À l’écoute des tremblements de Mars
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Par manque de données sismologiques, la structure des profondeurs de Mars demeure encore largement méconnue. La mission InSight [7]1 du Jet Propulsion Laboratory de la Nasa s’est donc fixé comme objectif d’éclaircir cette zone d’ombre en installant une toute première station géophysique sur son sol.
Une collaboration internationale
Bien que l’initiative soit étasunienne, plusieurs équipes françaises participent à InSight. L’instrument principal de la mission, SEIS2, a ainsi été développé sous la maîtrise d’œuvre du Centre national d'études spatiales (Cnes) et sous la responsabilité scientifique de l’Institut de physique du globe de Paris (IPGP)3, avec la participation de la société Sodern et de plusieurs partenaires internationaux4.
L’Institut supérieur de l’aéronautique et de l’espace5, l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie6, l’Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie7 et le laboratoire Navier8 ont également contribué aux développements logiciels et instrumentaux. Enfin, le Laboratoire de planétologie et géodynamique9, le laboratoire GéoAzur10 et le Laboratoire de météorologie dynamique11 participeront aux opérations et à l’analyse de ces données qui aideront à comprendre la formation et l’évolution géologique de la planète12.
Avant de commencer à travailler sur la plaine volcanique d’Elysium Planitia, à 600 kilomètres du cratère de Gale où opère le robot Curiosity [8], la mission doit déjà quitter la base californienne de Vandenberg. Le décollage de la fusée Atlas V 401 est prévu entre le 5 mai et le 8 juin, avant un voyage de six mois et 485 millions de kilomètres. La date de l’atterrissage d’InSight est fixée au 26 novembre 2018.
L’arrivée sera en outre suivie d’une délicate opération de déploiement. « Si des astronautes ont pu poser un capteur sismique sur la Lune, InSight sera la toute première mission de la Nasa installée à la surface d’une planète par un bras robotique, s’enthousiasme Philippe Lognonné, géophysicien à l’IPGP et professeur à l’université Paris-Diderot et à l’Institut universitaire de France. Il faudra ainsi placer le capteur, le couvrir, dérouler un câble pour le relier au lanceur… Ce sera une grande première en matière de robotique. »
Les premières données sismologiques martiennes
Situé très près de l’équateur de Mars, Elysium Planitia assurera un ensoleillement maximal afin d’alimenter les panneaux solaires pendant les deux années du programme. Rien n’est laissé au hasard, car les précédentes tentatives d’étudier la structure de Mars ont rencontré un cuisant échec. Le projet russe Mars96 avait ainsi sombré dans le Pacifique avec tous ses instruments, dont deux sismomètres déjà sous responsabilité scientifique de l’IPGP.
« La seule expérience de sismologie réalisée sur Mars a été menée à l’occasion de la mission Viking dans les années 1970, relate Philippe Lognonné, investigateur principal de SEIS. Elle n’a pas détecté de séisme, car, en dehors d’un événement isolé, toutes les vibrations de l’instrument étaient corrélées à des bourrasques. »
Nous ne disposons donc d’aucune donnée sur l’activité sismique de Mars. La planète aurait été très agitée pendant son premier milliard d’années, avec une tectonique associée au volcanisme et à des points chauds. Cette activité s’est estompée depuis, même si l’on sait que certaines coulées du mont Elysium ont moins de 10 millions d’années. « Détecter des secousses ou trémors volcaniques serait une très bonne surprise, avoue Philippe Lognonné, mais cette possibilité n’a pas été prise en compte lors du design de SEIS. »
Des ondes sismiques pour voir sous la croûte martienne
Les modèles théoriques suggèrent plutôt que le sol martien soit secoué de la même manière que celui de la Lune, mais plus régulièrement. Le programme Apollo avait ainsi relevé une trentaine de séismes superficiels de magnitudes de 4 à 5,5 sur notre satellite, étalés sur sept ans.
Contrairement à la Terre, la Lune et, a priori, Mars ne sont pas composés d’une série de plaques tectoniques. Leur activité sismique est du coup bien plus réduite, limitée aux déformations provoquées par leur refroidissement. « Le rapport de taille entre Mars et la Lune devrait se retrouver dans la sismicité, détaille Philippe Lognonné. On espère ainsi détecter une cinquantaine de séismes par an, dont une dizaine de forte magnitude, jusqu’à 5,5. Plus une secousse est importante, plus on peut en tirer d’informations. »
De la même manière que le son se comporte différemment dans l’air et dans l’eau, l’analyse de la vitesse des ondes sismiques permet de comprendre la structure et la nature des matériaux qu’elles traversent. Les séismes les plus puissants fournissent davantage d’éléments car les ondes aux fréquences élevées se propagent plus en profondeur, livrant au passage les clés de l’intérieur de Mars avec, par exemple, l’épaisseur de sa croûte.
