Comment Mars a obtenu deux visages
Un corps céleste de la taille de la Lune qui s'est écrasé sur le p?le Sud : des chercheurs de l'ETH montrent, gr?ce à une simulation, pourquoi Mars est constituée de deux hémisphères si différents.
Aucune autre planète de notre système solaire ne présente deux moitiés aussi différentes que Mars. L'hémisphère nord est caractérisé par des plaines peu volcaniques, l'hémisphère sud par de vastes plateaux parsemés d'innombrables volcans. Il existe certes des théories et des suppositions sur l'origine de cette dichotomie martienne très discutée, mais peu de réponses définitives. Avec Giovanni Leone, des géophysiciens de l'ETH Zurich proposent une nouvelle explication. Leone est le premier auteur d'un article qui vient de para?tre dans la revue spécialisée "Geophysical Research Letters".
A l'aide d'un modèle informatique, les scientifiques sont parvenus à la conclusion qu'au début de l'histoire du système solaire, un grand corps céleste a d? s'écraser sur le p?le sud de Mars. Leur simulation montre que cet impact a généré une énergie telle qu'il a créé un océan de magma de l'ampleur de l'hémisphère sud actuel. Le corps de l'impact devait représenter au moins un dixième de la masse de Mars. La roche liquide s'est finalement solidifiée pour former les hautes terres montagneuses qui constituent l'actuel hémisphère sud de Mars.
Le volcanisme s'est arrêté il y a 3,5 milliards d'années
Dans leur simulation, les scientifiques sont partis du principe que le corps céleste était majoritairement composé de fer, qu'il avait un rayon d'au moins 1600 kilomètres et qu'il a percuté Mars à une vitesse de cinq kilomètres par seconde. Moment de l'événement : environ 4 à 15 millions d'années après la formation de la planète rouge. La cro?te martienne devait alors être très fine, comme la surface dure et caramélisée d'une crème catalane. Sous cette couche se cachait un intérieur liquide, comme dans ce dessert très apprécié.
Le corps d'impact n'a pas seulement ajouté de la masse à Mars, surtout du fer. Il a également déclenché une forte activité volcanique. Suite à l'impact, de nombreux "panaches mantelliques" se sont formés, notamment autour de l'équateur, et se sont déplacés vers le p?le sud où ils se sont unifiés. Les panaches mantelliques sont des colonnes de magma qui transportent des matériaux liquides du manteau vers la surface.
Dans le modèle des chercheurs, Mars se repose il y a 3,5 milliards d'années. Après cette date, la planète rouge n'a connu ni volcanisme ni champ magnétique - ce qui concorde avec les observations et les mesures.
Des modèles proches de la réalité
Les théories précédentes disaient le contraire : qu'il devait y avoir un impact gigantesque ou plusieurs impacts plus petits dans l'hémisphère nord. La théorie la plus importante sur l'origine de la dichotomie martienne a été formulée par deux chercheurs américains en 1984 dans un article de la revue Nature. Ils partaient du principe qu'un grand corps céleste avait percuté Mars au p?le nord. En 2008, une autre équipe a repris ces idées et les a à nouveau publiées dans Nature.
Cette théorie n'a pas convaincu Leone : "Nos scénarios concordent mieux avec un grand nombre d'observations de Mars que la théorie d'un impact dans l'hémisphère nord", souligne-t-il. Sur Mars, les volcans sont répartis de manière très inégale. Dans l'hémisphère sud, ils sont fréquents et très répandus, mais dans l'hémisphère nord, ils sont rares et limités à quelques petites zones. "Notre modèle reproduit la répartition réelle du volcanisme de manière presque congruente", souligne Leone. Aucun autre modèle n'a pu reproduire ou expliquer cette répartition jusqu'à présent.
Leur simulation est également en mesure de reproduire de manière réaliste la topographie différente des deux hémisphères, explique Leone. Ainsi, selon la composition choisie pour le corps d'impact, le modèle reproduit presque parfaitement l'étendue et la forme des hémisphères. Pour cela, il faut que le corps impactant contienne 80 pour cent de fer. Si les chercheurs simulent l'impact avec un corps composé de roche siliceuse pure, l'image de la dichotomie ne correspond pas à la réalité.
Le champ magnétique fait pencher la balance
Enfin, le modèle des chercheurs de l'ETH confirme le moment où le champ magnétique de Mars a été annihilé. Le moment calculé par le modèle correspond à environ 4,1 milliards d'années avant notre époque, ce que d'autres scientifiques avaient déjà démontré auparavant. Le modèle montre également la raison de l'arrêt : la chute brutale du flux de chaleur du noyau vers le manteau et la cro?te au cours des 400 premiers millions d'années après l'impact. Après un milliard d'années, le flux de chaleur ne représentait plus qu'un dixième de la valeur initiale - trop peu pour maintenir le volcanisme. Les calculs du modèle concordent bien avec les calculs et les études minéralogiques effectués jusqu'à présent.
Selon Leone, le volcanisme sur Mars était lié au flux de chaleur. Le degré de volcanisme peut toutefois varier dans la simulation et est influencé par la force de l'impact. Celui-ci serait à son tour lié à la taille et à la composition du corps céleste. Plus celui-ci est gros, plus l'activité volcanique est forte. Mais après un milliard d'années, les cheminées volcaniques s'éteignent, indépendamment de la taille de l'impact.
Pour Giovanni Leone, il est de plus en plus clair que Mars a toujours été une planète extrêmement hostile à la vie. Il estime qu'il est presque impossible que des océans ou des cours d'eau y aient jamais existé. "Avant que cette planète ne devienne l'endroit froid et sec qu'elle est aujourd'hui, elle était caractérisée par une forte chaleur et par le volcanisme, ce qui aurait fait s'évaporer l'eau éventuelle et rend l'apparition de la vie très improbable", est convaincu le planétologue.
Référence bibliographique
Leone G, Tackley PJ, Gerya TV, May DA, Zhu G (2014). Simulations three-dimensionnelles de l'hypothèse d'impact du géant polaire sud pour l'origine de la dichotomie martienne, Geophys. Res. Lett., 41, doi :page externe10.1002/2014GL062261