Comment un atterrisseur de la NASA a décodé les secrets cachés sous la surface de Mars

La vie de l’atterrisseur Mars InSight a pris fin l’année dernière alors que ses panneaux solaires étaient recouverts de poussière et que son alimentation électrique diminuait lentement. Après quatre années de recherche et de collecte de données, la NASA a officiellement déclaré la fin de la mission en décembre 2022.

Insight laisse cependant un héritage incroyable, ayant fourni la meilleure vue jamais vue de l’intérieur de Mars et étant la première fois qu’un sismomètre est utilisé sur une autre planète. Pour savoir comment un seul petit atterrisseur était capable d'observer une planète entière, nous avons discuté avec deux scientifiques de premier plan de l'équipe InSight, Catherine Johnson de l'Université de la Colombie-Britannique et Mark Panning du Jet Propulsion Laboratory de la NASA.

Pourquoi étudier l’intérieur de Mars ?

Connaître l'intérieur d'une planète comme Mars n'est pas une simple curiosité abstraite. En effet, pour comprendre des sujets allant de l'atmosphère d'une planète à son histoire, nous devons comprendre son intérieur. « Si vous voulez comprendre comment Mars a évolué, pourquoi avait-elle une atmosphère différente de celle d’aujourd’hui ? Pourquoi y avait-il des quantités de volcanisme différentes dans le passé par rapport à celles plus récentes sur le plan géologique ? – vous devez comprendre la structure intérieure », a déclaré Johnson.

Mais il est déjà assez difficile d'analyser des échantillons de la surface de Mars à l'aide de rovers : comment pouvez-vous savoir à quoi ressemble l'intérieur d'une planète située à des centaines de millions de kilomètres ? Heureusement, nous avons une idée de la façon de procéder car nous avons l’expérience de l’étude de la Terre. Nous en apprenons davantage sur la structure intérieure de la Terre en observant comment les ondes sismiques se propagent à travers la planète, et nous pouvons faire la même chose sur Mars.

C’est la justification de l’inclusion d’un instrument sismométrique sur l’atterrisseur InSight, qui fut le premier sismomètre jamais posé sur une autre planète. Et ses résultats ont été, si vous permettez le jeu de mots, hors de ce monde.

Secoué par des tremblements de terre

La Terre possède des plaques tectoniques qui se déplacent sur des millions d’années, provoquant des tremblements de terre lorsqu’elles se frottent. Mars n'a pas de tectonique des plaques aujourd'hui, mais elle est secouée par des séismes similaires appelés tremblements de mars. Cela signifie que le bon instrument peut étudier ces séismes et la façon dont ils rebondissent à l’intérieur de la planète pour en savoir plus sur sa structure.

Pour détecter de minuscules secousses de la surface, vous n'avez pas besoin d'un rover qui se déplace. Au lieu de cela, vous voulez quelque chose qui reste exactement au même endroit pendant des mois ou des années, c'est pourquoi InSight est un atterrisseur stationnaire. Il est également situé dans une région très calme.

Lorsqu'il s'agit de choisir un point d'atterrissage pour les mesures sismiques, « vous voulez fondamentalement un endroit aussi ennuyeux que possible », a déclaré Johnson. "et aussi silencieux que possible, car vous effectuez ces mesures incroyablement sensibles."

Pour tenir compte des différences environnementales au jour le jour, InSight mesure également des facteurs tels que la température, la pression et la vitesse du vent à l'aide de capteurs météorologiques, afin que ces facteurs puissent être soustraits des données sismiques. En prime, cela signifie qu'InSight est également une toute petite station météorologique martienne et a fourni des années de données sur la météo dans la région d'Elysium Planitia où elle se trouve.

Comment mesurer un tremblement de terre

Les sismomètres sont un équipement assez basique, et étant donné l’expérience que nous avons de leur utilisation sur Terre, les ajuster pour Mars est conceptuellement simple. Les concepteurs devaient s'adapter aux différents niveaux de gravité et l'instrument devait être extrêmement sensible pour capter les petites secousses. Mais c'était la partie facile.

Le plus difficile était de savoir comment s’en sortir en n’utilisant qu’un seul d’entre eux. Quand vous étiez à l'école, vous avez peut-être appris que mesurer un tremblement de terre nécessite trois stations pour pouvoir trianguler son origine. Mais il n’y aurait qu’un seul atterrisseur sur Mars, et il devrait collecter seul toutes les données requises.

"Il existe des moyens de localiser les tremblements de terre avec une seule station", a déclaré Panning, mais cela n'est généralement pas le cas. Déterminer l’efficacité de cette approche sur Mars a donc joué un rôle important dans l’acceptation de la mission. « Nous avons passé beaucoup de temps à discuter de la manière dont nous pouvions localiser des événements avec une seule station. »

Il n'a pas été facile de convaincre les gens qu'InSight serait capable de détecter seul des informations utiles, d'autant plus qu'un sismomètre n'avait jamais été placé sur une autre planète. Mais depuis son atterrissage sur Mars en 2018, il a pu enregistrer des centaines d’événements sismiques. « L’histoire nous a donné raison », a déclaré Panning. "Nous avons pu localiser de nombreux séismes."

Comprendre les ondes sismiques

Pour comprendre le fonctionnement d'InSight, vous devez comprendre les ondes sismiques. Il existe deux types d'ondes sismiques, appelées P et S. Lorsque les ondes traversent la planète, elles peuvent se déplacer de différentes manières : Avec les ondes P, le matériau se déplace d'avant en arrière dans la même direction que celle de l'onde. Avec les ondes S, le matériau se déplace d’un côté à l’autre par rapport à la direction de l’onde.

