Pénétrer le noyau gr?ce aux tremblements de Mars

On sait que la Terre est composée de plusieurs couches : une fine cro?te de roches légères et solides est suivie d'un épais manteau de roches lourdes et visqueuses et, en dessous, du noyau de la Terre, composé en grande partie de fer et de nickel. est constituée. Une structure similaire avait été supposée pour Mars. "Maintenant, les données sismiques confirment notre point de vue selon lequel Mars est une planète différenciée, qui a probablement été entièrement fondue à une époque et s'est divisée en une cro?te, un manteau et un noyau - avec une composition différente comme sur Terre", explique Amir Khan, scientifique à l'Institut de géophysique de l'ETH Zurich et à l'Institut de physique de l'Université de Zurich. Il a analysé, avec son collègue de l'ETH Simon St?hler et une équipe internationale, les données de la mission InSight de la NASA, à laquelle l'ETH Zurich participe sous la direction du professeur Domenico Giardini.

Les résultats des chercheurs sont publiés aujourd'hui dans trois articles de la revue "Science". Selon eux, la cro?te martienne située sous le site d'atterrissage de la sonde, près de l'équateur de Mars, a une épaisseur de 25 à 45 kilomètres. En dessous se trouve le manteau avec la lithosphère composée de roches solides. La lithosphère de Mars est beaucoup plus épaisse que celle de la Terre. Sur Mars, cette couche s'étend jusqu'à une profondeur de 400 à 600 kilomètres, alors que sur Terre, elle ne dépasse pas 250 kilomètres. Cela pourrait expliquer pourquoi il n'y a pas d'indices de tectonique des plaques sur Mars. La planète semble être constituée d'une seule plaque, contrairement à la Terre et ses sept grandes plaques continentales. "L'épaisseur de la lithosphère correspond bien à ce modèle de Mars comme 'planète à plaque unique'", résume Khan.

Le noyau est liquide et plus gros que prévu

Pour la première fois, les chercheurs ont également réussi à estimer la taille du noyau martien à l'aide d'ondes sismiques. Il en ressort que le rayon du noyau est d'environ 1840 kilomètres, ce qui correspond à la moitié du rayon du noyau terrestre. Le noyau martien est donc plus grand de 200 kilomètres que ce que l'on pensait il y a 15 ans lors de la planification de la mission InSight. "A partir du rayon déterminé maintenant, nous pouvons calculer la densité du noyau", explique Simon St?hler. En effet, les chercheurs connaissent la densité moyenne de l'ensemble de Mars. Et la densité moyenne de la cro?te et du manteau peut être estimée à partir de l'étude des météorites martiennes. Cela permet de calculer la quantité de matière qui doit encore se trouver dans le noyau.

"Si le rayon du noyau est grand, la densité du noyau doit être relativement faible", explique Simon St?hler : "Le noyau doit donc contenir, en plus du fer, une grande proportion d'éléments plus légers". Le soufre, mais aussi l'oxygène, le carbone et l'hydrogène entrent en ligne de compte. Leur proportion doit toutefois être inattendue, de sorte qu'il faudrait reconsidérer les estimations actuelles de la composition du manteau, concluent les chercheurs. Les analyses actuelles confirment toutefois que le noyau est - comme on le supposait - liquide, même si Mars ne dispose plus aujourd'hui d'un champ magnétique comme la Terre. Sur notre planète, des courants dans le métal liquide du noyau externe créent un champ magnétique permanent.

Le noyau relativement grand exclut en outre l'existence d'un manteau inférieur sur Mars comme sur la Terre, où un minéral appelé bridgmanite s'est formé sous la pression extrêmement élevée à plus de 700 kilomètres de profondeur. Celui-ci n'existe pas à la surface de la Terre, mais il est globalement le minéral le plus fréquent dans le manteau terrestre. Les mesures effectuées sur Mars montrent plut?t que le manteau martien ressemble minéralogiquement au manteau supérieur de la Terre, dont le minéral principal est l'olivine. Sur la base des mesures sismiques effectuées sur Mars, Khan conclut : "D'un point de vue minéralogique, le manteau martien est une version plus simple du manteau terrestre", mais la sismologie révèle également des différences dans la composition chimique, ce qui indique que Mars et la Terre ont été formées à partir de briques différentes.

