Modélisation des effets du rayonnement spatial dans l'espace et sur Mars

Études des radiations spatiales pour des missions martiennes sûres

Le rayonnement spatial est l'un des principaux facteurs affectant les conditions de survie et d'habitabilité. Sur Mars, ainsi que pendant le voyage vers cette planète, l'environnement radiatif est principalement constitué par les rayons cosmiques galactiques (GCR).  On pense que le contexte de faible intensité hautement énergétique est associé aux explosions de supernovæ et que les particules énergétiques solaires (SEP) sont liées à des événements transitoires sur le Soleil.

Dans la première étape de la mission à proximité de la Terre, le rayonnement piégé dans les ceintures de Van Allen joue le rôle principal. Tous ces rayonnements, atteignant un vaisseau spatial ou le sommet de l'atmosphère martienne, peuvent générer des rayonnements secondaires considérables et des averses de particules, qui peuvent affecter les astronautes et les futurs explorateurs sur Mars, en rompant les liens dans les biomolécules, et/ou altérer plusieurs composants d'un vaisseau spatial.

Dans l'ensemble, l'étude des effets induits par les rayonnements couvre un large concept d'habitabilité, car ces effets pourraient affecter non seulement les missions avec équipage, mais aussi d'éventuelles formes de vie ou leurs traces sur d'autres planètes, ainsi que les composants nécessaires au bon fonctionnement d’une mission.

Radiation sur les sites d'atterrissage des missions martiennes

En collaboration avec le personnel du Langley Research Centre de la NASA et l'équipe du rover Curiosity, l'équipe ESC2RAD a récemment étudié l'environnement radiatif et les doses induites par les GCR et les SEP, sur deux sites d'intérêt astrobiologique sur Mars dans l'hémisphère nord :

• Oxia Planum, le site d'atterrissage de la mission ExoMars 2022 de l'ESA
• Mawrth Vallis, un site qui avait été envisagé pour plusieurs missions.

Cibles de radiation spatiale

En utilisant les approches de Monte Carlo pour le transport des particules et en considérant l'eau comme un substitut des cibles biologiques, nous avons trouvé :

• une quantité de rayonnement gamma différente selon le niveau d’hydratation du régolithe des deux sites
• une relation légèrement différente entre les doses et la pression de surface au cours de différentes saisons et sous différentes activités solaires, par rapport aux données de Curiosity au cratère de Gale, dans l'hémisphère sud.

Cela signifie que même en considérant simplement l’eau comme cible, il y a encore des leçons à tirer sur la façon dont l'environnement de rayonnement sur Mars varie au cours des différentes saisons et sur la façon dont l'hydratation du régolithe influence les réactions neutroniques qui conduisent au rayonnement gamma.   

Une étape importante dans la modélisation des effets des rayonnements consiste toutefois à envisager des cibles plus réalistes, notamment des petites unités biologiques au lieu de la seule eau, et à étudier en détail le schéma de libération de l'énergie vers la biomolécule par la particule qui entre en collision (et par les particules secondaires qui provoquent l'hydrolyse de l'eau).

Dans ce contexte, l’équipe ESC2RAD :

1. a développé une nouvelle stratégie intelligente et efficace pour sonder toutes les trajectoires pertinentes des protons dans l'eau autour de la molécule biologique;
2. calcule actuellement des quantités nanodosimétriques fondamentales dans des segments de glycine (l'acide aminé le plus simple) et d'ADN, dans le but d'étendre les capacités des codes de structure de piste de Monte Carlo et de faire progresser la compréhension de la physique des rayonnements.
3. étudie de nouvelles solutions de matériaux pour permettre une meilleure protection contre les radiations.

Vous voulez en savoir plus ?

• Airapetian, V.S., Barnes, R., Cohen, O., Collinson, G.A., Danchi, W.C., Dong, C.F., Del Genio, A.D., France, K., Garcia-Sage, K., Glocer, A., Gopalswamy, N., Grenfell, J.L., Gronoff, G., Güdel, M., Herbst, K., Henning, W.G., Jackman, C.H., Jin, M., Johnstone, C.P., Kaltenegger, L., Kay, C.D., Kobayashi, K., Kuang, W., Li, G., Lynch, B.J., Lüftinger, T., Luhmann, J.G., Maehara, H., Mlynczak, M.G., Notsu, Y., Osten, R.A., Ramirez, R.M., Rugheimer, S., Scheucher, M., Schlieder, J.E., Shibata, K., Sousa-Silva, C., Stamenković, V., Strangeway, R.J., Usmanov, A.V., Vergados, P., Verkhoglyadova, O.P., Vidotto, A.A., Voytek, M., Way, M.J., Zank, G.P., and Yamashiki, Y. (2020). Impact of space weather on climate and habitability of terrestrial-type exoplanets. International Journal of Astrobiology, 19(2), 136-194. https://doi.org/10.1017/S1473550419000132

• Da Pieve, F., Gronoff, G., Guo, J., Mertens, C.J., Neary, L., Gu, B., Koval, N.E., Kohanoff, J., Vandaele, A.C., and Cleri, F. (2021). Radiation environment and doses on Mars at Oxia Planum and Mawrth Vallis: Support for exploration at sites with high biosignature preservation potential. Journal of Geophysical Research: Planets, 126(1), e2020JE006488. https://doi.org/10.1029/2020JE006488

• Gu, B., Cunningham, B., Muñoz Santiburcio, D., Da Pieve, F., Artacho, E., and Kohanoff, J. (2020). Efficient ab initio calculation of electronic stopping in disordered systems via geometry pre-sampling: Application to liquid water. Journal of Chemical Physics, 153(3), A034113. https://doi.org/10.1063/5.0014276