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Nous savons que la Terre est constituée de couches: une fine croûte de roche légère et solide entoure un épais manteau de roche lourde et visqueuse qui, à son tour, enveloppe un noyau composé principalement de fer et de nickel. On suppose que Mars a une structure similaire. «Les données sismiques ont confirmé notre point de vue selon lequel Mars est une planète différenciée qui a probablement été complètement fondue avant de se différencier en une croûte, un manteau et un noyau, dont la composition est distincte comme sur la Terre», explique Amir Khan, chercheur à l'Institut de géophysique de l'ETH Zurich et à l'Institut de physique de l'Université de Zurich. Avec son collègue de l'ETH Simon Stähler et une équipe internationale, il a analysé 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 chercheur·ses sont publiés aujourd'hui dans trois articles de la revue Science. Il·les indiquent que la croûte martienne sous InSight, près de l'équateur martien, a une épaisseur de 25 à 45 kilomètres, similaire à celle de la croûte sous l'Europe occidentale. Sous celle-ci se trouve le manteau avec une lithosphère de roche solide beaucoup plus épaisse que celle de la Terre: sur Mars, cette couche atteint une profondeur de 400 à 600 kilomètres; sur Terre, elle est au maximum de 250 kilomètres. Cela pourrait expliquer pourquoi il n'y a aucune preuve de tectonique des plaques sur Mars. La planète semble être constituée d'une seule plaque, contrairement à la Terre avec ses sept grandes plaques continentales. «La lithosphère épaisse s'accorde bien avec le modèle de Mars en tant que planète à plaque unique», conclut Amir Khan.
Le noyau est liquide et plus grand que prévu
Pour la première fois, les chercheur·ses ont également pu estimer la taille du noyau martien à l'aide d'ondes sismiques. D'après ces travaux, le rayon du noyau est d'environ 1840 kilomètres, soit environ la moitié du rayon du noyau terrestre. Cela signifie que le noyau martien est plus grand de 200 kilomètres que ce qui avait été supposé il y a 15 ans, lorsque la mission InSight a été planifiée. «Après avoir déterminé le rayon du noyau, nous pouvons maintenant calculer sa densité», explique Simon Stähler. Comme les chercheur·ses connaissent la densité moyenne de la planète entière et que la densité moyenne de la croûte et du manteau peut être estimée à partir de l'étude des météorites martiennes, il est possible 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 Stähler: «Cela signifie que le noyau doit contenir une grande proportion d'éléments plus légers en plus du fer et du nickel.» Les éléments plus légers comprennent le soufre, l'oxygène, le carbone et l'hydrogène. Cependant, comme leur proportion semble être étonnamment importante, les chercheur·ses concluent que les estimations précédentes de la composition du manteau doivent être reconsidérées. Néanmoins, les recherches actuelles confirment que le noyau est liquide - comme on le soupçonnait - même si Mars n'a plus de champ magnétique comme la Terre. Sur notre planète, les courants dans le métal liquide du noyau externe créent un champ magnétique permanent.
La taille relativement importante du noyau exclut également la possibilité que Mars ait un manteau inférieur comme sur la Terre ; sur notre planète, les pressions extrêmement élevées qui existent à plus de 700 km de profondeur entraînent la formation d'un minéral appelé bridgmanite. Au contraire, les mesures effectuées sur Mars montrent que le manteau martien est minéralogiquement similaire au manteau supérieur de la Terre, qui est composé principalement du minéral olivine. Sur la base des mesures sismiques sur Mars, Amir Khan conclut : «Minéralogiquement, le manteau martien est une version plus simple du manteau terrestre». Mais la sismologie révèle également des différences dans la composition chimique, ce qui suggère que Mars et la Terre se sont formées à partir de blocs de construction différents.
Analyse de différentes formes d'onde
Les chercheur·ses ont obtenu ces nouveaux résultats en analysant les ondes sismiques générées par les tremblements de terre. Lors d'un tremblement de terre, l'énergie est libérée sous forme d'ondes primaires et secondaires, qui se propagent depuis la source dans toutes les directions. Il en va de même pour les tremblements de terre de mars. Les ondes primaires P oscillent dans le sens de la propagation, comme les ondes sonores dans l'air. Les ondes secondaires S oscillent transversalement à la direction de propagation et sont plus lentes que les ondes P. En mesurant la différence de temps entre l'arrivée des ondes P et S à un endroit donné, il est possible de calculer la distance entre cet endroit et l'épicentre du séisme.
