SHERLOC et la recherche de la vie sur Mars

L’humanité se demande si la vie existe au-delà de notre petite planète reculée depuis si longtemps que nous avons développé une sorte de préjugé culturel quant à la manière dont la réponse à cette question centrale sera révélée. La plupart d’entre nous imaginent probablement que la NASA ou une autre agence spatiale programmera une conférence de presse, qu’un panel de sommités scientifiques annoncera les résultats et que les journaux du monde entier hurleront « NOUS NE SOMMES PAS SEULS ! » titres. Nous avons tous déjà vu ce film, alors c’est comme ça que ça doit être, non?

Probablement pas. À moins d’un événement improbable comme l’atterrissage d’un vaisseau spatial extraterrestre alors qu’une voiture Google Street View passait ou recevait un message radio sans ambiguïté intelligent des étoiles, la conclusion que la vie existe maintenant ou existait autrefois en dehors de notre puits de gravité particulier est susceptible d’être atteinte dans un processus par morceaux, une accumulation de preuves accumulées sur une longue période jusqu’à ce que, tout compte fait, la seule conclusion raisonnable est que nous ne sommes pas seuls. Et c’est exactement ce qu’était l’annonce à la fin de l’année dernière que le rover Mars Persévérance avait découvert des preuves de molécules organiques dans les roches du cratère de Jezero – une autre pièce du puzzle et une autre étape vers la réponse à la question fondamentale de l’unicité de la vie. .

La découverte de molécules organiques sur Mars est loin de prouver que la vie y a existé. Mais c’est une étape sur le chemin, ainsi qu’une excellente excuse pour se pencher sur les principes scientifiques et l’ingénierie des instruments qui ont rendu cette découverte possible – les étrangement nommés SHERLOC et WATSON.

Souhaitez-vous quelques CHNOPS avec ça ?

Définir ce qui constitue exactement la vie biologique est difficile, et il existe de nombreux arguments philosophiques qui brouillent les cartes même lorsque vous réduisez la vie à des caractéristiques telles que la transformation de l’énergie ou la capacité de reproduction. Mais en fin de compte, de telles caractéristiques à grande échelle n’aident pas beaucoup lorsque vous recherchez une vie microscopique sur d’autres planètes – en particulier lorsque vous pensez que vous recherchez simplement les restes d’une vie microbienne ancienne, comme c’est probablement le cas sur Mars. .

Pour explorer la possibilité que Mars ait autrefois abrité la vie, la charge utile scientifique du rover Persévérance de la mission Mars 2020 comprend une gamme d’instruments conçus pour rechercher les plus petits vestiges de la vie passée. Le principal de ces instruments est SHERLOC, pour « Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals » – un acronyme un peu forcé mais descriptif impressionnant.

Au cœur de SHERLOC, qui se trouve au bout du bras robotique de deux mètres du rover, se trouve un spectromètre Raman laser ultraviolet, conçu pour identifier les signatures spécifiques des éléments dits CHNOPS – carbone, hydrogène, azote, oxygène, phosphore , et du soufre. Environ 98 % de la biomasse sur Terre est composée de ces six éléments ; les trouver sur Mars sera une assez bonne preuve que la vie a existé là-bas. Mais le simple fait de trouver les éléments CHNOPS ne rend pas un échantillon biologiquement pertinent. C’est la façon dont ces éléments sont organisés et les structures qu’ils forment qui déterminent si un échantillon peut contenir des restes de vie ancienne, et comprendre cela est ce à quoi la spectroscopie Raman est vraiment bonne.

Diffuser de deux manières

La spectroscopie Raman tire parti de ce que l’on appelle la diffusion inélastique, ou diffusion Raman. Normalement, les ondes électromagnétiques interagissent avec les particules de matière par diffusion élastique ou Rayleigh. Lorsque les photons entrants interagissent avec les molécules, ils les excitent de l’état fondamental à un état virtuel de plus haute énergie. Dans la diffusion Rayleigh, l’état excité s’effondre rapidement et la particule revient à l’état fondamental sans aucune perte de l’énergie cinétique du photon incident. C’est comme une boule de billard en mouvement qui transfère toute son énergie cinétique dans une boule immobile, qui continue ensuite à se déplacer tandis que la première boule s’arrête net.

Mais environ une diffusion sur 100 millions entraîne une chute de l’état virtuel excité à un état différent de celui où la molécule a commencé. Pour étendre l’analogie précédente, ce serait comme si la boule de billard en mouvement heurtait une boule immobile avec une fissure. La balle fissurée absorberait toujours l’énergie de la balle entrante, mais la fissure en atténuerait une partie, envoyant la balle à une vitesse différente de celle de la balle entrante, et peut-être même dans une direction différente de celle qui se produirait dans une collision purement élastique. .

Tout comme la différence de vitesse et de direction pourrait révéler des informations sur les caractéristiques de la boule fissurée, la diffusion Raman peut également être utilisée pour sonder la structure d’une molécule. La différence d’énergie entre les photons incidents et les photons diffusés dépend des états de vibration et de rotation des liaisons chimiques au sein de la molécule. Il en résulte une population de photons de différentes longueurs d’onde qui représentent les différentes liaisons chimiques au sein d’une molécule. Répartis sur un détecteur doté d’un réseau de diffraction, ces photons créent une empreinte caractéristique des molécules de l’échantillon.

Alors que Raman est utilisé depuis des décennies sur Terre pour analyser toutes sortes d’échantillons chimiques, SHERLOC est la première fois que la technique est utilisée sur un autre monde. Et comme vous l’imaginez, il faut une ingénierie spéciale pour emballer toute l’optique et l’électronique et la rendre non seulement suffisamment robuste pour survivre aux rigueurs du voyage spatial, mais aussi pour fonctionner de manière autonome.