Analyser différentes formes d'ondes

Les chercheurs ont obtenu ces nouveaux résultats en analysant différentes ondes sismiques produites lors de tremblements de terre. Lors d'un tremblement de terre, de l'énergie est libérée sous forme d'ondes primaires ainsi que d'ondes secondaires qui se propagent dans toutes les directions depuis le foyer. Il en va de même pour les tremblements de terre sur Mars. Les ondes P primaires oscillent dans le sens de la propagation comme les ondes sonores dans l'air. Les ondes S secondaires oscillent transversalement à la direction de propagation et sont plus lentes que les ondes P. Si l'on mesure à un endroit donné la différence de temps entre l'arrivée des ondes P et S, on peut en déduire la distance entre le foyer du séisme et cet endroit.

Le sismomètre de la mission InSight, dont l'électronique d'acquisition et de contr?le des données a été développée dans le groupe de travail du professeur Domenico Giardini à l'ETH Zurich, observe les tremblements de Mars depuis début 2019. Les données sont envoyées au Service sismologique martien de l'ETH Zurich via le Deep Space Network de NASA et deux centres aux ?tats-Unis et en France, où elles sont soumises à une première analyse sous la direction de John Clinton du Service sismologique suisse. Jusqu'à présent, plus de 1000 séismes martiens ont été enregistrés. "Auparavant déjà, nous pouvions voir les ondes P et S dans les données InSight et nous savions donc à quelle distance de la sonde se trouvaient ces foyers de tremblements de terre sur Mars", explique Giardini, "mais pendant longtemps, nous sommes restés bloqués à ce niveau de connaissance".

St?hler ajoute : "Pour pouvoir dire quelque chose sur la structure interne des planètes, il nous faut plus que des ondes P et S : On a besoin d'autres formes d'ondes". Il entend par là les ondes sismiques qui se reflètent sur ou sous la surface ou le noyau. Les chercheurs parlent par exemple de phases PP et PPP lorsque l'onde P est réfléchie une ou deux fois en dessous de la surface. Les chercheurs ont maintenant réussi à observer pour la première fois de telles phases sur Mars.

Comme Apollo 11 sur la Lune

La t?che s'est avérée particulièrement compliquée, car les sismogrammes martiens contiennent beaucoup d'échos, qui se produisent typiquement lorsque les ondes sismiques traversent des couches de roches poreuses et peu profondes. Cela complique l'analyse des phases sismiques qui ont traversé l'intérieur profond de la planète. Un phénomène similaire a été observé sur la Lune après que les astronautes d'Apollo 11 ont installé pour la première fois un sismomètre, ce qui explique pourquoi la détection du noyau a pris 40 ans, une t?che qui a été accomplie en deux ans sur Mars. La Terre, la Lune et Mars sont les seuls corps célestes dont l'intérieur a été étudié à l'aide de la sismologie. "Les tremblements de terre enregistrés sur Mars ont une faible magnitude, inférieure à 4, et seraient difficilement détectables sur Terre à cette distance, mais ils sont en moyenne légèrement plus forts que ceux enregistrés sur la Lune par les sismomètres des missions Apollo", explique St?hler.

Lors de leurs observations de Mars, les chercheurs se sont concentrés sur les séismes qui se sont produits à une distance de 1500 à 4500 kilomètres de la sonde Insight. "Plus les séismes sont éloignés, plus les ondes pénètrent profondément à l'intérieur et plus nous pouvons en dire long", explique Khan. Dans son travail sur le manteau supérieur de Mars, il a étudié, avec une équipe internationale, les phases sismiques réfléchies sous la surface, tandis que Simon St?hler et d'autres collaborateurs à l'ETH ont ajouté pour leur étude les phases sismiques réfléchies au niveau du noyau, afin de pouvoir regarder encore plus profondément à l'intérieur de Mars. Les chercheurs de l'ETH ont également participé au troisième travail sur la cro?te martienne, qui vient d'être publié.

"Nous déterminons la vitesse des ondes sismiques en fonction de la profondeur", explique Khan. Car si l'on conna?t la vitesse des ondes des phases observées à différentes profondeurs, cela permet à son tour de tirer des conclusions sur la composition chimique et la température à l'intérieur de la planète. Si la vitesse des ondes change soudainement, cette discontinuité correspond typiquement à une transition vers une autre composition chimique. Une telle discontinuité se manifeste dans les transitions entre la cro?te et le manteau ainsi qu'entre le manteau et le noyau. Les chercheurs utilisent maintenant la sismologie sur Mars pour rechercher d'autres discontinuités en profondeur dans le manteau et un noyau interne comme il en existe sur Terre. "Ces nouvelles connaissances sur l'intérieur de Mars nous permettront d'en savoir plus sur la formation et l'évolution de la planète", conclut Khan.