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InSight détecte le premier tremblement de Mars

InSight détecte le premier tremblement de Mars

Le 7 avril 2019, au cours du sol 128, les deux ensembles de capteurs du sismomètre SEIS de la sonde InSight ont détecté la première secousse sismique martienne, plus de 40 ans après les tentatives des mythiques atterrisseurs Viking de la NASA.

Vue du sismomètre SEIS par la caméra ICC au cours du sol 128 (© NASA/JPL-Caltech).Le sismomètre SEIS sous son bouclier de protection éolien et thermique le 7 avril 2019 (sol 128), vu par la caméra ICC de la sonde InSight. Ce jour là, à 15h33 heure locale martienne, l’instrument a enregistré le premier signal véritablement sismique jamais observé sur Mars depuis le début de l’exploration spatiale (© NASA/JPL-Caltech).Depuis la dépose du bouclier de protection éolien et thermique (WTS) le 2 février 2019, qui a diminué de manière spectaculaire le niveau de perturbation lié à l’environnement martien, le sismomètre SEIS de la sonde InSight s’est mis quotidiennement à l’écoute de l’activité de la planète rouge. Si l’instrument a immédiatement permis aux chercheurs de détecter un bruit de fond sismique permanent et très faible, provoqué tout à la fois par les bruits de l’atterrisseur et les à-coups continuels de l’atmosphère sur la surface martienne, les sismologues espéraient plus que tout découvrir dans les données reçues quotidiennement de la plaine d’Elysium la signature d’une secousse sismique. C’est désormais chose faite : au cours du sol 128, un premier tremblement, faible mais émanant de Mars, a été détecté par SEIS.

Sur les traces de Viking

Avant InSight, le seul sismomètre ayant été en mesure de détecter des séismes sur Mars fut celui de l’atterrisseur Viking 2, qui s’est posé le 3 septembre 1976 sur les étendues désolées et caillouteuses d’Utopia Planitia. Contrairement au sismomètre de Viking 1, dont la partie mobile n’avait hélas pas pu être déverrouillée, l’instrument s’est révélé fonctionnel, mais il a malheureusement été très rapidement handicapé par l’activité éolienne régnant sur le site d’atterrissage, surtout en journée. Cette situation était liée au fait que contrairement à SEIS, la mission Viking ne prévoyait pas la dépose du sismomètre au sol, ni la mise en place d’un bouclier protecteur.

En tout et pour tout, sur une période de fonctionnement de 560 jours martiens (appelés sols), soit 19 mois, de 1976 à 1978, le sismomètre de Viking 2 renvoya surtout des données utiles aux météorologistes. Sur la totalité des événements enregistrés, un seul candidat potentiellement lié à un séisme fut détecté au cours du sol 80. Malheureusement, à ce moment-là, aucune donnée météorologique ne fut collectée par la station météo, empêchant de fait toute validation : les sismologues ne pouvaient pas être certains que le train de vibrations capté était réellement lié à un phénomène sismique, et non pas aux caprices des vents. Pour empêcher qu’une telle situation se reproduise, InSight dispose d’une station environnementale plus complète que celle des atterrisseurs Viking (températures, vitesse et direction des vents, baromètre ultrasensible et magnétomètre), et qui est prévue pour fonctionner en continu, sur toute la durée de vie de la mission.

La sonde Viking 2 sur Utopia Planitia (© NASA).La sonde Viking 2 sur le site martien d’Utopia Planitia. Le sismomètre, fixé sur le pont, est visible au centre. La mission Viking fut un tel succès que quarante ans plus tard, elle reste une référence à l’aune de laquelle les autres missions sont inévitablement comparées. Dans le domaine de la sismologie planétaire, il faudra cependant attendre InSight pour qu’une première secousse sismique soit détectée sur Mars (© NASA).

