L'Exobiologie est parfois aussi appelée Astrobiologie. Cette discipline cherche :

À détecter la présence ou les indices d'une vie extraterrestre éventuelle sur des corps célestes au sein du système solaire ou au-delà ;
À expliquer la part "extraterrestre" de l'origine de la vie sur terre ;

la contribution de la matière organique d'origine interplanétaire à la constitution de la matière organique terrestre primitive
la contribution de la matière organique d'origine interplanétaire à l'émergence de la vie
les conditions qui ont régné pendant le premier milliard d'années de formation et d'évolution de la Terre

À détecter l'existence d'une chimie prébiotique pouvant conduire aux premières étapes de la vie sur des corps du système solaire.

Mars (© ESA) - Io (© NASA) - Titan (© ESA/NASA/Univ. Arizona)

Une telle ambition nécessite des contributions de nombreuses disciplines scientifiques comme la chimie, la biochimie, la génétique moléculaire, la géologie, l'astronomie dans toutes ces composantes, la vie artificielle etc. Le programme interdisciplinaire du CNRS dédié à ces recherches (Environnement planétaire et origine de la vie) est un élément important de cette interdisciplinarité.

Dans sa composante spatiale l'Exobiologie interagit avec la Planétologie (caractérisation des planètes, définition de la notion d'habitabilité, recherche de l'eau et de la matière organique, chimie interplanétaire etc.), l'Astronomie (recherche et caractérisation des exoplanètes, définition des indices d'une activité biologique), l'exploration robotique et humaine du système solaire (utilisation d'infrastructures à des fins expérimentales, préparation des missions humaines dans le système solaire et limitation de leurs effets afin de préserver la recherche ultérieure de traces de vie).

Tout naturellement les considérations sur la recherche de traces de vie dans le système solaire, et l'éventualité d'un retour d'échantillons de corps célestes pouvant avoir hébergé une forme de vie, imposent, en accord avec les traités internationaux sur l'espace extra-atmosphérique, une interaction forte de l'Exobiologie avec les activités regroupées sous le terme générique de la protection planétaire.

EXIGENCES TECHNIQUES DES MISSIONS SPATIALES POUR L'EXOBIOLOGIE

Les missions spatiales pour la Planétologie comme pour l'Exobiologie, se fondent sur les piliers habituels que sont l'observation à distance, l'analyse "in situ" et le retour d'échantillons. Les exigences techniques concernent donc ces trois volets. La perspective de l'analyse spectrale de l'atmosphère de planètes extrasolaires stimule les travaux de modélisation et de définition des indices d'une activité métabolique.

Analyse à distance (télé-observation)

Les missions envisagées dans le cadre de Cosmic Vision (exemple Marco Polo, Plato, Laplace, Tandem etc.) prévoient des observations spectroscopiques des corps célestes visés. L'amélioration de la définition et de la sensibilité des instruments notamment dans le domaine de l'Infrarouge demeurent des défis majeurs. Quelques actions R&T (principalement dans le domaine de la Planétologie) ont été lancées dans ce domaine ainsi que sur l'amélioration de la capacité d'imagerie couleur. Ces analyses à distance ont atteint un bon degré de maturité.

Analyse in situ

L'analyse in situ est l'objectif de plusieurs missions à venir et l'amélioration des technologies employées va de pair avec la miniaturisation des systèmes. Plusieurs actions de R&T sont déjà engagées dans ce domaine afin d'introduire de nouvelles performances (analyse de la chiralité, spectrométrie de masse, reconnaissance moléculaires) ou améliorer des performances de principe déjà engagés dans des missions (dérivatisation). Des travaux plus prospectifs sont actuellement développés pour l'analyse non destructive d'échantillons rapportés sur Terre (Résonance Para Electronique : RPE). La possibilité de l'utilisation de ces techniques lors de missions spatiales est aussi explorée. Les expériences d'expositions de molécules ou d'échantillons aux conditions spatiales sur la Station Internationale nécessitent actuellement de rapporter les échantillons sur Terre pour les analyser. Des instruments adaptés à l'analyse en continu d'échantillons au cours de leur exposition à l'extérieur de l'ISS, ou sur d'autres porteurs, sont en cours de définition. Dans l'hypothèse d'une télé-présence scientifique permanente sur la Lune, des expériences mettant en œuvre ces principes sont envisagées. Dans de nombreuses configurations, les avancées acquises pour l'analyse spectrale et l'imagerie utilisées pour la télédétection bénéficient aux microscopes spectrographes-imageurs qui se fondent sur les mêmes principes généraux.

