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La calotte antarctique recouvre un monde inconnu. Un lac 70 fois plus volumineux que le Léman qui dort en dessous depuis des millénaires devrait bientôt livrer ses secrets. Les chercheurs espèrent y trouver de nouvelles formes de vie.

Sombre et fuyant, c’est l’un des Graals scientifiques de ce début de siècle. Sombre, car l’objet de tant de désirs se trouve enfoui sous des kilomètres de glace, au bout du monde, et n’a pas vu la lumière du jour depuis 14 millions d’années. Fuyant, car c’est de l’eau, douce. Trois équipes sont en course pour extraire le précieux liquide de l’un des 150 lacs repérés sous la calotte polaire de l’Antarctique. Et avec lui, peut-être, des formes de vie microbiologique vieilles comme la nuit des temps, voire inconnues. Une découverte qui stimulerait la recherche de vie extraterrestre sur des corps célestes, comme Europe et Callisto, deux lunes de Jupiter dont la surface gelée couvrirait un océan.

Confirmé par des images satellites en 1993, le lac Vostok est vaste de 15 500 de km2, profond en moyenne de 400 m mais de près du triple par endroits, et volumineux comme 70 fois le lac Léman. Il est recouvert par un des glaciers formant la calotte. A son contact, l’eau du lac s’est mise à geler, formant de la «glace d’accrétion».

Le doute a été soulevé par un groupe franco-russe, remarquant une ressemblance de ces micro-organismes avec des espèces connues. Sergey Bulat, de l’Institut de physique nucléaire de Saint-Pétersbourg, en faisait partie: «Oui, nous avons aussi trouvé des bactéries, mais la majorité proviennent de sources de contamination.» Première d’entre elles, le kérosène utilisé pour remplir les puits de forages, qui ne gèle pas et permet de maintenir ceux-ci ouverts, mais qui n’est pas stérile.

Le débat est relancé lorsque les Russes annoncent tout de même une bizarrerie: la signature ADN de trois espèces de bactéries thermophiles vivant habituellement dans une eau avoisinant les 50 à 95 °C, dont deux inconnues au bataillon des microbes. Et une autre controverse de naître: «Certains scientifiques estiment qu’il existe des sources hydrothermales au fond du lac», dit Martin Siegert, glaciologue à l’Université d’Edimbourg. D’autres n’excluent pas que des événements sismiques aient pu avoir lieu jadis – ce qui expliquerait l’existence de failles profondes –, mais doutent que l’activité tectonique soit aujourd’hui telle que des fumerolles chauffent encore l’eau.

«C’est dans les profondeurs du lac que se trouvent les choses les plus intéressantes, estime John Priscu. Mais toutes les spéculations resteront vaines tant qu’on n’y aura pas pénétré. Alors faisons-le!» Tous ses pairs ne sont pas d’accord avec lui. Dès 1998, craignant une contamination de cet environnement peut-être unique, ils ont demandé aux Russes, par ailleurs fortement freinés par des problèmes techniques ces dernières années, de s’assurer de certains aspects écologiques avant d’aller de l’avant.

«Nous avons fait toutes les études nécessaires», indique aujourd’hui Valery Lukin. Par exemple, la glace située juste sur la surface est composée de très grands cristaux (1,5 m de diamètre), si bien qu’«il est impossible que le fluide utilisé dans le forage filtre dans le lac». Les techniciens russes ont aussi développé une nouvelle «tête de forage». «Le fond du trou se trouve actuellement à 3650 m de profondeur. De là, nous allons forer jusqu’à 3725 m avec la technique mécanique habituelle», dit Valery Lukin. Puis les chercheurs utiliseront une sonde thermique qui va faire fondre la glace et se glissera à travers elle jusqu’au lac, environ 25 m plus bas. Le tout avec un lubrifiant plus propre que le kérosène (de l’huile de silicone) et moins dense que l’eau, offrant la garantie qu’il ne coulera pas dans le lac. «Nous attendrons probablement la saison 2011-2012 pour tenter les derniers mètres. Mais comme nous ne savons pas exactement où se trouve l’interface eau-glace, la percée pourrait avoir lieu au début février 2011 déjà…»

«Il est impossible d’éliminer tous les risques», résume Manfred Reinke, secrétaire exécutif du Traité de l’Antarctique. Mais les Russes, qui viennent d’investir 975 millions de dollars sur 10 ans pour consolider leur présence en Antarctique, «ont satisfait au mieux à toutes les exigences environnementales, dans l’esprit du Traité. C’est crucial, car lorsque l’entrée dans le lac sera faite, ce sera un moment très émouvant pour la science.»

