Une nouvelle chronologie du champ magnétique global martien

Publié par Adrien le 20/05/2020 à 09:00
Source: CNRS INSU
De toutes les planètes que nous connaissons, Mars est sans doute celle qui a le plus de similitudes avec la Terre. Elle représente de ce fait un objet d'études privilégié pour beaucoup de planétologues. Âgée d'environ 4,5 milliards d'années, la planète rouge (Planète rouge (Red Planet) est un film américain réalisé par Antony Hoffman, sorti en 2000.) a perdu son champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une...) global assez tôt: on datait jusqu'à présent sa disparition à 4,1 milliards d'années. L'analyse des données (L’analyse des données est un sous domaine des statistiques qui se préoccupe de la description de données conjointes. On cherche par ces méthodes à donner les liens pouvant exister entre...) du satellite (Satellite peut faire référence à :) MAVEN a permis à une équipe de chercheurs canadiens, américains et français d'établir une nouvelle chronologie de son champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique global. Membre de cette équipe, Benoit Langlais, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant...) au laboratoire de planétologie (La planétologie est la science de l'étude des planètes. La discipline recouvre de nombreuses branches de la science ; son domaine d'étude s'étend des grains microscopiques jusqu'aux...) et géodynamique (LPG) à Nantes, nous décrypte cette découverte.


© VR2Planets/LPG

A quoi est dû le champ magnétique d'une planète ? Quelles sont ces implications ?

Il est dû à des mouvements de convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la cuisson des pâtes, l'eau se met en...), à très grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte...), et très profondément à l'intérieur de cette planète. La convection elle-même est liée soit à l'évacuation de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) accumulée lors de la formation de la planète (c'est ce qu'on appelle la convection thermique), soit à la remontée du liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) provoqué par la cristallisation du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus...) au centre de la planète (convection chimique). Ces mouvements dans un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines...) conducteur (le fer en fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de...) dans le noyau de la Terre) produisent un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces...), qui crée lui-même un champ magnétique. C'est l'effet dynamo (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en générateur électrique. Elle a été inventée en Belgique en 1869 par...). Comme les mouvements de convection sont aussi organisés par la rotation de la planète, la dynamo a tendance à être alignée sur l'axe de rotation d'une planète.

Si on voit un champ magnétique global dans une planète, cela veut donc dire qu'il y a des mouvements dans une couche fluide à l'intérieur de cette planète, et qu'elle est chaude. L'évacuation de cette chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !), vers le sommet du noyau, réchauffe ainsi le manteau. Mais même si ce manteau est solide, il va aussi se mettre à "convecter", pour évacuer la chaleur reçue du noyau. Ces mouvements s'intègrent dans la tectonique des plaques (La tectonique des plaques (d'abord appelée dérive des continents) est le modèle actuel du fonctionnement interne de la Terre. Elle est l'expression en surface de la convection qui...), qui se traduit à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...) par du volcanisme, un phénomène qui contribue grandement à alimenter l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) d'une planète. Comme en plus le champ magnétique global tient le rôle d'un bouclier, protégeant l'atmosphère contre le vent solaire (Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du Soleil. Pour les étoiles autres que le Soleil, on parle généralement de vent stellaire.) et ses effets, on comprend que le champ magnétique est très important.

Que savait-on du champ magnétique martien ?

En 1997, grâce au satellite (Satellite peut faire référence à :) MGS (Mars Global Surveyor), on a obtenu les toutes premières mesures orbitales qui nous ont fait comprendre que Mars n'a plus de champ magnétique global comme sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...). Il n'y a plus de dynamo, mais il y en a eu une dans le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps...), qui a été enregistrée par les roches de sa surface. La question était donc de savoir quand le champ a cessé de fonctionner.

Sur Mars, on ne peut pas faire de terrain comme sur Terre... mais on peut regarder de manière globale les anomalies magnétiques. Dans l'hémisphère sud (L'hémisphère sud ou hémisphère austral est la moitié du globe terrestre qui s'étend entre l'équateur et le pôle Sud. En astronomie, ce terme désigne la partie du ciel située au sud de l'équateur...), il y a des terrains très cratérisés et très anciens. Or ils ne montrent pas de champ magnétique crustal: on pensait donc que la dynamo s'était déjà arrêtée quand les cratères gigantesques s'étaient mis en place, c'est-à-dire il y a environ 4,1 milliards d'années. Cependant, ce scénario d'arrêt précoce de la dynamo ne permettait pas d'expliquer toutes nos autres observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) et ne nous satisfaisait donc pas complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de...).