Le signal du sol 128

Avec le recul, il y a fort à parier qu’aucun des géophysiciens ayant travaillé sur la mission Viking n’aurait pu imaginer qu’une attente de 40 ans serait nécessaire pour que la signature d’une secousse sismique soit enfin identifiée sur la planète rouge. C’est pourtant ainsi que les choses se sont déroulés. Après 1976, aucun des engins ayant réussi à se poser n’embarquait de sismomètres, tandis qu’un grand nombre de projets de stations géophysiques étaient stoppés et annulés. En parvenant à rejoindre la surface martienne le 26 novembre 2018, et à déployer au sol, via son bras robotique, le sismomètre SEIS le 19 décembre dernier, InSight a ouvert un nouveau chapitre dans l’histoire de l’exploration martienne, et replacé au centre de l’échiquier une discipline jusque-là trop délaissée, la sismologie planétaire.

L’événement du sol 128 observé par InSight est de très faible amplitude, et correspond à un déplacement infime de la surface martienne. Ce craquement est tellement ténu qu’il n’a pas autorisé pour l’instant la localisation de l’épicentre, c'est-à-dire la détermination de la position de la source sismique sur le globe martien. Par effet domino, cette inconnue génère une grande incertitude dans l’analyse des données, et ne permet pas de placer cet événement sur une échelle de magnitude. Le phénomène physique responsable du déplacement du sol observé n’a pas non plus été identifié. Il pourrait s’agir d’un micro séisme situé à plus ou moins grande profondeur, vraisemblablement dans la croûte, et provoqué par le stress induit par le refroidissement ou la contraction de la planète, ou alors d’un impact météoritique.

Si les sismologues d’InSight vont continuer à se pencher sur l’événement du sol 128 pendant encore longtemps, une observation très intéressante a déjà eu lieu : plusieurs caractéristiques fondamentales de cet événement, comme sa durée, sa forme ou encore la façon dont l’énergie est répartie selon les fréquences laissent penser que la planète rouge est, du point de vue sismique, plus proche de la Lune que de la Terre.

Sismologie martienne : La lune comme fil rouge

L'installation du premier sismomètre lunaire lors de la mission Apollo 11 (© NASA).L'astronaute américain Buzz Aldrin installe le premier sismomètre lunaire (PSE, Passive Seismic Experiment) au cours de la mission Apollo 11. L’instrument fonctionnera pendant 3 semaines. Des sismomètres plus avancés seront déployés durant les missions Apollo 12, 14, 15 et 16, et constitueront un réseau d’écoute qui fonctionnera jusqu’en septembre 1977 (© NASA).Contrairement à Mars, les premiers sismomètres lunaires ont été déposés non pas par robot interposé, mais par la main de l’homme, au cours des missions Apollo. La première station, mise en place par l’équipage d’Apollo 11 en juillet 1969 sur la Mer de la Tranquillité, ne fonctionna qu’une trentaine de jours, mais elle fut bientôt remplacée par un réseau d’instruments plus sophistiqués, déposés grâce aux alunissages des missions Apollo 12, 14, 15 et 16 sur différentes régions de la face visible de la Lune. L’ensemble fut complété par le gravimètre d’Apollo 17, utilisé sur le tard en sismomètre.

Comme c’est très souvent le cas en planétologie, la Lune a rapidement rendu perplexes les sismologues, tant les données sismiques collectées s’écartaient de celles, terrestres, qu’ils avaient jusqu’ici l’habitude de manipuler. Lorsque les premiers signaux liés à des séismes lunaires ont été enregistrés, ces derniers n’ont ainsi pas été immédiatement reconnus comme tels par les scientifiques. Le crash volontaire de plusieurs objets très lourds (comme le troisième étage des fusées Saturn V ou les modules lunaires) à la surface de la Lune, pour provoquer des vibrations artificielles, aida de manière significative les géophysiciens à reconnaître des séismes sélènes, et à comprendre comment les ondes sismiques se propagent sur notre satellite.

Cette situation est due au fait que sur la Lune, le sol est complètement déshydraté. Si les ondes sismiques subissent peu d’atténuation à cause de cette teneur en eau très faible, elles sont par contre diffractées dans toutes les directions par une immensité de structures de toutes tailles. Exposée sans protection au martèlement des impacts météoritiques depuis des milliards d’années, la croûte lunaire, bien loin d’être homogène, est effectivement intensément concassée. En se réverbérant de manière incessante sur les fractures de cette enveloppe morcelée et brisée, les trains d’ondes se complexifient et se dispersent dans le temps. Au lieu d’enregistrer un signal clair, sur une période assez courte, un sismomètre placé sur la Lune capte au contraire un signal diffus et déstructuré, qui s’étale sur des intervalles de temps plus longs (pouvant aller jusqu’à une heure).

