InSight-mission:Mars afsløret

Ved hjælp af information opnået fra omkring et dusin jordskælv detekteret på Mars af Very Broad Band SEIS seismometeret, udviklet i Frankrig, det internationale hold af NASA's InSight-mission har afsløret Mars' interne struktur. De tre artikler udgivet den 23. juli, 2021 i bladet Videnskab , involverer talrige medforfattere fra franske institutioner og laboratorier, herunder CNRS, Institut de Physique du Globe de Paris, og Université de Paris, og støttet især af det franske rumagentur CNES og det franske nationale forskningsagentur ANR, give, for første gang, et skøn over størrelsen af ​​planetens kerne, tykkelsen af ​​dens skorpe og strukturen af ​​dens kappe, baseret på analysen af ​​seismiske bølger reflekteret og modificeret af grænseflader i dets indre. Det gør dette til den første seismiske udforskning nogensinde af den indre struktur af en jordisk planet, der ikke er Jorden, og et vigtigt skridt i retning af at forstå Mars' dannelse og termiske udvikling.

Før NASAs InSight-mission, Mars' indre struktur var stadig dårligt forstået. Modeller var kun baseret på data indsamlet af satellitter i kredsløb og på analysen af ​​Mars-meteoritter, der faldt til Jorden. På basis af tyngdekraften og topografiske data alene, tykkelsen af ​​skorpen blev anslået til at være mellem 30 og 100 km. Værdier for planetens inertimoment og tæthed antydede en kerne med en radius på 1, 400 til 2, 000 km. Mars' detaljerede indre struktur og dybden af ​​grænserne mellem skorpen, kappe og kerne var, imidlertid, fuldstændig ukendt.

Med den vellykkede implementering af SEIS-eksperimentet på overfladen af ​​Mars i begyndelsen af ​​2019, missionsforskerne, inklusive de 18 franske medforfattere, der er involveret og tilknyttet en lang række franske institutioner og laboratorier, sammen med deres kolleger fra ETH i Zürich, universitetet i Köln og Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, indsamlet og analyseret seismiske data over et Mars-år (næsten to jordår).

Det skal påpeges, at for samtidig at bestemme en strukturel model, (ankomst)tidspunktet for et jordskælv, og dens afstand, mere end én station er normalt påkrævet. Imidlertid, på Mars har forskerne kun én station, Indsigt. Det var derfor nødvendigt at søge de seismiske optegnelser for de karakteristiske træk ved bølger, der havde interageret på forskellige måder med Mars indre strukturer, og identificere og validere dem. Disse nye målinger, kombineret med mineralogisk og termisk modellering af planetens indre struktur, har gjort det muligt at overvinde begrænsningen ved at have en enkelt station. Denne metode indvarsler en ny æra for planetarisk seismologi.

En enkelt station, flere fund

En anden vanskelighed på Mars er dens lave seismicitet og den seismiske støj, der genereres af dens atmosfære. På jorden, jordskælv er meget stærkere, mens seismometre er mere effektivt placeret i hvælvinger eller under jorden, gør det muligt at få et nøjagtigt billede af planetens indre. Som resultat, der skulle lægges særlig vægt på dataene. "Men selvom jordskælv fra Mars har en relativt lav størrelse, mindre end 3,5, den meget høje følsomhed af VBB-sensoren kombineret med den meget lave støj ved mørkets frembrud gjorde os i stand til at gøre opdagelser, to år siden, vi troede kun var mulige med jordskælv med en styrke større end 4, " forklarer Philippe Lognonné, professor ved universitetet i Paris og hovedforsker for SEIS-instrumentet ved IPGP.

Hver dag, dataene, behandlet af CNES, IPGP og CNRS, og overført til forskerne, blev omhyggeligt renset for omgivende støj (vind og deformation relateret til hurtige temperaturændringer). Det internationale Mars Quake Service-team (MQS) registrerede de seismiske hændelser på daglig basis:Mere end 600 er nu blevet katalogiseret, hvoraf over 60 var forårsaget af relativt fjerne jordskælv.