Quelles sont les données qui changent la donne ?

Le satellite MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN), lancé en 2013, a mesuré le champ magnétique à une altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui...) plus basse que MGS. Nous avons travaillé sur des mesures acquises au-dessus d'une structure volcanique proche de l'équateur qu'on appelle "Lucus Planum (Planum (pluriel plana) est un mot d'origine latine qui désigne une surface plate, horizontale. Utilisé sur Mars pour décrire un haut plateau ou une plaine élevée. Ce type de...)". Cette structure est assez grande pour qu'on puisse la cartographier, estimer son épaisseur et également déterminer l'âge de la surface.

Il y a au-dessus de Lucus Planum une anomalie magnétique importante. Il est possible d'expliquer cette anomalie par une source se situant soit dans la structure volcanique, soit en dessous. Or on a aussi trouvé un minimum de champ magnétique au-dessus de cette structure, exactement au-dessus d'un cratère ( Pour le cratère d'origine volcanique, voir Cratère volcanique Pour le cratère d'origine météoritique, voir Cratère d'impact Pour le cratère formé à la suite d'un effondrement...) d'impact. Cet impact a localement détruit l'aimantation, et il est suffisamment profond pour avoir traversé toute la couche. On peut en déduire que le matériel aimanté se trouve nécessairement autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) du cratère, donc dans la structure volcanique formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement....) Lucus Planum. Ceci nous permet de la dater, en l'occurrence à 3,7 milliards d'années. Il est donc certain que la dynamo était toujours active à cette période. (A noter qu'on ne sait pas pour autant dater son arrêt !)

Comme nous avons aussi des indices sur l'épaisseur de la couche aimantée, environ 3km, cela signifie aussi que l'aimantation est très forte. Sachant que l'aimantation est proportionnelle au champ magnétique ancien, cela nous encourage à mener des études sur l'intensité du champ magnétique passé, qui aurait pu être 10 ou 100 fois plus intense que le champ terrestre.

En outre, la situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un...) précise de l'aimantation et son épaisseur sont des données très intéressantes pour effectuer des simulations numériques, car cela donnera des contraintes fortes sur les scénarios de formation et d'évolution de Mars.

Quel est l'intérêt de mieux connaitre la chronologie de ce champ magnétique ?

Mars est âgé d'environ 4,5 milliards d'années. Si la dynamo a fonctionné jusqu'à 3,7 plutôt que 4,1 milliards d'années, cela signifie que sa durée a été le double de ce qu'on estimait !

Cela apporte des débuts de réponse à des choses qu'on ne comprenait pas, comme le maintien d'une activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) volcanique à la surface qui nous semblait beaucoup trop importante pour la durée supposée de l'activité interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet...).

De plus, cela recoupe d'autres mystères de Mars à savoir: où sont passées son eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) et son atmosphère ?

En effet, il y a des liens importants entre champ magnétique, volcanisme, atmosphère et eau:

- La construction d'une atmosphère se fait principalement avec du volcanisme: les volatils qui sont à l'intérieur de la planète sont piégés dans le magma qui remonte. Quand les laves arrivent à la surface, cela libère des quantités d'eau et dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la formule...), qui créent l'atmosphère.

- On pense que le champ magnétique global est une protection contre l'échappement de l'atmosphère.

- Une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un...) importante d'eau liquide (et on sait que ça a été le cas sur Mars) implique une atmosphère relativement épaisse dans le passé.

Or cette eau a disparu. On ne la voit pas en quantité suffisante à la surface sous forme de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) dans les calottes polaires. Elle n'est pas dans l'atmosphère, puisque celle-ci n'est plus assez épaisse. On pense qu'elle s'est échappée dans l'espace. C'est dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le...) que MAVEN doit estimer la quantité d'eau qui a pu s'échapper de l'atmosphère martienne, depuis l'arrêt de la dynamo jusqu'à aujourd'hui. Pour ce faire, on comprend qu'il est nécessaire de tenir compte de la date d'arrêt de la dynamo.