Le sismomètre de la mission InSight, dont le système électronique d'acquisition et de contrôle des données a été développé dans le groupe du professeur Domenico Giardini à l'ETH Zurich, surveille les séismes de mars depuis début 2019. Les données sont envoyées via le Deep Space Network de la NASA et deux centres aux États-Unis et en France au Marsquake Service de l'ETH Zurich. Là, elles subissent une première analyse sous la direction de John Clinton, du Service sismologique suisse. Plus de 1000 tremblements de terre ont été enregistrés jusqu'à présent. «Nous pouvions déjà voir les ondes P et S dans les données InSight, nous savions donc à quelle distance de l'atterrisseur se trouvaient les séismes martiens», explique Domenico Giardini, «mais pendant longtemps, nous sommes restés bloqué·es à ce niveau de compréhension.»
Simon Stähler ajoute: «Pour dire quelque chose sur la structure interne des planètes, il faut plus que des ondes P et S. Il faut d'autres formes d'ondes». Il entend par là les ondes sismiques qui sont réfléchies, par exemple, sous la surface ou au niveau du noyau. Les chercheur·ses parlent de phases PP et PPP lorsqu'une onde P est réfléchie une et deux fois sous la surface de la Terre, respectivement. Aujourd'hui, pour la première fois, les chercheur·ses ont réussi à observer de telles phases sur Mars.
Comme Apollo 11 sur la lune
La tâche s'est avérée particulièrement compliquée car les sismogrammes de Mars contiennent beaucoup d'écho, qui se produit généralement lorsque les ondes sismiques traversent des couches peu profondes de roche poreuse. Cela complique l'analyse des phases sismiques qui ont traversé l'intérieur profond de la planète. Des observations similaires ont été faites sur la lune après que les astronautes d'Apollo 11 y aient installé un sismomètre, ce qui explique pourquoi il a fallu 40 ans pour détecter le noyau lunaire. Cette tâche a maintenant été accomplie sur Mars en seulement deux ans. La Terre, la Lune et Mars sont les seuls corps célestes dont l'intérieur a été étudié jusqu'à présent à l'aide de la sismologie. «Les séismes martiens enregistrés jusqu'à présent sont de faible magnitude, inférieure à 4. Sur Terre, des tremblements de terre de cette magnitude seraient difficiles à détecter à la même distance. Mais comme Mars n'a pas d'océans, c'est généralement plus calme et nous détectons des événements plus petits», explique Simon Stähler.
Dans leurs observations de Mars, les chercheur·ses se sont concentré·es sur les séismes qui se sont produits entre 1500 et 4500 kilomètres de l'atterrisseur InSight. «Plus les tremblements sont éloignés, plus les ondes pénètrent profondément à l'intérieur de la planète et plus nous pouvons en dire», explique Amir Khan. Dans ses travaux sur le manteau supérieur martien, il a étudié, avec une équipe internationale, les phases sismiques réfléchies sous la surface. Pour leur étude, Simon Stähler et d'autres collègues de l'ETH Zurich ont pris en compte les phases sismiques réfléchies au niveau du noyau afin d'explorer encore plus profondément l'intérieur de Mars. Les chercheur·ses de l'ETH Zurich ont également participé au troisième article sur la croûte martienne qui fait partie de la trilogie d'articles publiés.
«Nous déterminons la vitesse des ondes sismiques en fonction de la profondeur», explique Amir Khan. Si la vitesse des ondes sismiques en fonction de la profondeur est connue, cela fournit des indices sur la composition chimique et l'état thermique de la planète. Si la vitesse des ondes change soudainement, cette discontinuité correspond généralement à une transition vers une composition chimique différente. De telles discontinuités sont évidentes dans les interfaces croûte-manteau et manteau-noyau. Maintenant, en utilisant la sismologie sur Mars, les chercheur·ses recherchent d'autres discontinuités en profondeur dans le manteau et un noyau interne comme celui qui existe sur Terre. «Ces nouveaux aperçus de l'intérieur martien nous aideront à en savoir plus sur la formation et l'évolution de la planète», conclut Amir Khan.