Mission InSight: la structure de Mars dévoilée

Publié par Redbran le 26/07/2021 à 13:00
Source: CNRS
À partir d'une dizaine de séismes détectés sur Mars par le sismomètre très large bande SEIS, développé en France, l'équipe internationale de la mission InSight de la NASA dévoile la structure interne de Mars. Les trois études publiées le 23 juillet dans la revue Science, impliquant de nombreux co-auteurs d'institutions et laboratoires français, dont le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) du globe de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...), Université de Paris (L’Université de Paris était l’une des plus importantes et des plus...), et soutenues notamment par le CNES et l'ANR, révèlent, pour la première fois et grâce à l'analyse des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) sismiques, réfléchies et modifiées par ces interfaces internes, une estimation de la taille du noyau, de l'épaisseur de la croûte et de la structure du manteau. Il s'agit de la première exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) par la sismologie de la structure interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) d'une planète tellurique (Les planètes telluriques (du latin tellus, la terre, le sol), en opposition aux planètes...) autre que la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) et d'une étape importante pour comprendre la formation et l'évolution thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) de Mars.


Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités...) de la structure interne de Mars (© IPGP/David Ducros)

Avant la mission InSight de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de...), la structure interne de Mars était encore mal connue. Les modèles ne reposaient que sur des mesures recueillies par les satellites (Satellite peut faire référence à :) en orbites ou l'analyse des météorites martiennes retombées sur Terre. L'épaisseur de la croûte, avec les seules mesures de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) et de topographie, était estimée entre 30 et 100 km. Les valeurs du moment d'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa...) et de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...) suggéraient un noyau avec un rayon entre 1400 et 2000 km. Les détails de la structure interne de la planète et la profondeur des frontières entre croûte, manteau et noyau, étaient, eux, complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) inconnues.

Avec le succès du déploiement de l'expérience SEIS à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de Mars début 2019, les scientifiques de la mission, dont les 18 co-auteurs français impliqués et affiliés à de nombreuses institutions et laboratoires français, et leurs collègues de l'ETH de Zurich, de l'Université de Cologne (L'Université de Cologne (Universität zu Köln), fondée en 1388, est l'une des...) et du Jet Propulsion Laboratory (Le Jet Propulsion Laboratory (JPL), basé à Pasadena aux États-Unis, est une joint-venture entre...) de Pasadena, ont collecté et analysé les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) sismiques d'une année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) martienne (soit presque deux ans terrestres).

Il faut souligner que pour déterminer tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) à la fois un modèle de structure, le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) (d'arrivée) du séisme et sa distance, il faut habituellement disposer de plus d'une station. Or, sur Mars une seule station est à disposition des scientifiques, InSight. Il a donc fallu rechercher, identifier et valider dans les enregistrements sismiques, la signature d'ondes ayant interagi différemment avec les structures internes de Mars. Ces nouvelles mesures, couplées avec des modélisations minéralogiques et thermiques de la structure interne, ont permis de s'affranchir de la contrainte de station unique. Une méthode qui ouvre une nouvelle ère (Une nouvelle ère (1/2) et Une nouvelle ère (2/2) sont des épisodes de la série...) pour la sismologie planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire...).

Une seule station, de multiples résultats

Une autre difficulté martienne est sa faible sismicité et le bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) sismique généré par son atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :): sur Terre, les séismes sont bien plus forts et les sismomètres mieux installés, dans des caves ou sous terre, ce qui permet d'obtenir une image précise de l'intérieur de la planète. Il fallait donc porter une attention particulière aux données. "Mais même si les séismes martiens ont une magnitude relativement faible et inférieure à 3,5, la très grande sensibilité du capteur VBB et le bruit très faible en début de nuit nous ont permis d'aboutir aux découvertes que nous ne pensions possibles, il y a deux ans, qu'avec des séismes de magnitude plus grande que 4" précise Philippe Lognonné, professeur à Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Paris et responsable scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) de l'instrument SEIS à l'IPGP.

Les données, traitées et transmises par le CNES, l'IPGP et le CNRS, aux scientifiques, ont donc été quotidiennement et soigneusement nettoyées du bruit ambiant (vent et déformation liée aux changements rapides de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...),). L'équipe internationale du Mars Quake Service (MQS) a quotidiennement répertorié les évènements sismiques: plus de 600 ont été catalogués dont plus de 60 correspondent à des séismes relativement lointains.

