la décontamination recommandée par le COSPAR. Si elle venait à s'écraser sur la planète, les effets pourraient donc être catastrophiques. Face à l'inquiétude de la communauté scientifique, elle rate volontairement son objectif et passe à 1 000 kilomètres de la « planète rouge » le 14 décembre 2003.
Les missions récentes
Au cours des années 2000, pas moins de cinq sondes, dont une européenne, seront lancées en direction de Mars. Toutes auront pour objectif principal l'étude de l'eau au cours de l'histoire géologique de la « planète rouge ».
Les sondes américaines
Montage représentant le robot opportunity dans le cratère Endurance.
En 2001, la NASA renoue avec le succès grâce à l'orbiteur 2001 Mars Odyssey. Lancé le 7 avril 2001, il atteint Mars le 24 octobre 2001. Rapidement, son spectromètre gamma découvre de grandes quantités d'eau gelée à quelques mètres sous la surface et dresse la première carte des éléments chimiques composant le sol martien. Aujourd'hui, la sonde est toujours en activité en servant de relais pour les communications avec les engins au sol.
Lors de la fenêtre de tir suivante, l'agence spatiale américaine lance la mission Mars Exploration Rover qui est composée de deux rovers parfaitement identiques. Spirit (MER-A) est lancé le 10 juin 2003 et se pose à la surface de Mars le 3 janvier 2004 dans le cratère Gusev qui pourrait être le lit d'un ancien lac. Le second Rover, Opportunity (MER-B) est lancé le 8 juillet 2003 et atterrit le 24 janvier 2004 dans Meridiani Planum où des hématites, pouvant avoir été créée en présence d'eau liquide, ont été découvertes par Mars Global Surveyor. Les missions des deux robots sont les mêmes : étudier les roches à la recherche de preuves concernant la présence prolongée d'eau liquide à la surface de Mars dans le passé. Les premiers éléments probants sont rapportés par Opportunity. Le rover confirme non seulement la présence d'hématites en grande quantité, mais découvre également des roches stratifiées et craquelées. Les premières peuvent avoir une origine sédimentaire alors que les secondes peuvent s'être formées suite à l'évaporation de l'eau qui recouvrait le sol.
Le 12 août 2005, la NASA poursuit son programme d'exploration avec le lancement de Mars Reconnaissance Orbiter. La sonde se satellise autour de Mars le 10 mars 2006 et transmet des images spectaculaires de sa surface en très haute définition.
Enfin, le 4 août 2007 est lancé l'atterrisseur Phoenix qui se pose à la surface de la « planète rouge » le 25 mai 2008 à proximité de la calotte polaire Nord, dans la région de Vastitas Borealis où d'importants stocks de glace ont été détectés juste au-dessous de la surface. L'objectif de la mission est l'étude de l'eau liquide à la surface de Mars dans un passé récent ainsi que l'observation du climat de la planète.
La sonde européenne Mars Express
vue d'artiste de l'orbiteur Mars Express.
Suite à l'échec de la sonde russe Mars 96, l'ESA décide de reprendre une partie des objectifs de la mission en programmant Mars Express. Ces objectifs sont la recherche de traces d'eau et de vie (passée ou présente), la cartographie et l'étude de la composition de la surface et de l'atmosphère de la planète Mars, .
Le 2 juin 2003, la sonde européenne est lancée du cosmodrome de Baïkonour. La mission prévoit la mise en orbite de Mars Express et le largage d'un atterrisseur, Beagle 2, qui possède un perforateur, un petit spectromètre de masse et d'autres appareillages placés sur un bras robotisé. La sonde se satellise autour de Mars le 25 décembre 2003. Le 6 février 2004, le module d'atterrissage est largué mais rompt ses communications avant d'avoir atteint la surface. L'orbiteur poursuit donc seul la mission en fournissant des images tridimensionnelles du relief martien. Il découvre de grandes quantités de glace d'eau à proximité du pôle sud et met en évidence la présence d'argile, un minéral essentiel dans la problématique de l'eau sur Mars. Enfin, la sonde confirme la présence de méthane dans l'atmosphère, relançant ainsi l'espoir de découvrir un jour une forme de vie sur la « planète rouge ».
Les missions programmées
Vue d'artiste de Mars Science Laboratory.
Deux missions sont actuellement programmées dans un futur proche :
Le lancement par la Russie en 2011 de Phobos-Grunt, une mission programmée pour ramener des échantillons du sol de Phobos afin de préparer une mission équivalente vers Mars.
Le robot mobile ExoMars devrait être lancé en 2016 avec comme objectifs principaux la recherche de signes de vie passée ou présente, l'étude de la distribution de l'eau dans le sous-sol martien, le référencement des dangers liés à l'environnement martien pour de futures missions habitées et l'étude de la structure interne de Mars.
La mission Mars Sample Return ne devrait pas être lancée avant 2020 avec comme objectif le retour d'échantillons du sol martien.
Les missions habitées
À travers ces missions automatiques, se préparent d'éventuelles missions habitées vers Mars. Mais un tel voyage, du fait de sa durée, pose encore de nombreux problèmes qu'ils soient logistiques ou sanitaires. En effet, le vaisseau spatial devra être totalement autonome pendant près de deux ans. Sa structure devra protéger les astronautes du rayonnement cosmique et des éruptions solaires. En outre, il devra comporter des systèmes capables de simuler une gravité suffisante pour éviter un vieillissement prématuré des organismes. Enfin, les astronautes devront s'adapter à une vie en communauté dans un environnement confiné sur une durée suffisamment longue pour avoir des effets psychologiques dévastateurs.
La NASA prévoit la reprise de missions lunaires habitées à l'horizon 2020 afin de préparer de futures missions humaines vers Mars. L'ESA prévoit également la possibilité de missions habitées vers Mars sans fixer de date précise.
