Des chercheurs de l’ISAE-SUPAERO contribuent aux nouvelles connaissances de la planète Mars

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Lancée par la NASA en mai 2018, la mission InSight a pour objectif d’étudier la structure interne de la planète Mars.

Son sismomètre SEIS, dont l’ISAE-SUPAERO a réalisé, sous la supervision du CNES et de l’IPGP (Institut de physique du globe de Paris-CNRS), le modèle de bruit et la spécification du logiciel scientifique permettant de l’exploiter, continue de révéler les secrets de la planète rouge.
Une équipe de recherche internationale impliquant des scientifiques de l’ISAE-SUPAERO et de différents organismes et équipes de recherche français viennent de publier dans les journaux Nature Geoscience et Journal of Geophysical Research – Planets des résultats scientifiques importants pour la compréhension de la formation et de l’évolution thermique de Mars.

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Le sismomètre livre les premières ondes sismiques et acoustiques provenant d’un impact de météorite sur Mars

À ce jour, le sismomètre embarqué sur InSight a ainsi identifié et localisé quatre impacts qui se sont produits à la surface de Mars. Pour cela, les ondes sonores émises par les impacts ont été détectées par les infimes déformations du sol qu’elles produisent lorsqu’elles passent au-dessus du sismomètre. Puis, les temps d’arrivée et la polarisation des ondes sismiques et acoustiques ont été utilisés pour estimer les emplacements des impacts.

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2 sources sismiques : leurs ondes se propagent vers le sismomètre / Image Credit NASAJPL- Caltech

Ces observations, qui sont les premières connues sur une autre planète que la Terre, ont été confirmées par l’imagerie orbitale des cratères associés. Les dimensions des cratères et les estimations des trajectoires des météorites permettent de comprendre et de modéliser les sismogrammes enregistrés. Par la connaissance de l’emplacement de ces sources, les impacts détectés permettent d’imager l’intérieur martien. Les premières arrivées des ondes sismiques confirment les modèles de la croûte précédemment déterminés.

« Connaître la structure de la croûte de Mars et son niveau d’hétérogénéité nous permet d’en apprendre plus sur son évolution au fil des années. Il faut comprendre que c’est au cœur de cette croûte que se concentrent les éléments radioactifs qui font fluctuer la thermique de la planète. Son niveau de fracturation nous renseigne également sur la capacité de la planète rouge à renouveler sa surface », explique Raphaël F. Garcia, professeur en géophysique planétaire à l’ISAE-SUPAERO et qui a coordonné cette étude.

Ces observations fournissent la première preuve au sol des relations d’échelle distance-amplitude des ondes sismiques générées par les impacts sur Mars. Elles confirment le lien entre le moment sismique des impacts et le moment vertical de l’impacteur. Ce développement démontre la capacité de la sismologie planétaire à estimer les taux d’impact et à imager la structure interne des objets planétaires du système solaire.

Ces analyses scientifiques, fruit d’une collaboration internationale entre chercheuses et chercheurs de différents laboratoires, sont publiées dans la revue Nature Geoscience.

« Dans le cadre de la mission InSight, obtenir des enregistrements d’impacts était le dernier objectif scientifique que nous n’avions pas encore rempli. Ces résultats prouvent qu’avec un seul sismomètre, nous sommes en capacité de sentir « vibrer » Mars, mais aussi d’entendre le bruit des explosions et donc de localiser les impacts. Cet instrument pourra être déployé sur d’autres planètes afin d’étudier leur structure interne. À ce titre, un des capteurs du modèle de rechange de SEIS s’envolera vers la face cachée de la Lune dans l’instrument Farside Seismic Suite (FSS) en 2025 », conclut Raphaël F. Garcia.

L’enregistrement de séismes permettent d’échographier l’intérieur de Mars

À partir d’une vingtaine de séismes détectés sur Mars par le sismomètre français, les travaux menés par la sismologue Mélanie Drilleau et de nombreux experts scientifiques permettent d’affiner les connaissances de l’intérieur de la planète rouge. Grâce aux enregistrements du sismomètre SEIS, les scientifiques ont pu mettre en place la base de données sismiques martienne la plus complète publiée à ce jour.

Ainsi, la majorité des séismes enregistrés proviennent d’une zone appelée Cerberus Fossae, où se situent de nombreuses failles sismiques qui sont très probablement la source de ces séismes. L’analyse des ondes sismiques qui se propagent à l’intérieur de la planète, d’une manière similaire à celle d’une échographie, a permis d’établir un modèle de structure de l’intérieur de Mars plus précis.