La façon dont le premier événement sismique enregistré par InSight a été identifié ressemble de manière frappante à ce qui a eu lieu avec les signaux lunaires. Lorsqu’il s’est affiché sur les écrans de contrôle, la signature du sol 128 fut d’abord classée comme étant d’origine inconnue. Après avoir écarté plusieurs hypothèses, comme des phénomènes météorologiques, des mouvements liés à une activité sur l’atterrisseur (vibrations des panneaux solaires, déplacement du bras robotique etc.) ou encore un signal parasite émis par l’instrument lui-même, les sismologues, dans le cadre du Mars Quake Service (MQS, groupe de travail animé par l’équipe InSight de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Zurich), ont mis en œuvre une série de techniques et d’outils sophistiqués pour faire parler les données, et parvenir à la conclusion que l’événement du sol 128 est bien une secousse émanant de Mars, la première jamais détectée sur cette planète. Et les caractéristiques du signal tendent à montrer que, comme sur la Lune, Mars possède des structures qui diffractent fortement les ondes sismiques, et qui rendent l’interprétation des trains d’ondes plus complexes que sur Terre.

En plus du sol 128, trois autres événements sont actuellement considérés comme des secousses sismiques potentielles. Ils ont eu lieu respectivement au cours des sols 105 (14 mars 2019), puis 132 et 133 (11 et 12 avril 2019). Contrairement au signal du sol 128, ils n’ont été enregistrés que par les capteurs VBB ultra-sensibles de SEIS, étant donné la très faible énergie qu’ils transportaient. Si le phénomène à l’origine de ces candidats reste énigmatique, ces derniers ne semblent pas associés à l’activité météorologique, ou aux sources de bruits actuellement connues.

Sur toute la durée de son fonctionnement (entre juillet 1969 et septembre 1977), le réseau sismologique lunaire des missions Apollo enregistra plus de 10 000 séismes, situés souvent à grande profondeur (800 à 1000 kilomètres), mais aussi parfois superficiels, et généralement de faible magnitude (inférieur à 2 sur l’échelle de Richter). A ceci s’ajoutent 2000 signaux liés à des impacts de météorites. Tous ces événements ont permis de déterminer la structure interne de la Lune, de caractériser les propriétés de sa croûte, son manteau et son noyau, et d’émettre des scénarios novateurs quant à sa formation.

Sonification de l'événement capté par le sismomètre SEIS au cours du sol 128 (7 avril 2019), accéléré ici 60 fois, pour être audible par l'oreille humaine. Le signal détecté par les capteurs VBB (très large bande) est diffusé sur le haut-parleur gauche, et celui collecté par les capteurs SP (courté période / haute fréquence) est diffusé sur le haut-parleur droit. Par chance, le signal a été enregistré dans une période calme, située entre une saute de vents et des mouvements du bras robotique d'InSight (qui était à ce moment programmé pour prendre des images). Les heures sont indiquées en UTC (NASA/JPL-Caltech/CNES/IPGP/Imperial College London).

Si la Lune s’avère effectivement être un guide plus utile que l’expérience terrestre pour l’analyse des données collectées par InSight, les scientifiques vont devoir redoubler d’ingéniosité pour obliger Mars à livrer ses secrets. L’observation d’une première série d’événements indique cependant que la planète rouge possède encore bel et bien une activité sismique, certes ténue, et que les chances sont bonnes de pouvoir observer, dans les mois et années à venir, des secousses plus importantes, capables d’illuminer la structure d’une bonne partie du globe martien, et de lever les énigmes de son évolution.

En sismologie planétaire, la patience est clairement une vertu, et pour les géophysiciens impliqués dans l’étude de Mars, une attente longue de quatre décennies vient de prendre fin.

Dernière mise à jour : 23 avril 2019

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