Pensez à un slinky. Vous pouvez pousser des vagues sur toute la longueur du slinky, ce qui équivaudrait à une onde P, ou vous pouvez faire osciller le slinky d'un côté à l'autre, ce qui serait l'équivalent d'une onde S.

InSight pourrait détecter ces deux types d’ondes et les utiliser pour détecter la source d’un tremblement de terre. Pour savoir à quelle distance un séisme s'est produit, vous pouvez regarder l'heure à laquelle les ondes sismiques sont arrivées sur l'atterrisseur, car les deux types d'ondes se déplacent à des vitesses différentes. L'écart temporel entre l'arrivée des ondes P et des ondes S vous donne la distance.

Déterminer l’emplacement de la source est un peu plus compliqué. Le processus utilise une propriété appelée polarisation des ondes sismiques, qui fait référence à la direction du mouvement au sein de l’onde. « Ainsi, si une onde P arrive de l’est, par exemple, ses mouvements de particules vont se déplacer dans la direction est-ouest. Ils ne vont pas aller du nord au sud », a expliqué Panning.

Vous pouvez utiliser cette polarisation pour déterminer la direction d’où vient une onde. "Donc, si nous savons à quelle distance se trouve le séisme par rapport au moment du P et du S, et si nous savons dans quelle direction il est venu d'après la polarisation des ondes, cela vous donne un emplacement", a déclaré Panning.

Regarder à l’intérieur

Une fois que vous avez localisé la source d'un séisme, vous pouvez utiliser ces informations pour en savoir plus sur l'intérieur de la planète. Nous savons que la structure intérieure de Mars est constituée de couches constituées d’un noyau fondu, d’un manteau et d’une croûte. Mais avant InSight, nous ne connaissions pas bien l’épaisseur de chaque couche.

Aussi abstrait que cela puisse paraître, comprendre l’intérieur profond de la planète est vital pour comprendre toutes sortes de problèmes, depuis l’histoire de la planète jusqu’à son état actuel. "Comment la planète s'est refroidie et ce qui lui est arrivé, aurait-elle pu avoir un champ magnétique dans le passé, pourrait-elle en avoir un aujourd'hui – ce genre de questions dépend de manière cruciale de l'intérieur profond", a déclaré Johnson.

InSight a donc récupéré les données des tremblements de terre pour mesurer la profondeur des couches. Comme chaque couche a des propriétés matérielles différentes, chacune interagit avec les ondes sismiques dans des vagues différentes. Et c’est ce qui permet aux chercheurs de déterminer l’épaisseur et les propriétés de chaque couche.

Pour étudier la croûte, vous utilisez une technique appelée fonctions réceptrices. Lorsqu’une onde P atteint une limite, comme le bord de la croûte, une partie de celle-ci se transforme en onde S. Vous pouvez alors voir cette énergie d’onde S convertie arriver un peu plus tard que l’onde P, ce qui peut vous indiquer l’épaisseur de la croûte.

Pour étudier le noyau en fusion, vous recherchez l’énergie qui rebondit sur la frontière entre le noyau et le manteau. Un grand séisme peut provoquer une onde S qui atteint cette limite, se reflète et rebondit vers le récepteur. Vous pouvez rechercher des ondes entrantes qui ont la bonne polarisation pour être identifiables comme ce type particulier d’onde – appelée onde ScS – et cela vous permet de déterminer le rayon du noyau.

Pour étudier le manteau, les chercheurs ont voulu connaître la rapidité avec laquelle les ondes traversent cette couche, ce qui leur permet de connaître la température du manteau. Pour cela, vous recherchez les ondes qui ont rebondi sur la surface de la planète, appelées ondes PP. Vous pouvez voir ces réflexions arriver à votre récepteur plus tard que les ondes P originales, ce qui vous indique la vitesse à laquelle les ondes se propagent.

Regard vers l'avenir

C'est ainsi qu'InSight a pu rassembler les informations les plus précises à ce jour sur l'intérieur de Mars, en trouvant différentes sous-couches au sein de la croûte et en identifiant la taille du noyau . Il s’agit d’une étape importante dans la compréhension de la planète qui a été réalisée en seulement quelques années d’opérations InSight. C’est l’héritage qu’InSight laissera à la science martienne.

"Chaque mission représente un grand pas en avant dans notre compréhension – dans ce cas, c'est un grand pas en avant dans notre compréhension de l'intérieur de Mars et de l'environnement de surface de l'atterrisseur", a déclaré Johnson.

La meilleure compréhension de l’intérieur de Mars fournie par InSight soutiendra les missions futures, de la mission prévue Mars Sample Return aux plans à long terme permettant aux astronautes de visiter éventuellement la planète rouge en personne. Et les résultats de l'atterrisseur sont encore utilisés pour faire des découvertes, comme une découverte récente selon laquelle Mars tourne plus vite chaque année .

Ainsi, même si la mission InSight est terminée, Johnson et son équipe sont optimistes quant aux résultats de la mission et à ce que l’avenir réserve à la science sur Mars.

"Toute mission est un voyage incroyable", a déclaré Johnson. « C'est toujours un moment triste quand quelque chose se termine. Mais vous passez également beaucoup de temps à réfléchir à la façon dont la mission a permis de passer à l’étape suivante des enquêtes.