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Les impacts de météorites

Source naturelle d'ondes sismiques, les impacts de météorites seront un allié précieux d'InSight

Impact récent à la surface de Mars (© NASA/JPL/University of Arizona)Impact récent à la surface de Mars (© NASA/JPL/University of Arizona).

Pour sonder les profondeurs de Mars et déterminer sa structure interne, la mission InSight repose d'abord et avant tout sur la vie sismique de la planète.

Même si les sismologues s'attendent à un niveau d'activité sismique bien plus faible que sur Terre, ces derniers espèrent néanmoins pouvoir surprendre quelques séismes durant la mission, et profiter des ondes sismiques émises par les secousses pour percer les mystères de l'intérieur planétaire martien.

Cependant, il est tout à fait possible que Mars ait cessé définitivement de trembler, ayant épuisé toute sa chaleur interne. La planète rouge peut effectivement être morte géologiquement, globe rocheux froid et immobile circulant autour du Soleil. Cette situation, plausible, est prise en compte par les scientifiques impliqués sur la mission InSight. Dans ce cas, un phénomène céleste sera mis à profit pour pouvoir malgré tout sonder l'intérieur de Mars : les impacts d'astéroïdes.

Impacts et collisions

Il y a des milliards d'années, lorsque Mars et la Terre se sont formées dans la nébuleuse de gaz et de poussière qui entourait le jeune soleil, leur surface était continuellement bombardée par des nuées d'astéroïdes et de comètes, qui laissaient alors des cicatrices spectaculaires sous la forme de cratères.

Aujourd'hui, les cieux sont heureusement devenus bien plus calmes, mais il arrive encore parfois que la Terre rencontre sur sa trajectoire autour du Soleil des fragments rocheux vagabondant sans but dans l'espace interplanétaire. S'ils sont suffisamment massifs, ces roches traversent alors l'atmosphère dans une traînée de feu et atteignent la surface sous la forme de météorites. Rares et très convoités, ces cailloux célestes font alors le bonheur des scientifiques ou des collectionneurs privés.

Impact récent à la surface de Mars (© NASA/JPL/University of Arizona)Impact récent à la surface de Mars (© NASA/JPL/University of Arizona).

Notre planète n'a pas l'exclusivité des chutes de météorites. Ces pierres du ciel échouent également sur Mars, et les véhicules d'exploration en action sur la planète rouge, comme Opportunity ou Curiosity, les croisent parfois sur leur route. Les rovers s'arrêtent alors pour prendre des photos et effectuer quelques analyses chimiques, avant de reprendre rapidement leur chemin. La priorité de ces missions est effectivement d'abord et avant tout d'étudier les roches martiennes, et les météorites ne sont vues que comme d'amusantes curiosités.

Pour InSight, les météorites qui tombent sur Mars vont prendre une tout autre importance, car chaque impact sera susceptible de générer des ondes de choc tant attendues par les sismologues.

Pour bien comprendre l'utilité des impacts de météorites pour la mission Insight, il est nécessaire d'étudier un peu plus en détail le déroulement d'un impact, sachant qu'il existe des différences selon que la météorite tombe sur Terre, la Lune ou Mars.

Dynamique d'un impact

Lorsqu'un astéroïde s'abîme sur notre planète, il frappe les couches denses de l'atmosphère à une vitesse vertigineuse, plus de dix kilomètres par seconde. La friction avec l'air provoque un échauffement considérable du bolide, à tel point que la plupart sont complètement volatilisés avant d'atteindre le sol. La chute d'un impacteur produit donc d'abord et avant tout une onde de choc sonore qui se propage vers l'avant et frappe violemment le sol, en laissant une trace très visible sur les sismogrammes.

Si l'impacteur ne s'est pas totalement consumé durant la traversée de l'atmosphère, une partie de sa masse peut atteindre la surface et creuser un cratère. L'énergie dégagée par la collision donne alors naissance à de nouvelles ondes de choc, différentes de celle générées par le blast atmosphérique, mais tout aussi intéressantes à recueillir et étudier.

Mécanisme d'un impact d'astéroïdes : comparaison entre La Terre, la Lune et Mars (© IPGP/David Ducros).Mécanisme d'un impact d'astéroïdes : comparaison entre La Terre, la Lune et Mars (© IPGP/David Ducros).

Le mécanisme que nous venons de décrire varie cependant avec la nature du corps planétaire. Ainsi, la Lune, totalement dépourvue d'atmosphère, n'oppose évidemment aucune résistance aux chutes de météorites. Ces dernières parviennent intactes à la surface et frappent alors le sol sélène de toute leur masse. Le réseau de stations sismiques déposé sur la Lune par les astronautes des missions Apollo a permis de détecter plusieurs milliers d'impacts de météorites, qui ont aidé à la caractérisation des profondeurs de notre satellite. Ces impacts ont représenté environ 20 % des séismes observés par le réseau sismique Apollo.

Mécanisme de formation d'un cratère d'impact (© droits réservés/Belin)Mécanisme de formation d'un cratère d'impact (© droits réservés/Belin).Avec une atmosphère très ténue de dioxyde de carbone (6 mbars de pression en moyenne, soit une valeur presque 200 fois inférieure à celle de l'atmosphère terrestre), la planète Mars constitue un cas intermédiaire entre la Terre et la Lune.

Sur cette planète, la chute d'une météorite s'accompagne à la fois d'une onde de choc qui se propage dans l'air, et d'une vague d'ondes sismiques liées à l'impact proprement dit avec la surface et l'excavation d'un cratère.

