A partir des informations issues d'une dizaine de séismes détectés sur Mars par le sismomètre Very Broad Band SEIS, développé en France, l'équipe internationale de la mission InSight de la NASA a dévoilé la structure interne de Mars. Les trois articles publiés le 23 juillet 2021 dans la revue Science , impliquant de nombreux co-auteurs d'institutions et de laboratoires français, dont le CNRS, l'Institut de Physique du Globe de Paris, et Université de Paris, et soutenu notamment par l'agence spatiale française CNES et l'Agence nationale de la recherche française ANR, apporter, pour la première fois, une estimation de la taille du noyau de la planète, l'épaisseur de sa croûte et la structure de son manteau, basé sur l'analyse des ondes sismiques réfléchies et modifiées par des interfaces à l'intérieur. Cela en fait la toute première exploration sismique de la structure interne d'une planète terrestre autre que la Terre, et une étape importante vers la compréhension de la formation et de l'évolution thermique de Mars.

Avant la mission InSight de la NASA, la structure interne de Mars était encore mal comprise. Les modèles étaient basés uniquement sur les données recueillies par les satellites en orbite et sur l'analyse des météorites martiennes tombées sur Terre. Sur la base des seules données gravimétriques et topographiques, l'épaisseur de la croûte était estimée entre 30 et 100 km. Les valeurs du moment d'inertie et de la densité de la planète suggèrent un noyau avec un rayon de 1, 400 à 2, 000 km. La structure interne détaillée de Mars et la profondeur des frontières entre la croûte, le manteau et le noyau étaient, cependant, complètement inconnu.

Avec le déploiement réussi de l'expérience SEIS à la surface de Mars début 2019, les scientifiques de la mission, dont les 18 co-auteurs français impliqués et affiliés à un large éventail d'institutions et de laboratoires français, avec leurs collègues de l'ETH à Zurich, l'Université de Cologne et le Jet Propulsion Laboratory de Pasadena, collecté et analysé des données sismiques sur une année martienne (presque deux années terrestres).

Il est à noter que pour déterminer simultanément un modèle structurel, l'heure (d'arrivée) d'un séisme, et sa distance, plus d'une station est généralement nécessaire. Cependant, sur Mars, les scientifiques n'ont qu'une seule station, Aperçu. Il a donc fallu rechercher dans les enregistrements sismiques les traits caractéristiques des ondes ayant interagi de diverses manières avec les structures internes de Mars, et les identifier et les valider. Ces nouvelles mesures, couplée à une modélisation minéralogique et thermique de la structure interne de la planète, ont permis de s'affranchir de la limitation d'avoir une seule station. Cette méthode inaugure une nouvelle ère pour la sismologie planétaire.

Une seule gare, résultats multiples

Une autre difficulté sur Mars est sa faible sismicité et le bruit sismique généré par son atmosphère. Sur Terre, les tremblements de terre sont beaucoup plus forts, tandis que les sismomètres sont plus efficacement situés dans des voûtes ou sous terre, permettant d'obtenir une image précise de l'intérieur de la planète. Par conséquent, une attention particulière doit être portée aux données. "Mais bien que les séismes martiens aient une magnitude relativement faible, moins de 3,5, la très haute sensibilité du capteur VBB combinée au très faible bruit à la tombée de la nuit nous a permis de faire des découvertes qui, il y a deux ans, nous pensions n'être possibles qu'avec des tremblements de terre d'une magnitude supérieure à 4, " explique Philippe Lognonné, professeur à l'Université de Paris et chercheur principal pour l'instrument SEIS à l'IPGP.

Tous les jours, les données, traitées par le CNES, IPGP et CNRS, et transféré aux scientifiques, a été soigneusement nettoyé des bruits ambiants (vent et déformation liés aux changements rapides de température). L'équipe internationale Mars Quake Service (MQS) a enregistré quotidiennement les événements sismiques :plus de 600 ont été répertoriés, dont plus de 60 ont été causés par des tremblements de terre relativement éloignés.