Analyse d'échantillons sur Terre

D'ores et déjà les laboratoires français ont été impliqués dans l'analyse des échantillons extra-terrestres rapportés sur Terre (missions Lunaires, Génésis et Stardust). D'autre part la communauté française est aussi très impliquée sur l'analyse d'échantillons météoritiques et de poussières interplanétaires. Des travaux de R&T sur la RPE ou les études sur un conteneur étanche pour l'analyse d'échantillons maintenus en confinement et utilisant le rayonnement synchrotron vont dans ce sens. D'autres travaux sont nécessaires pour concevoir et opérer au sein d'un programme européen un centre de conservation et d'analyse d'échantillons martiens en respectant les recommandations de la protection planétaire et les contraintes sur les conditions de conservation des échantillons établies par les communautés scientifiques de Planétologie et d'Exobiologie.

Les compétences scientifiques et techniques des laboratoires français

La communauté française en Exobiologie et en Planétologie est une des plus nombreuses d'Europe. Elle est aussi une des plus structurées autour de trois pôles.

1. Le CNES à joué un rôle déclenchant en accompagnant le regroupement d'une communauté déjà impliquée dans des missions spatiales portées à l'origine par la Planétologie.
2. Le Groupement de recherche en Exobiologie (GdR Exobio) qui a commencé à fédérer des scientifiques très éloignés de l'expérimentation spatiale. Il a agrégé des communautés éloignées de la recherche sur les origines de la vie et de la vie extraterrestre. Ce GdR a établi le cadre théorique dans lequel s'inscrivent les recherches et les développements instrumentaux. Cette activité à été amplifiée par les Ecoles d'Exobiologie destinées aux chercheurs (Ecole de Propriano) et celles destinées aux étudiants en Thèse (Rencontre exobiologique pour Doctorant du Teich), organisées par le CNRS avec le soutien d'universités et du CNES. Ce GdR s'est transformé en un programme interdisciplinaire du CNRS qui couvre de nombreux aspects de l'Exobiologie avec l'intention affichée d'impliquer d'autres disciplines comme les Science de la vie, la Chimie, les Sciences humaines etc...
3. Une société savante, la Société Française d'Exobiologie (SFE) qui rassemble les scientifiques français travaillant dans ce domaine. Elle ambitionne d'organiser les réflexions de la communauté scientifique, d'être partenaire des organisations internationales semblables comme l'European Astrobiology Network Association (EANA) ou l'International Society for the Study of the Origin of Life (ISSOL).

Le rayonnement francophone de l'école de Propriano et les publications référencées, en anglais et en français qui en sont issues, ont donné une visibilité et une reconnaissance internationale aux équipes françaises. L'évolution des structures et le renouvellement générationnel des chercheurs impliqués, justifient ces efforts pour valoriser les résultats déjà obtenus et préparer les prochaines échéances internationales liées au retour d'échantillons martiens et à la caractérisation des exoplanètes.