On a appris début décembre 2010 qu’il ne faudrait plus que quelques mois aux Russes pour qu’ils achèvent la percée des 4.000 m de glace qui recouvrent le lac Vostok: fin février 2011, les eaux vierges que recèlent le sous-sol de l’Antarctique seraient atteintes. Pourquoi l’enjeu est-il de taille?

La calotte glaciaire recouvre des lacs isolés de l'extérieur depuis des millions d'années. Les Russes vont bientôt percer la glace recouvrant le plus grand.

Dans les années 1960, des savants émirent l’hypothèse qu’une mer de la taille du continent européen existait sous les glaces de l’Antarctique. Jamais on ne la découvrit. En revanche, on établit que la calotte glaciaire dissimulait une multitude de lacs.

En 1996, une expédition britanno-russe qui étudiait le climat du paléolithique depuis 1989 décela, en forant la glace, l’existence d’un lac immense à l’aplomb de la base polaire russe de Vostok. On le baptisa en conséquence, avant d’établir ses dimensions imposantes: situé sous le niveau de la mer, il mesure 250 km de long sur un minimum de 50 de large, présente une circonférence de 1.030 km, une surface de 15.500 km2! Quasiment l’équivalent du lac Ontario ou de deux fois la Corse. On a par ailleurs repéré au moins 37 lacs sous-glaciaires, de plus petite taille, dans les environs du lac Vostok, mais plus hauts sous la glace et sans lien avec le géant.

Les risques du forage vers les eaux sous-glaciaires

Dès la découverte de Vostok en 1996, les opérations de forage ont commencé, mais elles ont été interrompues à deux reprises. La première fois en 1998, à la demande de la communauté internationale, qui voulut que l’on attende de disposer d’une technologie garantissant que ces eaux préservées ne soient pas souillées. Les travaux recommencèrent en 2005, avec des moyens techniques spécialement élaborés à cet effet, mais durent cesser de nouveau en raison de la rupture d’une foreuse. La nouvelle tentative, entreprise en 2009, devrait être la bonne. C’est en tout cas ce que promet Alexandre Frolov, le directeur du Roshydromet (Service fédéral russe d'hygrométrie et de surveillance environnementale), qui prévoit d’atteindre les eaux du lac au cours de l’hiver 2010-2011.

La prudence est toutefois de mise. En effet, aux dires de Chris McKay, de la Nasa, il convient de faire très attention en forant, «parce que les concentrations de gaz pourraient rendre l’eau très instable et potentiellement dangereuse». Il n’est pas absurde, selon lui, d’imaginer qu’elles pourraient provoquer une explosion en surface. Dans ces conditions, ou dans l’éventualité d’un contact malencontreux, faire connaissance avec l’écosystème sous-glaciaire reviendrait aussi à prendre définitivement congé de lui. L’avenir dira si la conscience d’une catastrophe a permis de l’éviter.

Une équipe de scientifiques russes compte bien atteindre les eaux du lac Vostok durant la saison 2008-2009, et peut-être découvrir une forme de vie inconnue.

Avec une superficie plus étendue que la Corse - environ 250 sur 50 kilomètres -, le lac Vostok, découvert en 1993 par le satellite d’observation terrestre européen ERS1, est le plus grand des lacs sous-glaciaires connus. Cachées sous 3.750 mètres de glace, à l'est de l'Antarctique, ses eaux sont restées à l’abri de tout contact avec le reste de la planète depuis au moins un million d’années, peut-être plus. A cause de cette situation unique, les scientifiques estiment qu’il pourrait abriter des formes de vie bactériennes primitives sans équivalent à notre époque, et certains n’hésitent pas à comparer leur éventuelle mise au jour à la découverte d’une forme de vie extraterrestre.

L'emplacement du lac Vostok repéré par ERS-1. Crédit Esa

Dès 1998, une équipe, menés notamment au laboratoire de glaciologie et géophysique de l’environnement de Grenoble par Jean-Robert Petit, ont déterminé que ces bactéries étaient similaires à des espèces vivant actuellement par +50 °C, alors qu'une température de -2,65 °C régne en permanence au sein du lac Vostok. L’excès d’oxygène (700 à 1.300 mg/l) apparaissait aussi incompatible avec une telle forme de vie. L'hypothèse d'une contamination des échantillons semblait donc plus probable.

Nikolaï Vassiliev, directeur de la chaire des technologies de forage de l’Université de Saint-Pétersbourg, indique de son côté avoir déjà identifié des protobactéries et des actinomycètes âgés d’environ 500.000 ans dans des prélèvements effectués à 3.000 mètres dans les années 1970, alors que la présence du lac n’était pas encore connue.