Si, à cause de sa nature concassée, le sol martien pourrait atténuer de manière significative l'onde de choc atmosphérique, les vagues d'énergie occasionnées par l'impact avec la surface pourraient en revanche voyager en surface sur des distances assez importantes, et être mises à profit pour la détermination de la structure interne de Mars.

La principale problématique est liée à l'énergie dégagée par l'impact. Statistiquement, les petits impacts, qui creusent des cratères de quelques mètres de diamètre seulement, sont bien plus nombreux que des impacts capable d'excaver un cratère de 100 mètres d'envergure. Or, ce sont surtout ces derniers qui sont intéressants, à cause de l'énergie qu'ils libèrent. Les petits impacts sont moins susceptibles d'être détectés, et de permettre de sonder l'intérieur profond planétaire.

Sur Mars, un impact capable de creuser un cratère de 100 mètres de diamètre survient environ tous les 10 ans. Il est donc très peu probable que sur la totalité de sa mission, la sonde InSight soit en mesure d'assister à un tel événement. A moins d'avoir beaucoup de chance, il faudra plutôt compter sur des impacts plus timides, qui n'éclaireront que la structure de la proche surface située entre la sonde et le cratère.

Localisation précise du foyer des séismes

Outre le fait qu'ils peuvent générer des ondes sismiques similaires à celles dégagées par les séismes conventionnels, et tout aussi utilisables pour le sondage des profondeurs planétaires, les impacts présentent également un second avantage.

Equipée d'un seul sismomètre, InSight ne peut pas trianguler un séisme pour localiser son épicentre. La position d'un séisme sur le globe martien, ainsi que sa profondeur, ne seront donc pas connus avec une grande précision.

Une météorite de fer découverte par le rover Curiosity dans le cratère d'impact Gale (© NASA/JPL-Caltech/LANL/CNES/IRAP/LPGNantes/CNRS/IAS/MSSS)Une météorite de fer découverte par le rover Curiosity dans le cratère d'impact Gale (© NASA/JPL-Caltech/LANL/CNES/IRAP/LPGNantes/CNRS/IAS/MSSS).La situation est bien différente dans le cas des impacts, car ces derniers laissent des cicatrices visibles sur la croûte martienne.

L'un des satellites en orbite autour de Mars, la sonde américaine Mars Reconnaissance Orbiter, est équipé d'un télescope très puissant, qui peut prendre des images à haute résolution de la surface de Mars. Depuis son arrivée, Mars Reconnaissance Orbiter et d'autres orbiteurs ont déjà identifié plusieurs centaines d'impacts météoritiques ayant eu lieu au cours des dernières décennies.

Le scénario suivant pourra donc avoir lieu. Un impact météoritique se produit dans la région ou la sonde InSight s'est posée. Le choc libère des ondes sismiques qui atteignent l'atterrisseur, et qui sont enregistrées par le sismomètre SEIS. Traités informatiquement, les signaux sismiques permettent de situer approximativement la position de l'impact. Les coordonnées sont transmises à la sonde Mars Reconnaissance Orbiter, qui effectue alors plusieurs survols pour photographier la région cible.

L'objectif est d'identifier à la surface les traces d'un impact. Cette opération n'est cependant possible que si le secteur a déjà été imagé auparavant. Effectivement, si un impact apparaît sur une image, il ne sera pas possible de savoir s'il vient effectivement de se produire, ou si au contraire il date de plusieurs années, en étant passé inaperçu.

Vue d'artiste d'un impact frappant la surface de Mars. Au premier plan, on aperçoit l'un des patins d'atterrissage de la sonde InSight, ainsi que le bouclier WTS protégeant le sismomètre SEIS (© IPGP/Manchu/Bureau 21).Vue d'artiste d'un impact frappant la surface de Mars. Au premier plan, on aperçoit l'un des patins d'atterrissage de la sonde InSight, ainsi que le bouclier WTS protégeant le sismomètre SEIS (© IPGP/Manchu/Bureau 21).

En préparation de l'arrivée d'InSight, Mars Reconnaissance Orbiter a donc entamé un travail de fourmis : le quadrillage d'une région d'environ 5000 km2 autour du site d'atterrissage. La cartographie effectuée servira de référence pour l'identification de nouveaux impacts.

Collaboration entre InSight et Mars Reconnaissance Orbiter pour la localisation d'une source sismique de type impact (© IPGP/David Ducros)Collaboration entre InSight et Mars Reconnaissance Orbiter pour la localisation d'une source sismique de type impact (© IPGP/David Ducros).

Ainsi, si dans le secteur pointé par le sismomètre SEIS, un cratère d'impact est apparu sur une surface auparavant vierge, la position de la source des ondes sismiques aura été déterminée, et ce avec une précision étonnante. Les algorithmes mathématiques utilisés pour traiter les signaux enregistrés par le sismomètre seront affinés, ce qui rendra les futures opérations de localisation d'autant plus fiables.

En documentant le flux d'impacts qui frappe aujourd'hui la surface de Mars, InSight permettra également d'affiner la datation des terrains martiens (la règle de base étant que plus un terrain est vieux, plus il est porteur de cratères, et plus ces derniers sont imposants). Le danger représenté par les chutes de météorites pour les missions habitées sera également mieux qualifié. Notons cependant pour terminer qu'InSight ne pourra mesurer le flux de météorites qu'en termes d'événements (nombre d'impacts par année), et non de la masse déposée au sol par les impacts.

Dernière mise à jour : 4 avril 2018

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