Participations du CNES

Participation au programme d'exploitation de la Station Spatiale Internationale et aux moyens associés (Photon, Bion, vols paraboliques).
Participation aux missions dans le cadre du programme d'exploration telles qu'Exomars, Marsnet, Retour d'échantillons martiens.
Participation à certaines phases des scenarii d'utilisation de la Lune comme une plate-forme de démonstration et dans l'hypothèse d'une télé-présence permanente en relation avec le programme d'exploration.
Participation au programme obligatoire de l'ESA Cosmic Vision, dans des scenarii de mission de type Marco-Polo, Laplace, Tandem, Plato.
Développement de missions d'opportunité et de coopération dans les travaux préparatoires dans le cadre de coopération bilatérale avec les USA (Lune, Mars), la Russie (Phobos-Grunt), la Chine (Expériences d'exposition en orbite basse, Lune) et autres comme le Japon et l'Inde...
Participation aux études, à la réalisation et aux opérations d'infrastructures au sol en coopération ESA, européenne et multilatérale.

LES MISSIONS EN COURS, PROGRAMMEES, ET POSSIBLES TOUCHANT LE DOMAINE DE L'EXOBIOLOGIE

Missions en cours

CASSINI-HUYGENS :
Bien que sa composition atmosphérique soit différente de celle proposée par les modèles de l'atmosphère primitive terrestre, l'atmosphère de Titan est le siège de processus physiques et chimiques, évoquant certains processus qui ont pu se produire sur la Terre primitive. Explorer Titan aujourd'hui, à l'eau liquide près, c'est observer l'influence de l'environnement spatial sur un réacteur chimique produisant, à partir de composés simples des composés organiques complexes. La communauté scientifique française a été particulièrement active dans la fourniture des instruments de la sonde Huygens puis dans l'interprétation des données recueillies. L'activité de "scientifique interdisciplinaire pour l'Exobiologie" pour l'ensemble de la mission Cassini menée par un scientifique français valorise aussi les autres participations françaises aux instruments de la sonde Cassini dont la mission a été prolongée jusqu'à 2017.

ROSETTA :
Les comètes se sont formées dès les débuts du système solaire mais, contrairement aux planètes, elles ont probablement conservé intact le matériau qui composait la nébuleuse solaire. C'est un des principaux résultats de l'analyse des échantillons rapportés par la mission Stardust et auxquels la communauté scientifique française a contribué. Les comètes sont considérées comme des "archives" témoignant des conditions physico-chimiques qui régnaient il y a 4,6 milliards d'années. Toutes les observations tendent à montrer une grande diversité et la complexité dans leur composition moléculaire, faisant d'elles un terrain d'études exobiologiques de tout premier ordre. Grâce à Rosetta, pour la première fois, nous disposerons d'informations directes concernant la composition moléculaire du noyau des comètes. Nous saurons beaucoup mieux dans quelle mesure les comètes, par l'apport de briques prébiotiques plus ou moins complexes, ont pu contribuer à l'apparition de la vie sur la Terre.

MARS EXPRESS :
Mars Express a été lancé le 2 juin 2003, depuis la mission a été prolongée jusqu'en fin 2012. La fourniture de 2 instruments scientifiques et la contribution à un troisième représente la contribution scientifique française à cette mission : OMEGA, Observatoire Martien pour l'étude de l'Eau pour les Glaces & l'Activité, SPICAM, SPectroscopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere or Mars et une participation au développement d'ASPERA-3, Analyser of Space Plasmas & EneRgetic Atoms.
Tous ces instruments ont été conçus pour répondre à des questions scientifiques plus larges que celles posées par l'Exobiologie. Cependant les résultats intéressent au plus haut point la communauté des exobiologistes et les aident à préparer les missions prochaines (EXOMARS et MSR).

ISS/EXPOSE E & R (PROGRAMME ELIPS DE L'ESA) :
Cet instrument d'exposition d'échantillons divers au rayonnement solaire, à la micropesanteur, au vide et aux rayonnements cosmique, est construit et exploité dans le cadre du programme ESA d'utilisation de la station spatiale. Cet instrument accueille des expériences de scientifiques européens et notamment d'équipes françaises. Avec l'amarrage le 11 février 2008 du laboratoire Colombus à la Station Spatiale Internationale, l'expérience Expose E de l'ESA placée sur la plate-forme EuTEF (European Technological Exposure Facility) a été activée. Différents échantillons solides ou gazeux, comportant des produits organiques ou non, certains étant constitués d'éléments biologiques ont été exposés jusqu'en août 2009 aux rayonnements solaires. Le boîtier EXPOSE hébergeant d'autres échantillons a été fixé sur le module russe Zvezda en mars 2009, il sera rapporté sur Terre fin 2010.

