Le 26 novembre, L'atterrisseur InSight de la NASA achèvera son voyage de six mois et demi vers Mars, atterrissant à Elysium Planitia, une vaste plaine près de l'équateur martien qui abrite la deuxième plus grande région volcanique de la planète.

Là, Les scientifiques de la NASA espèrent "donner à la planète rouge son premier bilan approfondi depuis sa formation il y a 4,5 milliards d'années, " selon le site Web de la mission InSight. Les missions précédentes ont examiné les caractéristiques en surface, mais de nombreuses signatures de la formation de la planète - qui peuvent fournir des indices sur la façon dont toutes les planètes terrestres se sont formées - ne peuvent être trouvées qu'en détectant et en étudiant ses "signes vitaux" loin sous la surface.

Pour vérifier ces signes vitaux, InSight sera équipé de deux ensembles d'instruments principaux :un sismomètre pour étudier comment les ondes sismiques (par exemple, des tremblements de terre et des impacts de météorites) voyagent à travers la planète et une "taupe" qui va s'enfouir dans le sol, traînant une attache avec des capteurs de température derrière elle pour mesurer comment les températures changent avec la profondeur de la planète. Ces instruments renseigneront les scientifiques sur la structure intérieure de Mars (de la même manière qu'une échographie permet aux médecins de « voir » à l'intérieur d'un corps humain) et également sur le flux de chaleur provenant de l'intérieur de la planète.

Les ingénieurs espèrent que la taupe atteindra une profondeur comprise entre trois et cinq mètres, suffisamment loin pour être isolée des fluctuations de température du jour et de la nuit et du cycle annuel de Mars à la surface au-dessus. Les compteurs peuvent ne pas sembler beaucoup, mais creuser aussi loin en utilisant uniquement des équipements pouvant être lancés sur un vaisseau spatial et contrôlés à une distance de 55 millions de kilomètres est un défi technique qui n'a jamais été tenté auparavant.

À l'aide d'un poids coulissant à l'intérieur de son corps étroit, la taupe, qui mesure 15,75 pouces (400 millimètres) de long et ne pèse que 1,9 livre (860 grammes), s'enfonce dans le sol, 1 mm à la fois, tout en faisant glisser une attache parsemée de 14 capteurs de température sur toute sa longueur. Une perceuse traditionnelle tentant d'effectuer la même tâche devrait être aussi longue que le trou qu'elle tentait de percer et aurait besoin d'une structure de support massive. S'il martelait continuellement, la taupe mettrait entre quelques heures et quelques jours pour atteindre sa profondeur finale, selon les caractéristiques du sol. Cependant, la taupe s'arrêtera tous les 50 centimètres pour mesurer la conductivité thermique du sol, un processus qui nécessite des périodes de refroidissement et de chauffage de plusieurs jours. Avec le temps supplémentaire nécessaire pour évaluer les progrès et envoyer de nouvelles commandes, la taupe pourrait prendre six semaines ou plus pour atteindre sa profondeur finale.

Lors de la conception de la sonde, ingénieurs au JPL, que Caltech gère pour la NASA, voulait être certain que la taupe serait capable d'atteindre la profondeur nécessaire, et ils ont donc fait appel à José Andrade de Caltech, George W. Housner Professeur de génie civil et mécanique à la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées et expert en physique des matériaux granulaires.

« Il y a environ cinq ans, quand la taupe restait coincée pendant les tests, l'équipe InSight a réuni ce qu'on appelle une « équipe du tigre », un groupe de spécialistes de différents domaines qui sont amenés à aider à résoudre un problème, " dit Andrade. " J'ai été appelé à faire partie de cette équipe de tigres en tant qu'expert en mécanique des sols. "

Parce que le sol est un matériau granulaire - un agglomérat de particules solides qui sont chacune plus grandes qu'un micromètre - il présente des propriétés quelque peu inhabituelles. Par exemple, le sol composé de particules rondes s'écoulera facilement lorsque les particules glissent les unes sur les autres, comme du sable dans un sablier. Mais un sol composé des mêmes tailles de particules mais avec des formes plus déchiquetées et angulaires se bloquera comme des pièces de puzzle et ne pourra pas s'écouler sans une force extérieure importante.

