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Mission InSight : l’ISAE-SUPAERO révèle les résultats de ses travaux de recherche sur la planète Mars

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Lancée par la NASA en mai 2018, la mission InSight poursuit l’objectif d’étudier la structure interne de la planète Mars grâce au sismomètre SEIS. Le modèle de bruit de cet instrument avait été réalisé par l’ISAE-SUPAERO ainsi que la spécification du logiciel scientifique qui permet de l’exploiter. Après une dizaine de séismes détectés sur Mars par le sismomètre SEIS, l’équipe internationale de la mission InSight dévoile aujourd’hui la structure interne de Mars. Trois études, publiées le 23 juillet dernier dans la revue Science, révèlent ainsi, pour la première fois, une estimation de la taille du noyau, de l’épaisseur de la croûte et de la structure du manteau de la planète rouge. Parmi les nombreux co-auteurs, deux chercheurs et un doctorant de notre Institut - Raphaël Garcia, Mélanie Drilleau et Nicolas Compaire - collaborent à ce projet d’exploration d’envergure par la sismologie qui permet de franchir une étape importante dans la compréhension de la formation et de l’évolution thermique de Mars.

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Artist’s view of the internal structure of Mars (© IPGP/David Ducros)

Un déploiement réussi du sismomètre SEIS

Avant la mission InSight de la NASA, la structure interne de Mars était encore mal connue. Les modèles ne reposaient que sur des mesures recueillies par les satellites en orbites ou l’analyse des météorites martiennes retombées sur Terre. L’épaisseur de la croûte, avec les seules mesures de gravité et de topographie, était estimée entre 30 et 100 km. Les valeurs du moment d’inertie et de la densité de la planète suggéraient un noyau avec un rayon entre 1400 et 2000 km. Les détails de la structure interne de la planète et la profondeur des frontières entre croûte, manteau et noyau, étaient, eux, complètement inconnues.

Avec le succès du déploiement de l’expérience SEIS à la surface de Mars début 2019, les scientifiques de la mission (18 co-auteurs français impliqués et affiliés à de nombreuses institutions et laboratoires dont 3 de l’ISAE-SUPAERO, et leurs collègues de l’ETH de Zurich, de l’Université de Cologne et du Jet Propulsion Laboratory de Pasadena), ont collecté et analysé les données sismiques d’une année martienne (soit presque deux ans terrestres). 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 (InSight).

« Le sismomètre SEIS nous fait parvenir des enregistrements continus du mouvement du sol martien dans lesquels les tremblements de Mars apparaissent comme des petites périodes de fortes vibrations de la surface de la planète. Fortes, en comparaison aux infimes vibrations que l’on enregistre entre les séismes. Ces infimes vibrations sont porteuses d’un très grand nombre d’informations sur le sous-sol martien. Appelées « bruit sismique », elles nous ont notamment permis de sonder la structure de la croûte martienne sous le sismomètre SEIS jusqu’à son interface avec le manteau. Une fois la structure de la croûte connue sous le sismomètre, on peut construire des modèles de croûte à l’échelle de la planète entière à partir du champ de gravité et de la typographie martienne », explique Nicolas Compaire, Doctorant en planétologie au sein de notre Institut et en charge de l’analyse des données du sismomètre SEIS pour la détermination de la structure interne de Mars.

Une croûte altérée, un manteau dévoilé et un grand noyau liquide

En comparant les comportements des ondes sismiques, lors de la traversée de la croûte avant d’atteindre la station Insight, plusieurs discontinuités dans la croûte ont été identifiées : 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 croute sous InSight.

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 vitesses sont liées à la température.

Dans la troisième étude, les scientifiques ont recherché les ondes réfléchies par la surface du noyau martien, dont la mesure du rayon est un des principaux résultats de la mission InSight.
« Les enregistrements du déplacement du sol produits par les plus puissants séismes martiens indiquent la présence d’ondes réfléchies sur le noyau de Mars. L’amplitude de ces ondes confirme que le noyau est liquide. De plus, le temps de trajet entre le séisme et le sismomètre SEIS permet quant à lui d’estimer la taille du noyau, qui a un rayon compris entre 1790 et 1870 km. Ces valeurs suggèrent un noyau plus gros, et ayant une densité plus faible que les valeurs prédites par d’autres méthodes géophysiques », explique Raphaël Garcia, professeur en géophysique planétaire au sein de notre Institut et en charge de la détection et de l’analyse des ondes sismiques réfléchies sur le noyau de Mars.

Mélanie Drilleau, ingénieure-chercheuse en géophysique également sur le campus de l’ISAE-SUPAERO et en charge de contraindre la structure interne de Mars explique que « Pour atteindre ce résultat, nous avons testé plusieurs milliers de modèles de manteau et de noyau par rapport aux phases et signaux observés ».
Malgré les faibles amplitudes des signaux associés aux ondes réfléchies (appelées ScS), un excès d’énergie est observé pour les noyaux avec 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.

Objectifs atteints, et de nouvelles questions émergent

Après plus de deux ans de surveillance sismique martienne, le premier modèle de la structure interne de Mars est obtenu, et ce 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. « Grâce à la mission InSight et à des ondes sismiques générées par des tremblements de Mars, nous avons pu contraindre l’épaisseur de la croûte sous le sismomètre SEIS, estimer le profil de vitesses sismiques dans le manteau et déterminer la taille du noyau. Ce sont des informations extrêmement précieuses qui vont nous aider à comprendre pourquoi Mars et la Terre ont évolué de façon si différente, alors qu’elles sont voisines », poursuit Mélanie Drilleau.

Et comme souvent en exploration planétaire, ce sont de nouvelles questions qui sont désormais soulevées : 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 les premiers 500 millions d’années où Mars avait de l’eau liquide à sa surface et un fort volcanisme ?

« Ces résultats posent de nouvelles questions sur la composition du manteau et du noyau martien, et donc sur les processus de formation et d’évolution des planètes. La compréhension de ces processus est la clé pour comprendre pourquoi certains mondes sont habitables alors que la plupart ne le sont pas. Après des années d’observation de la surface de Mars, pour la première fois nous soulevons le capot de la planète et découvrons comment est faite la machine thermique de la planète rouge. » conclut Raphaël Garcia.
Avec la prolongation de deux ans de la mission InSight, de nouvelles données consolideront et amélioreront encore ces modèles.

Retrouvez plus d’informations :

Conférence de Mélanie Drilleau sur les premiers résultats scientifiques de l’analyse des données de Mars
Première année de la mission martienne InSight : des résultats scientifiques surprenants

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