« Nous avons notamment estimé que la croûte martienne est compatible avec une roche de type gabbro, une roche magmatique qui est sur Terre le constituant principal de la croûte océanique », explique Mélanie Drilleau, ingénieure de recherche du CNRS à l’ISAE-SUPAERO. « Ces nouveaux travaux confirment également les découvertes réalisées l’an passé, et publiées dans la revue Science, notamment que l’intérieur de Mars est plus chaud de nos jours que dans le passé » explique Mélanie Drilleau, ingénieure de recherche du CNRS à l’ISAE-SUPAERO.

Cette étude, fruit d’une forte collaboration internationale impliquant cinq laboratoires français (ISAE-SUPAERO, Institut de physique du globe (CNRS/IPGP/Université Paris Cité), laboratoire de planétologie et géosciences (CNRS/Nantes Université/Université d’Angers), laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes, environnement (CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1), laboratoire J-L Lagrange (CNRS/Observatoire de la Côte d’Azur), ainsi que l’Observatoire Royal de Belgique, l’ETH Zurich et le Jet Propulsion Laboratory, vient d’être publiée dans la revue scientifique américaine Journal of Geophysical Research – Planets. Elle constitue un pas supplémentaire vers la compréhension de la formation et de l’évolution thermique de Mars.



Portraits de chercheurs

Raphaël F. Garcia : sonder le cœur des planètes

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Raphaël F. Garcia affirme très tôt son goût pour « une physique concrète, appliquée ». Son doctorat à l’Observatoire Midi-Pyrénées sur la sismologie du noyau terrestre en témoigne. Les ondes sismiques sont en effet un outil puissant pour sonder la structure interne des planètes. À partir des données des missions Apollo, le jeune chercheur proposera un modèle du noyau de la Lune. Il se fait par ailleurs une spécialité du couplage solide-atmosphère, un paramètre fondamental à prendre en compte pour distinguer les véritables signaux sismiques du bruit. Raphaël F. Garcia s’engage sur un projet majeur et international : InSight la première mission de géophysique martienne. Son principal instrument, le sismomètre SEIS, bénéficie de notre expertise. « Nous avons développé de nouveaux outils de couplage solide-atmosphère, qui constituent aujourd’hui l’état de l’art » souligne Raphaël F. Garcia. Ses travaux lui permettent de figurer parmi les cosignataires d’articles majeurs parus dans la revue Science en 2021, qui révèlent la structure interne de la Planète rouge.

Comment produit-on des résultats scientifiques sur une mission internationale avec la collaboration de plusieurs laboratoires internationaux ?

Raphaël F. Garcia : Le principe est de partager les analyses scientifiques des différents membres de l’équipe.

Les résultats que nous publions sont le fruit de l’action combinée notamment avec le "Mars Quake Service" qui détecte et établit une première analyse des évènements sismiques et en collaboration avec les spécialistes des imageurs (CTX, HiRISE) qui ont réalisé les vues des cratères.

Le plus palpitant pour vous dans ces recherches ?

Raphaël F. Garcia : Le moment où les équipes des imageurs en orbite confirment la localisation du cratère que vous avez donnée, l’instant où l’on obtient l’image du cratère qui a créé les signaux que vous avez analysés ! Une joie intense qui peut arriver quelques fois dans une carrière scientifique. Comme un panier de basket, ou un essai au rugby, dans la dernière minute d’une finale.



Mélanie Drilleau : parcours d’une chercheuse simologue

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Mélanie Drilleau a réalisé son doctorant en Géophysique à l’Université de Nantes sur la température et la minéralogie du manteau terrestre. Un sujet qui l’a ensuite conduite à explorer puis développer une expertise pour estimer les propriétés physiques des intérieurs des corps planétaires à partir des données géophysiques et notamment sismologiques.

La chercheuse est impliquée depuis 2014 dans la mission Insight. Elle détient un rôle clé dans le "Mars Structure Service" qui réunit une équipe de chercheurs internationaux travaillant sur l’évolution des connaissances de Mars grâce au sismomètre SEIS.

« Le plus palpitant est de faire partie des premiers scientifiques qui ont pu imager l’intérieur de la planète Mars, un peu comme les scientifiques l’ont fait pour la Terre au début du 20ᵉ avec les premières stations sismologiques. C’est passionnant de confronter les données fournies par le sismomètre à nos hypothèses scientifiques avant la mission InSight. »


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