Des capteurs ultrasensibles
Sur Terre, les séismes sont cependant étudiés par tout un réseau d’appareils, souvent disposés dans des caves sismiques spécialement conçues pour éliminer les interférences. SEIS se retrouvera à la fois isolé et exposé aux rudes conditions de Mars. « Nous nous intéressons à la vitesse de propagation des ondes, précise Philippe Lognonné. Sans connaître leur point de départ, nous n’avons besoin que d’un temps de passage et d’une distance. »
Lors d’un séisme suffisamment important, un premier train d’ondes appelé R1 va agiter le sismomètre. Il sera suivi de R2, la même série d’ondes mais passée par l’autre côté de la planète ! L’objectif est de capter R3 un peu moins de deux heures plus tard (R3 étant en réalité R1 après son tour complet de Mars). La durée écoulée entre R1 et R3 correspond au temps mis par les ondes pour parcourir la circonférence de la planète, une longueur connue.
Les chercheurs en déduisent alors la vitesse de propagation, sans avoir à localiser l’épicentre du séisme. Une seconde méthode utilisera les impacts de météorites, des chocs qui produisent eux aussi des ondes exploitables.
Les dizaines de milliers de kilomètres traversés atténuent cependant les ondes R3, qui finissent par n’être détectables que par des instruments extrêmement sensibles et bien installés. SEIS est composé de trois sismomètres à très large bande, entre 5 mHz et 5 Hz, construits par l’IPGP, ainsi que trois autres couvrant une plage de 0,1 à 50 hertz, conçus à l’Imperial College et à l’université d’Oxford.
« L’association de deux types de capteurs permet de très bonnes performances sur des périodes courtes comme longues, assure Philippe Lognonné. Le chevauchement sur la bande de fréquence intermédiaire aidera en cas de panne. » Toute mission martienne doit en effet parer aux risques d’incidents et aux maigres possibilités de réparations à distance.
L’instrument est ainsi protégé par une sphère de titane dont la conception a été dirigée à l’IPGP par Sébastien de Raucourt, ingénieur de recherche à l’université Paris-Diderot et médaille de cristal du CNRS 2018. « Le cœur du sismomètre est si sensible qu’il doit être gardé sous vide, à l’abri des frottements de l’air et des poussières, précise-t-il. Même l’atmosphère ténue de Mars suffirait à le perturber. La structure rigide en titane transmet cependant très bien les vibrations du sol. »
Cette coque de vingt centimètres de diamètre offre également une protection thermique, alors que la température peut changer de plus de 60 degrés entre le jour et la nuit. Un paravent fournira un abri supplémentaire au sismomètre. Le système de nivellement doit par exemple garantir que SEIS est bien placé à l’horizontale, quel que soit l’état du sol.
« L’une des plus grandes difficultés est d’abord de s’assurer que SEIS supporte les énormes chocs et vibrations du lancement et de l’atterrissage, reconnaît Sébastien de Raucourt. Il sera à la fois protégé par des amortisseurs, tandis que des butées, conçues pour absorber les vibrations de la fusée, caleront les parties mobiles. »
La mission InSight acheminera au passage deux autres instruments : la sonde thermique allemande HP313 et RISE14. Ce dernier étudiera les variations de l’axe de rotation de Mars, un phénomène lié à l’état du noyau de la planète. De quoi compléter l’arsenal pour enfin explorer les profondeurs de la planète rouge. ♦
Lire aussi :
« [14] Peut-on vraiment rester seul sur Mars ? [14] » [14]
« [8] Un jour avec l'équipe de Curiosity [8] » [8]
« [15] Vie sur Mars : l'enquête progresse [15] » [15]
« Les Martiens de Toulouse [16] » [16]
« L’Europe remet le cap sur Mars [17] » [17]
- 1. Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport (exploration intérieure par l’usage d’investigations sismiques, de géodésie et de transport de la chaleur).
- 2. Seismic Experiment for Interior Structures (expérience sismique pour les structures intérieures).
- 3. Unité CNRS/IPGP/Université Paris-Diderot/Univ. de La Réunion.
- 4. École polytechnique fédérale de Zurich, Institut Max-Planck, Imperial College.
- 5. Isae-SupAero.
- 6. Irap (CNRS/Université de Toulouse Paul-Sabatier).
- 7. IMPMC (CNRS/IRD/MNHN/Sorbonne Université).
- 8. Unité CNRS/École des ponts ParisTech/IFSTTAR.
- 9. LPG (CNRS/Université de Nantes/Université d’Angers).
- 10. Unité CNRS/Université Sophia Antipolis/Observatoire de la Côte-d’Azur/IRD.
- 11. LMD (CNRS/École polytechnique/ENS Paris/Sorbonne Université).
- 12. Notons aussi l'implication du Laboratoire de mécanique et d'acoustique (LMA) pour l'étude de la propagation des ondes acoustiques sismiques sur Mars
- 13. Heat flow and physical properties probe (sonde des flux de chaleur et des propriétés physiques).
- 14. Rotation and interior structure experiment (experience de rotation et de structure interne).
Voir aussi