Une dizaine de ces derniers contiennent des informations sur la structure profonde de la planète :« Les ondes sismiques directes d'un tremblement de terre sont un peu comme le son de nos voix dans les montagnes :elles produisent des échos. Et c'étaient ces échos, réfléchi sur le noyau, soit à l'interface croûte-manteau ou encore à la surface de Mars, que nous cherchions dans les signaux, grâce à leur similitude avec les ondes directes, " explique Lognonné.

Une croûte altérée, un manteau révélé, et un gros noyau liquide

En comparant le comportement des ondes sismiques lorsqu'elles traversaient la croûte avant d'atteindre la station InSight, plusieurs discontinuités dans la croûte ont été identifiées :La première, observé à une profondeur d'environ 10 km, marque la frontière entre une structure très altérée, résultant d'une circulation de fluide il y a très longtemps, et une croûte qui n'est que légèrement altérée. Une seconde discontinuité vers 20 km plus bas, et un troisième, un moins prononcé à environ 35 km, éclairer la stratification de la croûte sous InSight :« Pour identifier ces discontinuités, nous avons utilisé toutes les méthodes analytiques les plus récentes, aussi bien avec des séismes d'origine tectonique qu'avec des vibrations causées par l'environnement (bruit sismique), " dit Benoit Tauzin, Maître de Conférences à l'Université de Lyon et chercheur au LGL-TPE.

Dans le manteau, les scientifiques ont analysé les différences entre le temps de parcours des ondes produites directement lors du séisme, et celle des ondes générées lorsque ces ondes directes se sont réfléchies sur la surface. Ces différences ont permis, en utilisant une seule station, déterminer la structure du manteau supérieur, et en particulier la variation des vitesses sismiques avec la profondeur. Cependant, de telles variations de vitesse sont liées à la température. "Cela signifie que nous pouvons estimer le flux de chaleur de Mars, qui est probablement trois à cinq fois inférieure à celle de la Terre, et poser des contraintes sur la composition de la croûte martienne, qui contiendrait plus de la moitié des éléments radioactifs producteurs de chaleur présents dans la planète, " ajoute Henri Samuel, chercheur CNRS à l'IPGP.

Finalement, dans la troisième étude, les scientifiques ont recherché des ondes réfléchies par la surface du noyau martien, dont la mesure du rayon a été l'une des principales réalisations de la mission InSight. "Pour faire ça, " explique Mélanie Drilleau, ingénieur de recherche à l'ISAE-SUPAERO, "nous avons testé plusieurs milliers de modèles de manteau et de noyau par rapport aux phases et aux signaux observés." Malgré les faibles amplitudes des signaux associés aux ondes réfléchies (appelées ondes ScS), un excès d'énergie a été observé pour les noyaux de rayon compris entre 1, 790 km et 1, 870 km. Une taille aussi importante implique la présence d'éléments légers dans le cœur liquide et a des conséquences majeures sur la minéralogie du manteau à l'interface manteau/noyau.

Objectifs atteints, de nouvelles questions émergent

Plus de deux ans de surveillance sismique ont abouti au tout premier modèle de la structure interne de Mars, jusqu'au cœur. Mars rejoint ainsi la Terre et la Lune dans le club sélect des planètes telluriques et des lunes dont les structures profondes ont été explorées par les sismologues. Et, comme cela arrive souvent dans l'exploration planétaire, de nouvelles questions émergent :l'altération des 10 premiers kilomètres de croûte est-elle générale, ou est-il limité à la zone d'atterrissage d'InSight ? Quel impact auront ces premiers modèles sur les théories de la formation et de l'évolution thermique de Mars, en particulier pendant les 500 premiers millions d'années où Mars avait de l'eau liquide à sa surface et une intense activité volcanique ?

Avec la prolongation de deux ans de la mission InSight et la puissance électrique supplémentaire obtenue suite au nettoyage réussi de ses panneaux solaires réalisé par JPL, de nouvelles données devraient consolider et améliorer encore ces modèles.