Au cours de cette saison 2007-2008, une équipe de scientifiques russes (52^ème expédition antarctique) a repris les travaux de forage, et est parvenue à 90 mètres au-dessus de la surface du lac. « Au cours de cette saison, nous comptons encore descendre de 50 mètres supplémentaires. Nous devrions ainsi atteindre les eaux du lac au cours de la période 2008-2009 », annonce Valeri Loukine, chef de l’expédition.

Mais derrière le défi technologique que représente un forage à cette profondeur se profile une autre contrainte, celle de ne pas contaminer le milieu ainsi découvert par des micro-organismes contemporains, qui ruineraient toute observation ultérieure.

Aussi, la méthode d’exploration adoptée par les Russes présente-t-elle toutes les garanties de préservation du milieu voulues. L’opération de forage actuelle se poursuivra jusqu’à atteindre un niveau situé à 20 mètres au-dessus du niveau du lac. Une petite sonde thermique chauffée à haute température sera ensuite glissée dans l’ouverture et poursuivra sa pénétration en provoquant la fusion de la glace. Auto-stérilisée par sa température, elle percera le plafond du lac et tombera en eau libre.

Modèle de sonde thermique actuellement utilisée par l'expédition russe. Crédit Scar

Immédiatement, la pression importante (337 à 377 bars) fera surgir l’eau du lac à l’intérieur du puits de pénétration, où elle gèlera instantanément et scellera l’ouverture. Un nouveau carottage sera alors nécessaire pour ramener ces échantillons.

Les scientifiques espèrent obtenir les premiers spécimens des eaux du lac en 2008-2009. Cette opération permettra en outre de jeter les bases des premières tentatives d’exploration automatique d’Europe, un satellite de Jupiter, dont la surface glacée cache sans doute vaste océan liquide recélant peut-être des formes de vie.

C'est la plus isolée des stations de recherche sur le continent Antarctique. Le site a été choisi pour les possibilités de forage profond qu'il offre.

Le 16 décembre 1957 la seconde expédition soviétique en Antarctique établit une station scientifique à Vostok. Celle-ci a fonctionné sans interruption pendant plus de 37 ans. La station a été fermée temporairement en janvier 1994. Aujourd'hui la station est devenue un lieu de coopération international utilisé à la fois par les chercheurs russes, américains et français.

Le 21 juillet 1983, la température record la plus basse jamais enregistrée à la surface de la terre y a été relevée : -89,2 °C^[1]. La température y serait même descendue jusqu'à -91 °C pendant l'hiver 1997 mais ce chiffre n'a pas été confirmé par les scientifiques.

En 1996 les scientifiques russes et britanniques découvrirent le plus grand lac sous la glace au monde, le lac Vostok, en dessous de la station scientifique. Le lac Vostok est situé 4 000 mètres en dessous de la calotte glaciaire Antarctique et s'étend sur une surface de 14 000 km².

La station est située à une altitude de 3 844 mètres au-dessus du niveau de la mer. C'est la station scientifique la plus isolée du continent Antarctique . Une distance de 1 253 km la sépare du pôle Sud géographique et la côte la plus proche ne se trouve qu'à 1 260 km. En hiver, il est pratiquement impossible de se rendre à la station et ses habitants ne peuvent alors compter sur aucune aide extérieure. Sa localisation à proximité du pôle Sud magnétique (qui s'est déplacé depuis) en à fait un emplacement idéal pour étudier les variations du champ magnétique terrestre. D'autres études scientifiques dans les domaines de la géophysique, de la climatologie et de la médecine y sont effectuées. La station abrite en temps normal 25 scientifiques en été mais ce nombre chute à 13 en hiver.

La plus basse température du monde a été enregistrée à Vostok le 21 juillet 1983 : -89,2 °C^[1] et la station est connue comme étant le pôle du froid de l'hémisphère Sud. Mais on peut être certain que la température de l'air est descendue plus bas en des points plus élevés de la calotte glaciaire Antarctique puisque la température décroît avec l'altitude. Durant la longue nuit polaire la température moyenne de l'air est de -65 °C tandis que durant le bref été elle est de -30 °C. La température la plus chaude enregistrée à Vostok est égale à -12,2 °C (11 janvier 2002). La température mensuelle la plus basse a été enregistrée en août 1987 avec -75,4 °C.

Vostok a un climat de type EF (Polaire d'Inlandsis) avec comme record de chaleur -12.2°C le 11/1/2002 et comme record de froid -89.2°C le 21/7/1983. La température moyenne annuelle est de -54.1°C.

