Le 5 mai, l'atterrisseur "InSight" de la NASA a entrepris son voyage vers Mars. Il s'agit de la première mission dédiée à étudier la structure interne de la planète rouge et à répondre à quelques questions clés telles que :Pourquoi la Terre et Mars se sont-ils développés si différemment alors que leur structure d'origine et leur composition chimique semblent si similaires ? Large comment, épais et dense sont le noyau, manteau et croûte? Quelle est leur structure ? Les scientifiques espèrent obtenir des informations fondamentales sur la formation générale des planètes rocheuses telles que Mars, Terre, Mercure et Vénus.

Sismomètre pour conditions extrêmes

L'atterrisseur est équipé d'instruments géophysiques, en particulier un sismomètre spécial; après le débarquement fin novembre 2018, cet appareil enregistrera les vibrations sismiques et transférera les données vers la Terre.

Des chercheurs de l'ETH Zurich et du Service sismologique suisse, qui ont participé au développement de l'électronique du sismomètre (voir ETH News du 5 mai 2018), sera parmi les premiers à analyser et interpréter les données.

Les scientifiques de l'Institut de géophysique ont déjà commencé à préparer ces analyses. Sur le supercalculateur « Piz Daint » du Centre national suisse de calcul intensif (CSCS), les chercheurs ont calculé la propagation des ondes sismiques pour environ 30 modèles martiens différents.

Pour leur catalogue de modèles, les chercheurs ont consolidé toutes les connaissances disponibles sur la planète et les ont utilisées pour calculer les données sismiques synthétiques qui pourraient être reçues de Mars. Les scientifiques ont ensuite utilisé ces données pour effectuer un test à l'aveugle, dans lequel ils ont publié les données et invité des experts du monde entier à les interpréter afin d'échanger leurs connaissances et expériences dans ce domaine.

Code universel pour simuler des vagues

Pour étudier plus en détail l'influence de la structure 3D de la croûte de Mars, Martin van Driel, Chercheur senior à l'ETH Zurich, ondes sismiques simulées sur Mars avec Salvus, un code qu'il a développé à l'ETH avec ses collègues Michael Afanasiev, Lion Krischer et Christian Böhm. Ce code est flexible et peut être utilisé universellement pour des questions concernant la propagation des ondes dans différents milieux à différentes échelles.

Les simulations de Mars s'exécutent sur « Piz Daint » en temps réel le 7, 200 cœurs de calcul, ce qui signifie que les calculs prennent à peu près le temps nécessaire aux ondes sismiques pour traverser Mars. Selon la structure interne de la planète, les ondes se déplacent à des vitesses différentes et empruntent des itinéraires différents de la source au sismomètre. Le temps qu'il faut aux ondes pour traverser l'intérieur de Mars aidera les scientifiques à mieux comprendre la structure de la planète et les propriétés de la roche.

Avec environ 10 milliards de degrés de liberté et 300, 000 pas de temps, les scientifiques ont réussi à résoudre un problème considérablement important. "Sans un supercalculateur comme "Piz Daint", simuler un seul modèle sur un ordinateur portable aurait pris plus de deux ans, soit environ quatre fois plus longtemps que le voyage de l'atterrisseur vers Mars, " dit Böhm.

Visualisation au lancement de la mission

Les chercheurs ont visualisé l'une des simulations numériques dans une vidéo. Cela a été montré lors de la conférence de presse de la NASA pour le lancement de la fusée de la mission Mars. La visualisation montre comment les ondes se déplacent le long de la surface de Mars, en orbite autour de la planète et en passant l'atterrisseur trois fois. Van Driel explique qu'il est essentiel de mesurer les vagues sur chacune des trois passes, car cela permettra aux scientifiques de recueillir des informations sur la planète, identifier le moment et l'emplacement du séisme sur Mars, et de calculer sa structure approximative, le tout avec une seule station sismique. Cependant, l'amplitude de la troisième onde est inférieure d'un facteur dix; le sismomètre doit donc être suffisamment sensible et sophistiqué pour mesurer cela et le séisme doit avoir une magnitude d'au moins 4,5.

Sur Terre, les séismes de cette ampleur sont principalement générés par des processus de tectonique des plaques dans lesquels les plaques continentales ou océaniques entrent en collision ou glissent les unes sur les autres. Les scientifiques pensent actuellement que la tectonique des plaques n'est pas active sur Mars. Cependant, au cours des deux années, ils s'attendent à ce que les impacts ou contractions de météorites provoqués par le refroidissement de Mars produiront des événements sismiques suffisamment forts pour être observés par le sismomètre.

Des simulations préalables permettent d'évaluer les données

Comme les ondes sismiques sur Mars n'ont jamais été enregistrées avec un sismomètre aussi sensible, les simulations numériques sont le seul moyen de se préparer à l'évaluation des données de la mission NASA InSight.

« Nous utilisons les modèles calculés pour vérifier comment certaines structures, comme l'épaisseur de la croûte, influencer les mesures, " dit Böhm. Les modèles aident ainsi les chercheurs à vérifier leurs méthodes et à mieux comprendre les sismogrammes sur Mars. Bien que les données sismiques générées par les modèles semblent similaires aux données terrestres à première vue, les différences subtiles sont importantes. Les scientifiques doivent donc se familiariser avec ces nouvelles données et apprendre à les interpréter.

Afin de comprendre enfin la structure martienne, les chercheurs de l'ETH compareront les mesures réelles avec les données simulées. Pour ça, ils s'appuieront sur le catalogue de modèles de Mars pour voir si et comment la mesure change, en tenant compte des modèles, quelles sont les structures et ce que toutes les simulations ont en commun.