Parmi ces derniers, une dizaine comportent des informations sur la structure profonde: "Les ondes sismiques directes d'un séisme sont un peu le son de notre voix en montagne, qui génère des échos. Et ce sont les échos de ces ondes, provenant d'une réflexion sur le noyau ou à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) croute-manteau ou même à la surface de Mars que nous avons recherchés dans les signaux grâce à leur similarité par rapport aux ondes directes" explique Philippe Lognonné.

Une croûte altérée, un manteau dévoilé et un grand noyau liquide

En comparant les comportements des ondes sismiques, lors de la traversée de la croûte avant d'atteindre la station Insight, plusieurs discontinuités dans la croûte ont été identifiées: une première, observée à environ 10 km de profondeur, marque la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque...) entre une structure très altérée, résultant d'une très ancienne circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) de fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) et une croûte peu altérée. Une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) discontinuité vers 20 km puis une troisième, moins marquée vers 35 km, révèlent la stratification de la croute sous InSight: "Nous avons utilisé toutes les méthodes d'analyse récentes, tant sur les séismes d'origine tectonique que sur les vibrations d'origine environnementale (le bruit sismique) pour identifier ces discontinuités" précise Benoit Tauzin, maître de conférence à l'Université de Lyon et chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) au LGL-TPE.

Dans le manteau, ce sont les différences entre le temps de parcours des ondes générées directement lors du séisme, et celui des ondes générées lors de la réflexion de ces ondes directes sur la surface qui ont été analysées. Ces différences permettent avec une seule station, de déterminer la structure du manteau supérieur, et notamment la variation des vitesses sismiques avec la profondeur. Or, ces variations de vitesses sont liées à la température. "Ceci nous permet d'estimer le flux de chaleur de Mars qui serait ainsi de trois à cinq fois plus faible que celui de la Terre, et d'émettre des contraintes sur la composition de la croûte martienne qui concentrerait plus de la moitié des éléments radioactifs producteurs de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) présents dans la planète", ajoute Henri Samuel, chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) CNRS à l'IPGP.

Enfin, dans la troisième étude, les scientifiques ont recherché les ondes réfléchies par la surface du noyau martien (Martien est un nom générique qui désigne plusieurs types de créatures...), dont la mesure du rayon est un des principaux résultats de la mission InSight. "Pour cela", explique Mélanie Drilleau, ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature...) de recherche à l'ISAE-SUPAERO, "nous avons testé plusieurs milliers de modèles de manteau et de noyau par rapport aux phases et signaux observés". Malgré les faibles amplitudes des signaux associés aux ondes réfléchies (appelées ScS), un excès d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) est observé pour les noyaux avec un rayon entre 1790 km et 1870 km. Une telle taille implique la présence d'éléments légers dans le noyau liquide et a des conséquences majeures sur la minéralogie du manteau à l'interface manteau/noyau.

Objectifs atteints, et de nouvelles questions émergent

Après plus de deux ans de surveillance sismique martienne, le premier modèle de la structure interne de Mars est obtenu, et ce jusqu'au noyau. Mars rejoint ainsi la Terre et la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du...) dans le club des planètes et satellites telluriques dont la structure profonde est explorée par la sismologie. Et comme souvent en exploration planétaire, ce sont de nouvelles questions qui sont soulevées: l'altération de la croûte sur les 10 premiers kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...) est-elle générale ou limitée à la zone d'atterrissage (L’atterrissage désigne, au sens étymologique, le fait de rejoindre la terre ferme....) d'InSight ? Quel sera l'impact de ces premiers modèles sur les théories de formation et d'évolution thermique de Mars, en particulier pour les premiers 500 millions d'années où Mars avait de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) liquide à sa surface et un fort volcanisme ?

Avec la prolongation de deux ans de la mission InSight et la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) électrique supplémentaire obtenue suite au nettoyage de ses panneaux réalisé par le JPL, des nouvelles données consolideront et amélioreront encore ces modèles.