Les matériaux granulaires peuvent être décrits comme des objets singuliers qui se déformeront en fonction de leur plasticité à l'état critique - un modèle idéal de la façon dont des groupes de grains se forceront les uns les autres lorsqu'une contrainte leur sera appliquée. Cette plasticité est régie par la pression de l'air et la force de gravité. En tant que tel, il est difficile de simuler en laboratoire la plasticité à l'état critique d'un matériau granulaire sur Mars, qui a un tiers de la gravité et 0,6 pour cent de la pression atmosphérique de la Terre au niveau de la mer.

"Nous avons continué à essayer d'extrapoler comment la plasticité de l'état critique se traduirait par Mars, " dit Andrade. " Sans le savoir, nous n'avons pas pu modéliser efficacement la résistance à laquelle la taupe d'InSight serait confrontée lorsqu'elle tentait de percer le sol de Mars, et s'il pouvait atteindre la profondeur désirée. Donc, cela a suscité un besoin clair de plus de compréhension. »

Pour aider à étudier la pénétration de la taupe dans un matériau granulaire, Andrade et l'équipe InSight ont embauché le chercheur postdoctoral Ivan Vlahinic, qui avait récemment terminé un doctorat à l'Université Northwestern. Vlahinic a mis en place des tests dans lesquels les premières maquettes de la taupe ont été surveillées et analysées mathématiquement alors qu'elles se frayaient un chemin à travers une colonne de verre remplie de sable.

Andrade, Vlahinique, et leurs collègues ont découvert que la pression plus faible des morts-terrains de Mars, par rapport à la Terre, rendra en fait plus difficile la pénétration de la taupe dans le sol de Mars. La pression des morts-terrains est la pression sur une couche de roche ou de sable exercée par le matériau empilé au-dessus. À n'importe quelle profondeur donnée, la pression des morts-terrains sur Mars est un tiers de celle de la Terre, correspondant à la gravité inférieure de la planète rouge. Pour la même fraction d'emballage - la quantité d'espace rempli par le matériau - la basse pression permet aux matériaux granulaires d'exister dans un état plus lâche qui augmente en fait le nombre de contacts individuels que chaque grain a avec ses voisins, et cela augmente la résistance globale du matériau à la pénétration.

Les recherches de Vlahinic ont finalement été reprises par Jason Marshall, qui a obtenu un doctorat de l'Université Carnegie Mellon en 2014 et a travaillé comme chercheur postdoctoral à Caltech de 2015 à 2018.

"Nous n'avons pas seulement étudié la pénétration, mais aussi comment la chaleur se déplace dans le sol, " dit Marshall. " L'une des choses qu'InSight cherche à comprendre est comment la température de la planète change avec la profondeur. Ce que nous avons découvert, c'est que pendant que nous déformons le sable, les particules sont manifestement en train d'être réarrangées, et cela va affecter les mesures de conductivité thermique." Comme les matériaux granulaires se déforment, la quantité d'espace entre les grains individuels change, en ajustant la quantité d'espace à travers laquelle la chaleur rayonnera ou sera conduite via la mince atmosphère de la planète. Cela augmente également le nombre de contacts grain à grain car le sol est plus compact.

Avec cette connaissance, Andrade a pu développer de nouveaux modèles informatiques qui ont aidé l'équipe du JPL à prédire l'efficacité de la taupe dans le sol martien. A moins que la taupe ne rencontre un obstacle, il est persuadé qu'il réussira.

"Les tests montrent que cette chose peut aller beaucoup plus loin que deux mètres. Un dealbreaker pourrait être une grande formation rocheuse qui bloque le chemin de la taupe, mais l'équipe de sélection du site d'atterrissage d'InSight a choisi un emplacement sur Mars aussi dépourvu de roches que possible, " dit-il. De plus, armé des informations de Marshall sur l'effet du réarrangement des particules sur la conductivité thermique, InSight doit être bien placé pour non seulement atteindre la profondeur souhaitée, mais aussi renvoyer des informations précises sur la température à cette profondeur, dit Andrade.

Pour l'instant, Andrade et ses anciens post-doctorants ne peuvent que regarder et attendre. "Nous avons fait tout ce que nous pouvions ici sur Terre. Maintenant, c'est à InSight de décider, " il dit.