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Pour la première fois  une mission 
spatiale va donner accès aux profondeurs de Mars

Le décollage, en mai 2018, de la mission InSight permettra aux géophysiciens d'accomplir un très vieux rêve : celui de pouvoir enfin poser sur Mars un sismomètre, pour étudier les séismes qui secouent encore les terres désolées de la planète rouge et accéder par là même aux secrets cachés dans les profondeurs de son sous-sol.

Le secret d'un destin hors du commun

L'atterrisseur InSight (© NASA/JPL)L'atterrisseur InSight, avec ses deux panneaux solaires déployés. Le sismomètre est ici déposé au sol, et rattaché à la sonde par un câble flexible (© NASA/JPL).

Si la surface de la planète rouge est de mieux en mieux connue, grâce aux satellites qui tournoient sans cesse autour de l'astre et aux sondes qui s'y sont posées, l'intérieur de Mars reste une terra incognita, un territoire que les instruments des missions passées n'ont pas encore exploré.

C'est pourtant dans les profondeurs de la planète que gisent quelques-unes des réponses à l'énigme que nous pose Mars : pourquoi cette planète, qui a été si semblable à la Terre il y a 3 à 4 milliards d'années, a connu un destin aussi dramatique. Ce monde autrefois hospitalier, qui possédait un champ magnétique protecteur, une atmosphère épaisse, une activité volcanique intense, et où l'eau liquide pouvait s'épancher librement à la surface, est aujourd'hui une planète désertique et glaciale, figée dans une torpeur que plus rien ne viendra briser. En comparaison, notre planète a connu un destin absolument hors du commun. Pourquoi une telle différence ?

La capacité d'une planète à devenir habitable et à le rester est intrinsèquement liée à la chaleur qu'elle garde dans ses profondeurs, et donc à la puissance de son moteur thermique.

Grâce à un outil extrêmement puissant, la sismologie, discipline qui étudie les caractéristiques des ondes sismiques émises par les tremblements de Terre et la manière dont ces dernières se propagent jusqu'au centre de la Terre, les géophysiciens sont patiemment parvenus à décrypter ce qui se cache sous nos pieds, depuis environ un siècle. Petit à petit, nous avons découvert que notre planète possède, exactement comme un abricot, une croûte (sa peau), un manteau (sa chair) et un noyau.

Composé de métal dont la partie externe est en fusion, le noyau est parcouru par des courants électriques qui génèrent en retour un champ magnétique. C'est ce dernier qui protège notre monde des rayonnements et particules mortels émis par le soleil. Quant au manteau, les roches dont il est composé sont suffisamment chaudes pour être visqueuses et se déplacer avec des vitesses de l'ordre du centimètre par an. Animé par la chaleur interne de la planète, il est le siège de mouvements lents mais très puissants, qui parviennent à faire bouger les continents et les océans.

Sismologie martienne : une chance tous les 20 ans

Inévitablement, après avoir déposé des sismomètres sur la Lune, le regard des géophysiciens s'est tourné vers Mars, bien plus intéressante, car plus proche de la Terre.

Hélas, orientées vers la recherche de traces de vie, fossiles ou non, les missions spatiales n'ont laissé que peu de marge aux géophysiciens, et les places étaient très chères pour les sismomètres.

A l'heure actuelle, deux sismomètres seulement ont pu être déposés sur Mars. Il y a quarante ans, les sondes Viking sont effectivement parvenues à placer des instruments capables d'enregistrer des données sismiques au sol, mais les conditions opérationnelles n'ont hélas pas permis d'effectuer des mesures probantes.

En 1996, vingt années après cette première tentative, un nouvel essai a eu lieu avec la sonde russe Mars 96. A la consternation des équipes impliquées, cette dernière n'est malheureusement pas parvenue à quitter l'orbite terrestre.

En 2018, un peu plus de vingt années après Mars 96, ce sera au tour de la sonde InSight de reprendre le flambeau. Son objectif : poser sur la planète Mars un sismomètre unique, aussi perfectionné que résistant, dont les mécanismes délicats devraient permettre d'enregistrer pour la première fois l'activité sismique de l'astre rouge.

Dessin d'artiste de l'atterrisseur InSight (© IPGP/Manchu/Bureau 21).Contrairement aux sondes Viking de 1976, InSight dispose d'un bras robotique permettant de déployer le sismomètre au sol, de manière à améliorer son efficacité. L'instrument, déjà protégé par des couches de matériaux isolants, s'apprête ici à être recouvert par un large bouclier, qui le protégera des vents et des variations de température. Sur Terre, les sismomètres sont obligatoirement enterrés dans des caves sismiques, une solution qui n'est bien sûr pas encore envisageable sur Mars (© IPGP/Manchu/Bureau 21).

Un mécanisme d'horlogerie d'une précision étourdissante

Fruit de vingt années d'efforts et d'acharnement, SEIS, le sismomètre d'InSight, est un véritable bijou de technologie. Un mécanisme d'horlogerie unique au monde, spécialement conçu pour fonctionner dans l'environnement hostile martien.

Sa sensibilité est mille fois supérieure à celle du sismomètre des sondes Viking, et contrairement à ce dernier qui était resté fixé sur l'atterrisseur, il sera placé directement au contact du sol par un bras robotique.