Missions programmées

MSL :
Le Mars Science Laboratory (MSL) est une mission de la NASA qui se propose de faire atterrir à la surface de Mars un véhicule d'environ 900 kg, équipé d'une dizaine de mini-laboratoires constitués chacun d'instruments analytiques.
MSL est prévu pour un lancement à l'automne 2011 et doit commencer les opérations en 2012. Les principaux objectifs sont de :

déterminer si la vie a pu exister sur la planète Mars,
caractériser son climat
caractériser sa géologie,
préparer l'exploration humaine de Mars.

EXOMARS :
Le programme Exomars se fonde sur une coopération renforcée avec la NASA et se compose d'une mission orbitale en 2016 et d'une mission de surface en 2018.

Pour la mission de 2016, l'ESA conçoit et construit un satellite martien capable d'assurer les télécommunications entre l'orbite et la Terre. Il sera aussi capable de recevoir puis de transmettre les signaux provenant des stations et véhicules de surface jusqu'en 2022 (durée nominale). Ce satellite martien emportera une charge utile scientifique d'environ 110 kg pour étudier les gaz traces dans l'atmosphère martienne (méthane et autres hydrocarbures), cartographier ces émissions.
Ce satellite servira aussi de système de transfert entre la Terre et Mars pour un démonstrateur européen d'atterrissage sur Mars d'environ 600 kg. Cette station fixe de démonstration sera instrumentée afin de recueillir puis de transmettre les données acquises pendant la descente jusqu'à l'atterrissage. Une charge utile scientifique limitée sera sélectionnée. Elle a une durée de vie limitée (ordre de grandeur de la semaine) et des capacités énergétiques elles aussi extrêmement limitées. Cette mission sera lancée par un lanceur américain (type Atlas V). La mission sera placée sous la responsabilité de l'ESA.

Pour la mission de 2018 l'Europe fournira un véhicule de surface emportant la charge utile Pasteur dédiée à l'étude du contexte géologique et à la recherche de traces éventuelles de vie. Les Etats-Unis, fourniront eux aussi un véhicule de surface. Les deux véhicules partageront la même plate-forme délivrée au sol par le système de descente Skycrane. Ils atterriront donc exactement au même endroit. La charge utile Pasteur comprend 2 instruments coordonnés par des laboratoires français (Wisdom et Micromega), 3 instruments à forte contribution technique française (RAMAN, MOMA et CLUPI).
Cette mission sera lancée par un lanceur américain (type Atlas V). La mission sera sous la responsabilité de la NASA, l'ESA prenant après l'atterrissage la responsabilité de son véhicule de surface. Le satellite martien de 2016 relaiera les données des 2 véhicules de surface.

ICAPS ET IPE (ISS) :
Une équipe française participe au développement d'un instrument étudiant les propriétés et le comportement des poussières et des particules de glace. Cet instrument nommé ICAPS (Interactions of Cosmic and Atmospheric Particle Systems) est prévu pour voler dans la deuxième génération des instruments de la Station Spatiale Internationale. Un instrument précurseur est en phase de définition à l'ESA (ICAPS precursor experiment : IPE).
Ces expériences sont à la limite de la Planétologie, de la Physique en micropesanteur et dans une certaine mesure de l'Exobiologie. Ce thème étant notamment concerné par la chimie organique qui peut se dérouler dans les grains de glaces interplanétaires et cométaires et par les moyens de caractériser cette chimie.

