Le mystère du noyau martien résolu

Pendant quatre ans, l'atterrisseur InSight de la NASA a enregistré les secousses sur Mars à l'aide de son sismomètre. Des scientifiques de l'ETH Zurich ont collecté et analysé les données transmises à la Terre afin de déterminer la structure interne de la planète. «Bien que la mission ait pris fin en décembre 2022, nous avons découvert quelque chose de très intéressant», explique Amir Khan, scientifique principal au département des sciences de la Terre de l'ETH Zurich.

L'analyse des tremblements de terre enregistrés sur Mars, combinée à des simulations informatiques, donne une nouvelle image de l'intérieur de la planète. Entre le noyau en alliage de fer liquide de Mars et son manteau en silicate solide se trouve une couche de silicate liquide (magma) d'environ 150 kilomètres d'épaisseur. «La Terre n'a pas de couche de silicate complètement fondue comme celle-là», explique Amir Khan.

Cette découverte, publiée dans la revue scientifique Nature parallèlement à une étude dirigée par Henri Samuel, de l'Institut de physique du globe de Paris, qui parvient à une conclusion similaire en utilisant des méthodes complémentaires, fournit également de nouvelles informations sur la taille et la composition du noyau de Mars, résolvant ainsi un mystère que la communauté scientifique était jusqu'à présent incapables d'expliquer.

L'analyse des tremblements de mars observés initialement avait montré que la densité moyenne du noyau martien devait être nettement inférieure à celle du fer liquide pur. Le noyau terrestre, par exemple, est constitué d'environ 90% de fer en poids. Les éléments légers tels que le soufre, le carbone, l'oxygène et l'hydrogène représentent un total combiné d'environ 10% en poids. Les premières estimations de la densité du noyau martien ont montré qu'il était constitué d'une part beaucoup plus importante d'éléments légers - environ 20% en poids. «Cela représente un complément très important d'éléments légers, à la limite de l'impossible. Nous nous interrogeons depuis sur ce résultat», explique Dongyang Huang, chercheur postdoctoral au département des sciences de la Terre de l'ETH Zurich.

Moins d'éléments lumineux

Les nouvelles observations montrent que le rayon du noyau martien a diminué, passant de la fourchette initialement déterminée de 1800 à 1850 kilomètres à une fourchette comprise entre 1650 et 1700 kilomètres, ce qui correspond à environ 50% du rayon de Mars. Si le noyau martien est plus petit que ce que l'on pensait auparavant, mais qu'il a la même masse, il s'ensuit que sa densité est plus grande et qu'il contient donc moins d'éléments légers. Selon les nouveaux calculs, la proportion d'éléments légers est tombée entre 9 et 14% en poids. «Cela signifie que la densité moyenne du noyau martien est encore un peu faible, mais qu'elle n'est plus inexplicable dans le contexte des scénarios typiques de formation des planètes», explique Paolo Sossi, professeur assistant au département des sciences de la Terre de l'ETH Zurich et membre du Pôle de recherche national (PRN) PlanetS. Le fait que le noyau martien contienne une quantité importante d'éléments légers indique qu'il a dû se former très tôt, peut-être lorsque le Soleil était encore entouré de gaz de la nébuleuse à partir desquels les éléments légers ont pu s'accumuler dans le noyau martien.

Les calculs initiaux étaient basés sur des secousses qui s'étaient produites à proximité de l'atterrisseur InSight. Cependant, en août et septembre 2021, le sismomètre a enregistré deux tremblements de terre sur la face opposée de Mars. L'un d'entre eux a été causé par l'impact d'une météorite. «Ces tremblements ont produit des ondes sismiques qui ont traversé le noyau», explique Cecilia Duran, doctorante au département des sciences de la Terre de l'ETH Zurich. «Cela nous a permis d'éclairer le noyau». En revanche, dans le cas des précédents séismes de mars, les ondes étaient réfléchies à la limite entre le noyau et le manteau, ce qui ne permettait pas d'obtenir des informations sur les profondeurs de la planète rouge. Grâce à ces nouvelles observations, les chercheuses et chercheurs ont pu déterminer la densité et la vitesse des ondes sismiques du noyau fluide jusqu'à une profondeur d'environ 1000 kilomètres.

Simulations sur superordinateur

Pour déduire la composition du matériau à partir de ces profils, les scientifiques comparent généralement les données avec celles d'alliages de fer synthétiques contenant différentes proportions d'éléments légers (S, C, O et H). En laboratoire, ces alliages sont exposés à des températures élevées et à des pressions équivalentes à celles que l'on trouve à l'intérieur de Mars, ce qui permet aux scientifiques de mesurer directement la densité et la vitesse des ondes sismiques. Toutefois, à l'heure actuelle, la plupart des expériences sont menées dans les conditions qui prévalent à l'intérieur de la Terre et ne sont donc pas immédiatement applicables à Mars. Les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich ont donc eu recours à une autre méthode. Ils et elles ont calculé les propriétés d'une grande variété d'alliages à l'aide de calculs de mécanique quantique, qu'elles et ils ont effectués au Centre national suisse de calcul (CSCS) à Lugano, en Suisse.

Lorsque les scientifiques ont comparé les profils calculés avec leurs mesures basées sur les données sismiques d'InSight, elles et ils ont rencontré un problème. Il s'est avéré qu'aucun alliage de fer et d'éléments légers ne correspondait simultanément aux données au sommet et au centre du noyau martien. À la limite entre le noyau et le manteau, par exemple, l'alliage de fer aurait dû contenir beaucoup plus de carbone qu'à l'intérieur du noyau. «Il nous a fallu un certain temps pour réaliser que la région que nous considérions auparavant comme le noyau externe de fer liquide n'était pas le noyau, mais la partie la plus profonde du manteau», explique Dongyang Huang. Les chercheurs et chercheuses ont également constaté que la densité et la vitesse des ondes sismiques mesurées et calculées dans les 150 kilomètres les plus éloignés du noyau correspondaient à celles des silicates liquides, le même matériau, sous forme solide, dont est composé le manteau martien.

Une analyse plus poussée de séismes antérieurs et des simulations informatiques supplémentaires ont confirmé ce résultat. Il est regrettable que les panneaux solaires poussiéreux et le manque d'énergie qui en résulte aient empêché l'atterrisseur InSight de fournir des données supplémentaires qui auraient pu éclairer davantage la composition et la structure de l'intérieur de Mars. «Néanmoins, InSight a été une mission très réussie qui nous a fourni un grand nombre de nouvelles données et d'informations qui seront analysées dans les années à venir», a déclaré Amir Khan.