Source : Le climat à Vostok (en °C et mm, moyennes mensuelles 1971/2000 et records depuis 1973)[1]

Mais d'autres facteurs que la température y mettent à rude épreuve l'organisme humain.

Le temps d'adaptation de l'organisme à des conditions aussi extrêmes peut durer d'une semaine à deux mois et s'accompagne de maux de tête, d'une sensation de suffocation, de douleurs aux oreilles, de saignements de nez, de hausse brusque de la pression artérielle, de perte de sommeil, de perte de l'appétit, de vomissements et d'une perte de poids de 3-5 kg.

Dans les années 1970, l'Union Soviétique effectua à Vostok une série de forages à une profondeur comprise entre 500 m et 952 m. Ces forages avaient pour but d'étudier la teneur en oxygène isotopique de l'air emprisonné dans les calottes de glace et permirent de montrer que ces calottes contenaient de la glace datant de la dernière glaciation à une profondeur supérieure à 400 m. Ensuite trois autres forages furent effectués. Le trou 3G atteignit une profondeur finale de 2 202 m en 1984, le trou 4G atteignit une profondeur finale de 2 546 m en 1990 et enfin le trou 5G atteignit la profondeur de 2 755 m en 1993. Après une brève interruption durant l'hiver 1995 le forage du trou 5G reprit et en 1996 il fut stoppé à une profondeur de 3 623 m à la demande de la communauté scientifique sur la recherche en Antarctique qui exprimait son inquiétude d'une possible contamination des eaux du lac Vostok. L'étude de la carotte glaciaire extraite grâce à ce forage permit de connaître le climat passé sur une période longue de 420 000 ans. Pendant longtemps ce fut la seule calotte glaciaire dont les données couvraient plusieurs cycles glaciaires. Mais en 2004 la calotte glaciaire de l'EPICA permit de connaître le climat passé sur une période de temps encore plus longue. En 2003 le forage put reprendre mais fut stoppé à une distance estimée de seulement 130 m des eaux du lac Vostok.

Bien que le forage de Vostok atteigne une profondeur de 3 623 m l'extrémité finale de la calotte ne contient plus d'informations relatives au climat passé car il s'agit de glace provenant du regel des eaux du lac Vostok. En fait seul les 3 310 premiers mètres de la calotte glaciaire contiennent des informations exploitables pour la connaissance du paléoclimat.

Les scientifiques russes n'ont pas réussi à achever le forage des glaces et à atteindre à temps le lac Vostok, en Antarctique. Désormais, les conditions météorologiques rendent impossible tout travail et les scientifiques doivent attendre un an de plus pour percer les mystères du lac subglaciaire.

L'expédition russe envoyée en Antarctique a perdu sa course contre la montre. Celle-ci devait avant le 6 février, date qui marque la fin de l'été austral sur le continent, percer les quelques dizaines de mètres qui la séparait du lac Vostok, le plus grand lac subglaciaire du continent (voir notre article).

Mais le forage intensif de ces deux derniers mois n'a pas suffi. Depuis la reprise en décembre dernier de ce projet, les scientifiques se relayaient jour et nuit sur le site pour accélérer le travail et tenter de l'achever avant la date fatidique. Selon les dernières mesures, le forage avait atteint plus de 3.700 mètres de profondeur.

Pourtant ce weekend, l'expédition s'est vu contrainte de ranger son matériel et d'interrompre de nouveau son travail pour des raisons climatiques. La fin de l'été austral marque le retour des températures glaciaires et des vents violents, rendant impossible toute activité. Ainsi, les scientifiques devront désormais attendre plus de 9 mois et l'autorisation de la commission nationale russe pour reprendre le forage.

En décembre prochain, il se pourrait qu'ils parviennent enfin à percer les derniers mètres de glace et à prélever de l'eau ultra-pure du lac Vostok. Une fois analysés, ces échantillons permettraient alors, après plus de 20 ans de travail, de révéler les mystères de ce lac piégé depuis des millions d'années et qui pourrait, selon les chercheurs, receler des formes de vie encore inconnues.

Détecteur de neutrinos au Pole Sud géographique ( Base américaine Amoudsen-Scott )

Lancé à l'initiative de l'université du Wisconsin à Madison et financé à hauteur de la coquette somme de 295 millions de dollars par la National Science Foundation (NSF) des Etats-Unis en association avec plusieurs universités européennes de Suède, de Belgique, d'Allemagne, du Royaume-Uni et des Pays-Bas, IceCube

est de loin le projet le plus ambitieux et le plus coûteux actuellement en cours en Antarctique.