Missions possibles

VITRINE :
Cet instrument, qui serait installé sur la partie externe du module COLUMBUS, serait constitué d'un "réacteur chimique" nettoyable et réutilisable capable d'accueillir des mélanges gazeux et/ou des corps solides exposés au rayonnement ultra violet solaire. Un ensemble de systèmes d'analyse serait capable d'effectuer des analyses de composition au cours de l'évolution des mélanges ou de la dégradation des molécules. De tels sous-systèmes seraient dérivés d'instruments utilisés sur des missions spatiales planétaires. Un tel instrument pourrait préfigurer des instruments plus ambitieux qui pourraient être déposés sur la Lune dans le cadre d'une télé-présence.

MARCO POLO :
Cette mission se propose de se poser sur un astéroïde géocroiseur, y effectuer des analyses in situ et en rapporter des échantillons. Ces études contribuent à l'inventaire complet de la richesse chimique des petits corps, astéroïdes et comètes, et des fragments qui en sont issus et sont à l'origine des météores, des bolides, des poussières interplanétaires stratosphériques (SIDP), des météorites et des micrométéorites. L'Exobiologie est particulièrement intéressée par l'analyse des volatils et de la matière carbonée éventuelle ainsi que par le calcul des rapports isotopiques des éléments tels que le carbone, l'azote, l'oxygène etc.

MARSNET :
Cette mission est actuellement évoquée comme intermédiaire entre Exomars et Mars Sample Return (MSR). Cette mission de l'ESA qui serait développée dans le cadre du programme Aurora d'exploration du système solaire en est encore aux prémices. L'Exobiologie a manifesté un grand intérêt pour cette mission éventuelle qui devrait préparer la sélection des sites de collecte des échantillons de la mission MSR.

MARS SAMPLE RETURN :
La mission MSR apparaît de nouveau dans le calendrier des missions futures de la NASA et apparaît pour l'ESA comme l'étape logique suivant Exomars et Marsnet. Un groupe de réflexion international (I-Mars) s'est mis en place à l'initiative des principales agences spatiales pour esquisser l'architecture d'une telle mission. Ce groupe de travail réfléchit sur une mission qui pourrait être lancée entre 2020 et 2025. Ce groupe est chargé de définir une mission de référence ainsi que d'identifier l'ensemble des technologies nécessaires y compris celles concernant la conservation et le traitement des échantillons après leur retour sur Terre.

PLATO :
Plato est une mission d'étude de l'astro-sismologie et de détection d'Exoplanètes telluriques de taille terrestre. Avec une grande précision photométrique les caractéristiques des étoiles et des planètes seront déterminées avec une précision de l'ordre 1%. L'âge des différents systèmes observés pourra aussi être déterminé à quelques centaines de millions d'années près, améliorant ainsi notre connaissance de l'évolution des systèmes planétaires. Plato observera aussi un très grand nombre d'étoiles avec une moindre précision multipliant probablement par un facteur dix le nombre de systèmes comportant des exoplanètes. L'observation d'étoiles de magnitude inférieure à celle observable avec CoRot ou Kepler rendra possible la détection de planètes de taille terrestre.
L'extension du catalogue des systèmes planétaires vers des ensembles comprenant des planètes de taille modeste est essentiel à la recherche de planètes susceptibles d'héberger une forme de vie.

DARWIN :
Cette mission se propose d'étudier des exoplanètes en analysant la composition d'une partie de leur spectre dans l'Infrarouge. Une telle analyse devrait conduire à détecter éventuellement les indices d'une activité biologique.
Cette mission serait constituée d'un flotte de satellites orbitant en formation autour du point de Lagrange. La navigation conjointe des satellites demande des technologies nouvelles assurant une précision suffisante pour faire des mesures par interférométrie annulante. Cette mission pourrait étudier les systèmes et les planètes détectées antérieurement ou détecter de nouvelles planètes.
Même si cette mission est encore en phase très préliminaire, la définition et la sélection des indices atmosphériques d'une activité biologique demande des travaux théoriques et des expériences de laboratoires très en amont que les communautés d'Exobiologie du monde entier ont déjà initiés.