Disposant de multiples couches de protection thermique, qui atténueront au maximum les formidables écarts de température qui existe sur Mars entre le jour et la nuit, il écoutera patiemment, durant deux années terrestres, le moindre soubresaut de la surface martienne. Rien ou presque ne pourra lui échapper. Jugez plutôt : SEIS est tellement sensible qu'il est capable de mesurer des déplacements infinitésimaux à l'échelle atomique. Si le sol bouge sur une distance inférieure à la dimension de l'atome d'hydrogène,  ce mouvement sera néanmoins enregistré par l'instrument !

De la solitude d'un sismomètre

La résistance et la robustesse sont des qualités indispensables à tous les instruments dont le destin est d'être envoyé sur Mars. De son côté, SEIS va devoir faire face à un autre challenge au cours de sa mission : une immense solitude.

Contrairement aux sismomètres terrestres qui fonctionnent en réseau, et qui se viennent mutuellement en aide lorsqu'il s'agit de localiser un séisme, SEIS demeurera inexorablement seul sur la plaine équatoriale d'Elysium, son site d'atterrissage, pour au moins deux années. Le rover de la mission ExoMARS, qui sera équipé d'un sismomètre réalisé par l'agence spatiale russe, l'IKI, ne partira effectivement qu'en 2020.

Pourtant, en mettant en oeuvre des techniques sophistiquées de traitement des données et en utilisant plusieurs astuces, les géophysiciens parviendront à réaliser avec une seule station d'écoute ce qui nécessitait auparavant des dizaines de sismomètres.

Absence de séismes : les deux jokers d'InSight

Vue du dessus du pont scientifique de la sonde InSight (© NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin)Vue du dessus du pont scientifique de la sonde InSight. On distingue en particulier le capteur de pression ultra-sensible (en blanc), la protection thermique hexagonale du sismomètre SEIS, et les deux boites de protection rouges qui protègent les capteurs TWINS de la station météo (© NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin).Et si Mars demeure silencieuse ? Si plus rien ne vient troubler la surface et les profondeurs de cet astre dans son incessant parcours autour du soleil ?

Dans ce cas de figure, prévu par les scientifiques, le sismomètre SEIS d'InSight parviendra néanmoins à remplir sa mission grâce à trois alliés : les impacts de météorites, les marées de la lune martienne Phobos, et les soubresauts de l'atmosphère.

En chutant régulièrement des profondeurs de l'espace sur la surface rouillée de la planète rouge, les météorites forment des cratères, en dégageant une quantité considérable d'énergie lors de leur impact. Une partie de cette dernière est libérée sous la forme d'une onde de choc, à laquelle SEIS prêtera une oreille très attentive.

Guidée par les indications fournies par le sismomètre, les caméras à très haute résolution de la sonde américaine Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) et de la sonde Trace Gas Orbiter du programme ExoMARS pourront ensuite rechercher et photographier l'impact, ce qui permettra en retour d'affiner considérablement les données de SEIS.

Le second joker d'InSight, c'est la lune martienne Phobos. Sur Terre, la force d'attraction de notre satellite la Lune est responsable du phénomène des marées, qui s'exerce surtout sur les masses liquides des océans et des mers, et qui fait la joie de nombreux vacanciers. De son côté, Mars ne possède que deux très petits satellites, mais leur masse parvient néanmoins à déformer la surface solide de la planète rouge, certes de façon extrêmement subtile, mais tout de même détectable pour la plus proche des deux, Phobos.

En accumulant des données sur une année terrestre, le sismomètre SEIS va permettre de mesurer le bombement de la croûte induit par la lune Phobos, ce qui donnera en retour accès à la nature du noyau métallique martien. Liquide ou solide, ce dernier sera obligé de livrer son secret, et ce même en l'absence de séismes.

Enfin, la surface de Mars et son atmosphère sont animées en permanence de vents, de tourbillons, de turbulences, qui génèrent sans cesse des variations de pression au niveau du sol. Ces turbulences seront aux séismes ce qu’un balai serait à une baguette de tambour : la source de frémissements continus qui finissent par faire bourdonner et vibrer la planète, même en l'absence de séismes. Cette excitation bien particulière de l'astre par son atmosphère permettra là aussi de sonder sa structure interne.

La sonde InSight à la surface de Mars, avec ses instruments déployés (© David Ducros).La sonde InSight à la surface de Mars, avec ses instruments déployés (© David Ducros).

InSight : un observatoire géophysique complet

Dans sa quête des secrets enfouis dans les profondeurs de Mars, le sismomètre SEIS sera accompagné par plusieurs autres instruments. La sonde InSight est effectivement un observatoire géophysique complet, et dispose ainsi d'une station météorologique, d'un pénétrateur dédié à la mesure du flux de chaleur sortant du sol, et d'un magnétomètre. Les signaux radios seront même mis à contribution pour déterminer en détail la manière dont la planète Mars tourne sur elle-même, et déterminer avec une précision digne d'un GPS la position de la station par rapport à la Terre.

InSight n'offre rien de moins qu'une plongée dans les profondeurs insondables de la planète Mars, et par extension, un voyage vers le coeur des mondes planétaires qui orbitent depuis des milliards d'années autour de notre étoile le soleil, et qui accompagnent depuis toujours la Terre dans son immense voyage cosmique.

Dernière mise à jour : 26 février 2018

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