À propos d'InSight et de SEIS

Le JPL gère la mission InSight pour le compte de la Direction des missions scientifiques de la NASA. InSight fait partie du programme Discovery (Le programme Discovery, lancé par la NASA comprend une séries de missions spatiales peu...) de la NASA, géré par le Marshall Space Flight Center (MSFC), établissement de la NASA à Huntsville, Alabama. Lockheed Martin (Lockheed Martin est une des principales entreprises américaines de défense et de...) Space à Denver a construit la sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des...) InSight, y compris son étage de croisière et son atterrisseur (Un atterrisseur (lander en anglais) désigne en dans le domaine de l'astronautique un engin...), et soutient l'exploitation de l'engin spatial pour la mission. Le CNES est le maître d'oeuvre de SEIS et l'Institut de physique du globe de Paris (Université de Paris/IPGP/CNRS) en assure la responsabilité scientifique. Le CNES finance les contributions françaises, coordonne le consortium international (*) et a été responsable de l'intégration, des tests et de la fourniture de l'instrument complet à la NASA. L'IPGP a conçu les capteurs VBB (Very Broad Band pour très large bande passante), les a testés avant leur livraison au CNES et contribue à l'opération des VBBs sur Mars.

Les opérations de SEIS et d'APSS sont menées par le CNES au sein du FOCSE-SISMOC, avec le soutien du Centro de Astrobiologia (Espagne). Les données de SEIS sont formatées et distribuées par le Mars SEIS Data Service de l'IPG Paris, dans le cadre du Service National d'Observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) InSight auquel contribue également le LPG et, pour les activités Sismo à l'Ecole, GéoAzur. L'identification quotidienne des séismes est assurée par le Mars Quake Service d'InSight, un service opérationnel collaboratif mené par ETH Zurich auquel contribuent également des sismologues de l'IPG Paris, l'Université de Bristol (L'université de Bristol (en anglais, University of Bristol) est une université anglaise,...) (UK) et Imperial College London (L’Imperial College London (officiellement The Imperial College of Science, Technology and...) (UK).

Plusieurs autres laboratoires du CNRS dont le LMD (CNRS/ENS Paris/Ecole polytechnique/Sorbonne Université), le LPG (CNRS/Université de Nantes/Université d'Angers), l'IRAP (CNRS/Université de Toulouse/CNES), le LGL-TPE (CNRS/Ecole normale supérieure de Lyon/Université Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le...) Lyon 1), l'IMPMC (Sorbonne Université/Museum national d'Histoire naturelle/CNRS) et LAGRANGE (CNRS/Université Côte d'Azur/Observatoire de la Côte d'Azur) participent avec l'IPGP et l'ISAE-SUPAERO aux analyses des données de la mission InSight. Ces analyses sont soutenues par le CNES et l'Agence nationale de la recherche dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) ANR MArs Geophysical InSight (MAGIS).

Note:
(*) en collaboration avec SODERN pour la réalisation des VBB, le JPL, l'École polytechnique fédérale de Zurich (ETH, Zürich Suisse), l'Institut Max Planck (Max Planck (né Max Karl Ernst Ludwig Planck le 23 avril 1858 à Kiel, Allemagne...) de Recherche du Système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le...) (MPS, Göttingen, Allemagne), l'Imperial College de Londres (Londres (en anglais : London - /?l?nd?n/) est la capitale ainsi que la plus grande ville...) et l'université d'Oxford ont fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι...) les sous-systèmes de SEIS et participent à l'exploitation scientifique de SEIS.


Bibliographie:
Upper mantle structure of Mars from InSight seismic data. A. Khan et al. Science, 23 juillet 2021. DOI: science.abf2966.
Thickness and structure of the martian crust from InSight seismic data. Brigitte Knapmeyer-Endrun et al. Science, 23 juillet 2021. DOI: science.abf8966.
Seismic detection of the Martian core. S.C. Stahler et al. Science, 23 juillet 2021. DOI: science.abi7730.

Contact:
- Emmelyne Mitard - Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) IPGP - mitard at ipgp.fr
- Priscilla Dacher - Responsable du bureau de presse du CNRS - priscilla.dacher at cnrs.fr
- Raphaël Sart - Presse CNES - raphael.sart at cnes.fr
- Katel Le Floc'h - Presse ANR - Katel.lefloch at anr.fr
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