Pourquoi le champ martien s'est-il arrêté de fonctionner ?

Probablement qu'il n'y avait plus de mouvements à l'intérieur. Le noyau est sans doute devenu trop froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.). Ou bien, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) s'est cristallisé (le fer solide ne peut pas rentrer en convection), ou encore la couche de fer liquide est devenue trop fine...

Nous apportons désormais un début de réponse sur le "quand". Des questions demeurent sur le "comment" et le "pourquoi": on espère que les modélisateurs vont utiliser cette nouvelle contrainte pour travailler sur de nouveaux modèles de convection, expliquant la durée plus longue et l'arrêt plus tardif de la dynamo...

Quelles sont nos autres pistes pour en savoir plus ?

Dans l'idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de...), il faudrait poser et déplacer un magnétomètre (Un magnétomètre est un appareil qui sert à mesurer l'aimantation d'un système. Il en existe différents types, basés sur des principes physiques différents. Les principaux sont:) à la surface, mais c'est techniquement très complexe. L'alternative serait de collecter des échantillons et analyser leur aimantation. On a bien quelques échantillons aimantés qui sont tombés sur Terre sous la forme de météorites, mais aucun échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) n'a jusqu'à lors été rapporté de Mars. C'est un des objets de la prochaine mission Mars 2020.

En attendant, nous pouvons également aller étudier d'autres zones avec les mesures satellitaires. C'est un travail fastidieux car il se fait à chaque fois à toute petite échelle. Mais nous avons commencé !

Quelles sont nos sources d'information ?

Ce sont essentiellement les satellites, situés au plus bas à 120-150 km d'altitude, qui embarquent pour certains (comme MAVEN et MGS) une suite instrumentale de magnétométrie, c'est-à-dire des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une aiguille…. On...) qui mesurent localement le champ magnétique produit par des sources situées sous la surface de Mars. On fait pareil autour de la Terre et d'autres planètes.

Le champ magnétique, c'est une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) avec une direction et intensité: il faut donc voler le plus près possible des sources car l'effet y est le plus important. Cela donne des infos sur la structure interne.

L'histoire magnétique d'une planète peut également être reconstituée en étudiant les roches aimantées qui se trouvent à la surface ou juste en dessous. Les minéraux magnétiques qu'elles contiennent sont des enregistreurs, surtout en contexte volcanique. Lorsque la lave (La lave est une roche en fusion, plus ou moins fluide, émise par un volcan lors d’une éruption. La lave est issue d'un magma, réserve...) se met en place, qu'elle se solidifie et que les roches refroidissent en présence d'un champ magnétique, certains minéraux, dont ceux contenant du fer, enregistrent l'intensité et la direction locale du champ magnétique, un peu comme l'aiguille d'une boussole (Une boussole est un instrument de navigation constitué d’une aiguille magnétisée qui s’aligne sur le champ magnétique de la Terre. Elle indique ainsi le nord magnétique, à ne pas confondre avec le nord...). En caractérisant ces roches, et leur date de formation, les scientifiques peuvent estimer si une dynamo était active au moment de leur mise en place. On peut le faire sur Mars.

Par ailleurs, il y a les résultats de la mission InSight qui s'est posée fin 2018 sur Mars. InSight a pu faire des mesures du champ magnétique, mais en un seul point (Graphie). Son magnétomètre a permis de confirmer au sol l'existence d'un champ magnétique crustal très important (dix ou cent fois plus fort que sur notre planète). Nous avons eu une petite surprise à la clé: les mesures prises montrent qu'on s'est trompé dans nos estimations d'un facteur de 10 (la valeur du champ mesuré est de 2000 nanoTesla au lieu des 200 prédits depuis l'orbite).

Référence:
Timing of the martian dynamo: New constraints for a core fied at 4.5 and 3.7 Ga,
A. Mittelholz, C.L. Johnson, J.M. Feinberg, B. Langlais, R.J. Phillips, Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris,...) Advances.
https://advances.sciencemag.org/content/6/18/eaba0513
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