Construit pour performer

Assemblage de tourelle SHERLOC, ou STA
L’assemblage de tourelle SHERLOC, ou STA. L’objectif ACI/SHERLOC est en bas à gauche, tandis que WATSON est situé au milieu à droite. Les deux caméras ont leurs couvre-objectifs motorisés en place. Pour référence, les deux caméras mesurent environ 9 cm de diamètre. Notez une partie du système de suspension de jambe de force hexapode visible derrière l’objectif ACI/SHERLOC. Source : NASA-JPL/Caltech

Pour accomplir tout cela, SHERLOC est divisé en deux assemblages principaux : l’assemblage de corps SHERLOC (SBA) et l’assemblage de tourelle SHERLOC (STA). Le STB est l’endroit où se trouvent tous les circuits de commande et de traitement des données, et où vit l’alimentation. Le STA est l’extrémité commerciale de SHERLOC et vit au bout du bras robotique de Persévérance. Le cœur du STA est le laser UV profond (DUV), un laser à vapeur de métal au néon-cuivre fortement modifié. Il fournit une impulsion très stable de 248,60 nm et devrait durer suffisamment longtemps pour fournir 3 millions de spectres, soit environ sept fois la durée de vie de conception du rover.

Comme pour tout spectroscope Raman, l’optique de SHERLOC est un ensemble complexe de lentilles, de miroirs, de séparateurs de faisceau et de filtres. Contrairement à la plupart de ses cousins ​​terrestres, cependant, SHERLOC doit gérer le « S » dans son nom : la numérisation. Plutôt que de s’appuyer sur un contrôle précis du bras robotique pour positionner son faisceau, SHERLOC dispose d’un sous-système de scanner assez similaire aux galvanomètres utilisés pour la direction du faisceau dans les spectacles laser. Le scanner donne à SHERLOC le contrôle du faisceau sur une zone d’échantillonnage de 7 mm x 7 mm avec une taille de pas inférieure à un micron dans les deux dimensions, ce qui lui permet de collecter des données à partir des plus petites caractéristiques sans avoir à compter sur les mouvements du bras du robot.

Une autre façon dont SHERLOC diffère des autres instruments Raman est la nécessité de corréler les spectres avec des informations spatiales sur un échantillon. Il ne suffit pas d’obtenir l’empreinte spectrale d’une section particulière d’un échantillon ; au lieu de cela, SHERLOC doit également déterminer le contexte de ce à quoi ressemble cet endroit exact sur l’échantillon en lumière visible. Pour ce faire, SHERLOC a besoin de l’aide de deux caméras : l’Autofocus and Context Imager (ACI), une caméra à niveaux de gris haute résolution qui partage le chemin optique du spectroscope Raman, et WATSON, le capteur topographique grand angle pour les opérations et la caméra d’ingénierie. . WATSON est une caméra couleur haute résolution séparée avec une capacité macro jusqu’à une distance focale de 1,78 cm. WATSON et l’ACI sont fondamentalement l’équivalent de la loupe d’un géologue, permettant à SHERLOC de superposer des images de lumière visible avec des données Raman sur une large gamme de distances de fonctionnement.

Enfin, le spectroscope Raman de SHERLOC est conçu pour survivre au long voyage vers Mars, à l’atterrissage à haute énergie et aux conditions difficiles du monde froid et poussiéreux. Alors que le SBA est niché en toute sécurité à l’intérieur de la coque de Persévérance, le STA doit être exposé aux éléments pour faire son travail. SHERLOC est monté sur un arrangement hexapode d’entretoises à ressort qui amortissent les vibrations rencontrées à la fois pendant les vols spatiaux et les opérations de rover. Le STA est également équipé d’un système de gestion thermique complexe, comprenant des éléments chauffants de survie qui maintiennent l’électronique et l’optique suffisamment chauds pour survivre au pire des froids martiens.

Le contexte est la clé

Alors que la majeure partie de l’attention du public sur la mission Mars 2020 a jusqu’à présent été naturellement attirée par l’hélicoptère Ingenuity, qui a connu un succès retentissant, SHERLOC a activement collecté des données presque sans interruption depuis l’arrivée de Perseverance sur Mars en mars 2021. dans le cratère de Jezero provenait d’une série d’échantillons analysés en septembre 2021, et d’une roche en particulier, surnommée « Garde ». L’ensemble d’outils monté sur bras du rover a été utilisé pour broyer une partie de la roche altérée avant que SHERLOC ne soit mis en place pour analyser l’échantillon.

Roche de Garde du cratère Jezero, avec des preuves de matières organiques découvertes par SHERLOC
Garde rock, avec des preuves de matières organiques signalées. Notez la façon dont SHERLOC peut combiner les images en lumière visible avec les données Raman pour fournir un contexte géologique. Source : NASA-JPL/Caltech.

Grâce à la puissance de SHERLOC et à sa capacité à superposer des images en lumière visible avec des données Raman, les planétologues ont pu déterminer que Garde contient à la fois des minéraux d’olivine, qui indiquent une histoire ignée, et des minéraux carbonatés, qui suggèrent une période passée d’eau réagissant avec le rocher. Ceci est cohérent avec ce que nous savons déjà sur le cratère Jezero et le delta du fleuve qui s’y déversait autrefois. Trouver des matériaux organiques dans une roche avec ce genre d’histoire géologique est une donnée alléchante, et pourrait un jour s’avérer faire partie de la preuve que la vie grouillait autrefois sur Mars.