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La structure interne de Mars se dévoile

Le sismomètre SEIS à la surface de Mars.

Le sismomètre SEIS, qui accompagne l'atterrisseur InSight de la NASA, a été mis au point en France.

Photo : NASA/JPL-Caltech

Radio-Canada

Les données recueillies par le sismomètre SEIS, qui accompagne la mission InSight de la NASA à la surface de Mars, révèlent pour la première fois la taille du noyau, l’épaisseur de la croûte et la structure du manteau de la planète voisine de la Terre.

Illustration artistique de la structure interne de Mars dans laquelle il est possible de voir le noyau de plasma.

Illustration artistique de la structure interne de Mars

Photo : IPGP/David Ducros

Les informations contenues dans trois études publiées dans le magazine Science ont été récoltées à partir de l’enregistrement d'une dizaine de séismes détectés sur Mars.

Il s’agit de la première exploration par la sismologie de la structure interne d’une planète tellurique autre que la Terre et d’une étape importante pour comprendre la formation et l’évolution thermique de Mars, expliquent les scientifiques dans un communiqué.

La structure interne de Mars demeurait à ce jour mal comprise. Les modèles ne reposaient que sur des mesures recueillies par les satellites en orbite ou sur l’analyse des météorites martiennes retombées sur Terre, expliquent les chercheurs.

Jusqu’à maintenant, l’épaisseur de la croûte de Mars était estimée entre 30 km et 100 km et le rayon de son noyau entre 1400 km et 2000 km. La structure interne de la planète et la profondeur des frontières entre croûte, manteau et noyau demeuraient inconnues.

Grâce au déploiement de la mission InSight à la surface de Mars début 2019, les scientifiques de la mission ont collecté et analysé les données sismiques pendant deux ans.

Sur la Terre, il faut habituellement plus d’une station sismologique pour déterminer un modèle de structure, le temps d’arrivée du séisme et sa distance.

Comme les scientifiques ne disposent que d’une station sur Mars, ils ont dû 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 pour la sismologie planétaire, précise le communiqué.

Les informations recueillies ont été traitées quotidiennement et nettoyées du bruit ambiant (vent et déformation liée aux changements rapides de température).

Les scientifiques ont répertorié plus de 600 événements sismiques, dont plus de 60 correspondent à des séismes relativement lointains.

Une dizaine de ces séismes comportaient 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 croûte-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 de l’Institut de physique du globe de Paris.

Repères

Comme la Terre, Mars s'est formée à partir de poussières et d’amas de matériaux météoritiques en orbite autour du Soleil qui ont contribué à façonner les débuts du système solaire. Au cours des premières dizaines de millions d'années, la planète s'est séparée en trois couches distinctes : la croûte, le manteau et le noyau.

La structure interne

Les comportements des ondes sismiques, lors de la traversée de la croûte avant d’atteindre la station Insight, ont permis d’identifier plusieurs discontinuités dans la croûte :

  • Une première (observée à environ 10 km de profondeur) marque la séparation entre une structure très altérée, résultant d’une très ancienne circulation de fluide, et une croûte peu altérée.
  • Une seconde discontinuité, vers 20 km, puis une troisième moins marquée, vers 35 km, révèlent la stratification de la croûte.

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 vitesse sont liées à la température.

Cela 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 présents dans la planète, ajoute le Français Henri Samuel, également de l’Institut de physique du globe de Paris.

Un noyau liquide

Les scientifiques ont aussi recherché les ondes réfléchies par la surface du noyau martien, dont la mesure du rayon est un des principaux résultats de la mission InSight.

Malgré les faibles amplitudes des signaux associés aux ondes réfléchies, un excès d'énergie est observé pour un noyau d'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, explique Mélanie Drilleau, ingénieure à Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace de France.

Encore des questions

Ces trois études permettent donc de dresser un premier modèle de la structure interne de la planète jusqu’au noyau. Mars rejoint ainsi la Terre et la Lune dans le club des planètes et satellites telluriques dont la structure profonde est explorée par la sismologie, se réjouissent les scientifiques.

Mais ces nouvelles données soulèvent aussi bien des questions : l’altération de la croûte sur les 10 premiers kilomètres est-elle générale ou limitée à la zone d’atterrissage d’InSight? Quel sera l’impact de ces premiers modèles sur les théories de formation et d’évolution thermique de Mars, en particulier pour la première période de 500 millions d’années où Mars avait de l’eau liquide à sa surface et un fort volcanisme?

La mission InSight a été prolongée de deux ans, une période qui permettra de recueillir de nouvelles informations qui répondront peut-être à ces questions.

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