Les neutrinos

Enfoui profondément dans la calotte glaciaire de l'Est antarctique, un gigantesque détecteur de neutrinos de haute énergie, dont l'achèvement est prévu pour 2009, pourrait fournir aux scientifiques, européens compris, une fenêtre

Les neutrinos sont des particules élémentaires, de masse pratiquement nulle, qui sont engendrées par des réactions nucléaires. Tandis que le Soleil et autres phénomènes approchants produisent des neutrinos de basse énergie, les neutrinos de haute énergie sont produits par des cataclysmes cosmiques lointains et extrêmement violents tels que les trous noirs, les supernovas et le Big Bang.

sans précédent sur l'Univers de même qu'un outil pour répondre à certaines des

Une fois engendrés par ces cataclysmes cosmiques, les neutrinos se déplacent à une vitesse proche de la lumière et ne s'arrêtent pas. Leur masse étant virtuellement nulle, ils n'interagissent que très rarement avec d'autres particules, ce qui leur permet de se déplacer en ligne droite jusqu'aux frontières de l'Univers, traversant les étoiles, les planètes, de vastes champs magnétiques et des galaxies entières comme si ceux-ci n'existaient pas. Des trillions de neutrinos traversent la Terre toutes les nanosecondes et pour les astrophysiciens, chacune de ces particules infimes constitue un messager potentiel transportant des informations sur son origine.

Le problème qui se pose toutefois aux scientifiques est que les propriétés mêmes qui permettent aux neutrinos de transporter ces informations les rendent notoirement difficiles à détecter. Heureusement, il arrive qu'à de rares occasions, un neutrino de haute énergie entre en collision avec un atome. La collision désintègre le noyau de celle-ci et le neutrino se transforme en une autre particule appelée muon. Le muon ainsi créé continue son déplacement sur une trajectoire identique à celle du neutrino et peut être reconnu grâce au cône de lumière bleue qu'il engendre. Connu sous le nom de radiation de Tcherenkov, ce cône peut être comparé aux ondes produites dans l'air traversé par une balle.

IceCube

Toutefois, pour avoir la chance de détecter une telle collision en apercevant la radiation de Tcherenkov laissée dans son sillage par le muon, les scientifiques doivent pouvoir surveiller un volume gigantesque d'une substance qui soit à la fois parfaitement transparente et plongée dans l'obscurité. La création d'un tel détecteur a été tentée pour la première fois au début des années 1980 au large de Hawaii en plongeant des détecteurs dans les profondeurs de l'océan. Malheureusement, l'expérience fut perturbée par l'imprévisibilité des conditions météorologiques et l'instabilité de la mer.

Ce n'est que quelques années plus tard que l'on imagina que la glace serait la solution idéale. Prolongement du détecteur antarctique de muons et de neutrinos de première génération AMANDA (Antarctic Muon and Neutrino Detector), IceCube, lorsqu'il sera achevé, sera constitué de 5 000 détecteurs photomultiplicateurs enchâssés dans 1 km³ de la calotte glaciaire antarctique entre 1 400 à 2 400 mètres de profondeur sous le pôle Sud: un environnement non seulement plongé dans l'obscurité, mais où la pression est si forte que toutes les bulles d'air et autres éléments perturbateurs ont été expulsés de la glace qui présente ainsi la clarté du cristal.

Une fois mis en place, les détecteurs photomultiplicateurs agiront comme de puissants capteurs pour détecter les traînées engendrées par la radiation de Tcherenkov des muons, amplifier ces faibles signaux plus d'une centaine de millions de fois et envoyer ceux-ci vers la surface où ils seront traités par ordinateur. Sur la base de cette information, les scientifiques calculeront la direction d'où provient le neutrino initial et l'endroit dans l'espace où ils pourront trouver l'événement cosmique qui l'a engendré. Dès qu'ils auront localisé l'événement, ils seront en mesure de l'étudier directement.

Une fenêtre sur l'univers

D'après Francis Halzen, professeur à l'université du Wisconsin et directeur de recherche des projets AMANDA et IceCube, l'aspect le plus extraordinaire de IceCube n'est pas tant les réponses que ce projet est susceptible d'apporter aux questions que nous nous posons aujourd'hui au sujet des trous noirs, des supernovas, du Big Bang, de la matière noire et du futur de l'Univers, mais le fait que par le passé, à chaque fois que des astronomes ont ouvert une nouvelle fenêtre sur le cosmos, ils ont découvert des choses dont ils ne soupçonnaient même pas l'existence.