Au début du xxe siècle, des géophysiciens ont dévoilé la structure interne et inaccessible de la Terre grâce à l’étude des ondes sismiques. Déclenchées par un tremblement de terre, ces ondes se propagent à travers la planète, changent de vitesse ou de direction quand elles arrivent à l’interface de deux couches de natures différentes. C’est ainsi que les spécialistes ont précisé les propriétés du noyau, du manteau et de la croûte terrestre, et ont posé les fondations de nos connaissances géologiques.

La structure interne des autres planètes du Système solaire est encore très mal connue. C’est tout l’enjeu de la mission InSight et de son sismomètre SEIS qui ont pour la première fois, et avec succès, cartographié l’intérieur de la planète Mars. Au sein d’une collaboration internationale, Philippe Lognonné, de l’université de Paris, de l’institut de physique du globe de Paris et responsable scientifique de SEIS, et ses collègues viennent de publier trois articles livrant une description inégalée de Mars. Une moisson de découvertes particulièrement riche qui détaille pour la première fois les propriétés du noyau, du manteau et de la croûte de la Planète rouge.

La mission InSight est arrivée sur Mars en novembre 2018 et l’instrument SEIS a commencé à recueillir des données en février 2019. Après plusieurs mois de fonctionnement, les géophysiciens ont présenté un certain nombre de résultats en 2020. La planète est bien soumise à des séismes, mais semble plus calme que prévu. Avec l’absence de tectonique des plaques, à la différence de la Terre, la majeure partie des vibrations détectées semble être due à une activité de faible profondeur localisée dans la région de Cerberus Fossae.

« Cerberus Fossae est connue des géologues pour son grand système de faille et son activité volcanique récente, âgée de quelques millions d’années », explique Adrien Broquet, de l’université de l’Arizona, qui a participé à l’étude. « Une autre source de sismicité interne serait liée au refroidissement de la planète qui entraîne un rétrécissement de sa surface et son tremblement. Pour finir, bien qu’ils n’aient pas encore été détectés, une petite fraction des séismes pourrait être d’origine externe et provoquée par des impacts de météorites. » La magnitude de tous ces événements reste modeste, inférieure à 3,7 (une personne ne sentirait de telles vibrations que si elle se trouvait à quelques kilomètres de l’épicentre).

La difficulté de n’avoir que des séismes de faible magnitude est qu’il est plus ardu d’en extraire de l’information. En outre, la surface de Mars est soumise à des vents importants qui génèrent du bruit dans les enregistrements du sismomètre. Pour limiter ces effets parasites, un bouclier éolien et thermique recouvre l’instrument pour l’isoler au maximum des conditions météorologiques. Le sismomètre a ainsi détecté plus de 600 séismes. La plupart sont issus des plaines volcaniques d’Elysium où s’est posée InSight.

InSight Mars sismomètre

Cette photo a été prise après l’atterrissage sur Mars de la sonde InSight et avant la mise en place au sol du sismomètre Seis (en rouge). Le bouclier éolien et thermique est visible au second plan (en blanc).

© Nasa/JPL-Caltech

Le premier résultat concerne la mesure du rayon du noyau martien et la caractérisation de son état. Pour ce faire, il était nécessaire d’enregistrer un signal sismique d’ondes qui rebondissent sur l’interface manteau-noyau. La collaboration a ainsi déterminé que le rayon du noyau fait environ 1 830 kilomètres (un peu plus de la moitié du rayon total de Mars) et que celui-ci est à l’état liquide. Cette valeur du rayon fait partie de la fourchette haute des estimations qui étaient généralement admises jusqu’à présent. Comme la masse du noyau était connue par ailleurs grâce à l’étude des mouvements de la planète, un noyau plus gros implique que sa densité est moins importante que prévu. L’alliage fer-nickel dont il est constitué est donc très enrichi en éléments plus légers tel que l’hydrogène, l’oxygène ou le carbone.

Une conséquence de la taille importante de ce noyau est que la région du plateau volcanique du dôme de Tharsis n’est pas visible pour InSight. En effet, les jeux de réflexions des ondes sismiques dans l’intérieur martien font que certaines régions du globe sont dans des « zones d’ombre » pour InSight. C’est le cas de Tharsis qui, d’un point de vue sismique, est probablement plus active que la plaine d’Elysium, mais qui est difficile d’accès pour un atterrissage. Cela pourrait potentiellement expliquer pourquoi l’activité sismique mesurée est plus faible que prévu.

Autre conséquence d’un noyau si gros, le manteau est moins épais et sa base n’atteint pas des pressions suffisantes pour former un type particulier de minéraux, une pérovskite nommée bridgmanite (qui représente les roches les plus abondantes dans le manteau inférieur de la Terre). « Des modèles d’évolution thermique de la planète Mars prévoyaient leur existence, souligne Adrien Broquet, et ont montré que leur forte viscosité et aspect isolant auraient limité les mouvements de convection, source des échanges de chaleur dans l’intérieur de la planète. Ainsi, l’absence de bridgmanite dans le manteau martien aurait donné lieu à une convection extrêmement vigoureuse mais brève, ce qui pourrait expliquer pourquoi Mars a perdu son champ magnétique global si rapidement. Or le déclin du champ magnétique martien a de fortes implications sur le maintien d’eau liquide à sa surface et son habitabilité. »

La perte rapide de chaleur dans le noyau martien a peut-être contribué à un effet dynamo plus important associé à un champ magnétique ancien plus intense que prévu. En l’occurrence, InSight est aussi équipée d’un magnétomètre qui a enregistré le champ magnétique rémanent à la surface de Mars. Quand la dynamo était encore active, lors de la formation de lave (pendant une éruption volcanique ou un impact de météorite), le champ magnétique a réorienté les minéraux, tel que la magnétite, de la roche fondue. Cette orientation a été conservée lorsque la lave s’est refroidie et durcie, laissant un champ magnétique rémanent. D’après les mesures d’InSight, ce dernier est dix fois plus important que les estimations faites par les sondes en orbite. La dynamo martienne pourrait ainsi avoir été aussi intense que l’actuelle dynamo terrestre.

Actuellement, le flux de chaleur à la surface de Mars serait cinq fois plus faible que sur Terre. La partie basse du manteau serait soumise à de lents mouvements de convection et serait constituée d’une lithosphère épaisse de 400 à 600 kilomètres (à comparer à 80 kilomètres sur Terre). La lithosphère est composée de la couche supérieure et rigide du manteau et de la croûte.

La mission InSight apporte également des informations sur la partie la plus superficielle de la planète rouge, la croûte. Juste en dessous du sismomètre, celle-ci consisterait en une couche de 10 kilomètres d’épaisseur très altérée et poreuse (probablement en lien avec l’activité de l’eau dans le passé martien). Reste à savoir si cette couche a une extension globale ou locale. Les chercheurs ont aussi identifié des discontinuités à 25 et 39 kilomètres de profondeur qui pourraient correspondre à la base de la croûte. Là encore, il est trop tôt pour dire laquelle correspond à la frontière avec le manteau ; mais ces résultats permettent d’ores et déjà d’écarter des modèles qui fixaient cette transition à près de 100 kilomètres de la surface.

L’équipe d’InSight espère encore récolter environ un an de données. Cela dépendra notamment de l’accumulation de poussière sur les panneaux solaires qui alimentent les instruments. Mais le succès de la mission encourage à se tourner vers d’autres corps du Système solaire : la Lune fait déjà l’objet de projets pour les années à venir, puis Titan et Europe, lunes de Saturne et Jupiter qui pourraient être aussi intéressantes.





Source [ Pour la science ]