Omkring ti af sidstnævnte indeholder oplysninger om planetens dybe struktur:"De direkte seismiske bølger fra et jordskælv er lidt ligesom lyden af ​​vores stemmer i bjergene:De producerer ekkoer. Og det var disse ekkoer, reflekteret fra kernen, eller ved grænsefladen mellem skorpe og kappe eller endda overfladen af ​​Mars, som vi ledte efter i signalerne, takket være deres lighed med de direkte bølger, " forklarer Lognonné.

En ændret skorpe, en kappe åbenbaret, og en stor flydende kerne

Ved at sammenligne opførselen af ​​seismiske bølger, når de rejste gennem skorpen, før de nåede InSight-stationen, flere diskontinuiteter i skorpen blev identificeret:Den første, observeret i en dybde på omkring 10 km, markerer grænsen mellem en stærkt ændret struktur, som følge af cirkulation af væske for meget lang tid siden, og skorpe, der kun er lidt ændret. En anden diskontinuitet omkring 20 km nede, og en tredje, mindre udtalt ved omkring 35 km, kaste lys over lagdelingen af ​​skorpen under InSight:"For at identificere disse diskontinuiteter, vi brugte alle de nyeste analysemetoder, både med jordskælv af tektonisk oprindelse og med vibrationer forårsaget af miljøet (seismisk støj), " siger Benoit Tauzin, Universitetslektor ved University of Lyon og forsker ved LGL-TPE.

I kappen, forskerne analyserede forskellene mellem rejsetiden for bølgerne produceret direkte under jordskælvet, og bølgerne genereret, når disse direkte bølger blev reflekteret fra overfladen. Disse forskelle gjorde det muligt, kun bruger en enkelt station, at bestemme strukturen af ​​den øvre kappe, og især variationen i seismiske hastigheder med dybden. Imidlertid, sådanne variationer i hastighed er relateret til temperatur. "Det betyder, at vi kan estimere varmestrømmen på Mars, som sandsynligvis er tre til fem gange lavere end Jordens, og sætter begrænsninger på sammensætningen af ​​Mars-skorpen, som menes at indeholde over halvdelen af ​​de varmeproducerende radioaktive grundstoffer, der findes på planeten, tilføjer Henri Samuel, en CNRS-forsker ved IPGP.

Endelig, i den tredje undersøgelse, forskerne ledte efter bølger reflekteret fra overfladen af ​​Mars-kernen, målingen af ​​hvis radius var en af ​​de vigtigste resultater af InSight-missionen. "At gøre dette, " forklarer Mélanie Drilleau, en forskningsingeniør hos ISAE-SUPAERO, "vi testede flere tusinde kappe- og kernemodeller mod de observerede faser og signaler." På trods af de lave amplituder af signalerne forbundet med de reflekterede bølger (kendt som ScS-bølger), et overskud af energi blev observeret for kerner med en radius mellem 1, 790 km og 1, 870 km. En så stor størrelse indebærer tilstedeværelsen af ​​lette elementer i den flydende kerne og har store konsekvenser for kappens mineralogi ved mantel/kerne-grænsefladen.

Opnåede mål, nye spørgsmål dukker op

Mere end to års seismisk overvågning har resulteret i den allerførste model af Mars indre struktur, helt ind til kernen. Mars slutter sig således til Jorden og Månen i den udvalgte klub af terrestriske planeter og måner, hvis dybe strukturer er blevet udforsket af seismologer. Og, som det ofte sker i planetarisk udforskning, Nye spørgsmål dukker op:Er ændringen af ​​de øverste 10 km skorpe generel, eller er det begrænset til InSight-landingszonen? Hvilken indflydelse vil disse første modeller have på teorier om Mars' dannelse og termiske udvikling, især i de første 500 millioner år, hvor Mars havde flydende vand på overfladen og intens vulkansk aktivitet?

Med den toårige forlængelse af InSight-missionen og den ekstra elektriske strøm opnået efter den vellykkede rengøring af dets solpaneler udført af JPL, nye data bør konsolidere og yderligere forbedre disse modeller.