Mars : un an plus tard, quels résultats pour le sismomètre SEIS de la mission InSight ?

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Crédits : NASA
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Sébastien Gavois

Depuis un an, InSight étudie de près les moindres soubresauts de Mars afin d’affiner notre connaissance de la structure de la planète. 460 évènements ont été détectés, certains bien plus intéressants que d’autres. Les scientifiques en tirent déjà de premières conclusions ainsi qu'une « belle surprise », mais c'est loin d’être terminé. 

Posée à la surface de Mars depuis plus d’un an, la mission InSight de la NASA étudie le cœur de la planète rouge, notamment grâce à son sismomètre SEIS développé par le CNES, en partenariat avec de nombreuses autres institutions dont l’IGP (Institut de physique du globe) de Paris et le JPL (Jet Propulsion Laboratory) de la NASA.

Elle devait initialement décoller en 2016, mais « en raison d’un problème technique sur l'instrument SEIS fourni par le CNES, le lancement de la sonde américaine Insight » avait été annulé en décembre 2015. Finalement, une rallonge de 153,8 millions de dollars était accordée en septembre 2016, avec un lancement en 2018.

De Viking à InSight

D’une certaine manière, SEIS peut être vu comme le successeur de la mission Viking de la fin des années 70. Deux atterrisseurs qui disposaient pour rappel chacun d’un sismomètre, une première pour Mars.

Et autant dire que le succès ne fut pas spécialement au rendez-vous. Celui de Viking 1 était inutilisable en raison d’un problème avec son mécanisme de déverrouillage. Si celui de Viking 2 fonctionnait bien, il « péchait par son manque de sensibilité, et l'influence des vibrations de l'atterrisseur ne pouvait pas être estimée et écartée ».

Pire, en réanalysant plus récemment les données avec de nouvelles techniques plus performantes, « les sismologues se demandent toujours si l'atterrisseur est parvenu à entendre un seul séisme ». 

Mars Insight

SEIS : un stéthoscope pour « écouter » l’activité de Mars

SEIS doit permettre de mieux comprendre la constitution interne de Mars, qui est finalement assez peu connue pour le moment. Si vous vous demandez comment il fonctionne, voici ce qu'en dit le site officiel de la mission InSight :

« À l'image du stéthoscope qu'un médecin utilise pour écouter l'activité des organes internes d'un patient, ou de l'échographie, capable de fournir une image d'un nourrisson dans le ventre de sa mère, l'écoute des vibrations émises par la Terre par le maillage très dense des réseaux de sismomètre permet de pénétrer dans l'intimité profonde de notre planète, un domaine par ailleurs inaccessible de façon directe.

Les ondes sismiques générées par un séisme se comportent comme des rayons lumineux. Lorsqu'elles frappent un milieu donné, elles peuvent en effet être réfléchies dans une autre direction, un peu comme face à un miroir, ou réfractées, c'est à dire à la fois déviées et ralenties. »

Sur Terre, nous pouvons disposer des réseaux de capteurs sismiques tout autour de la planète afin de mesurer finement la propagation des ondes à travers plusieurs stations et ainsi identifier l’origine des séismes. Sur Mars, c’est impensable et InSight n’emporte qu’un seul instrument comprenant six sismomètres.

Il faut donc faire preuve d’ingéniosité pour identifier et analyser les ondes, afin d’en tirer ensuite des conclusions sur la composition interne de Mars. C'était l'objet de six publications mises en ligne de manière synchronisée : cinq dans Nature Geoscience, une dans Nature Communications. Toutes ne concernent pas SEIS.

Deux évoquent des mesures atmosphériques et magnétiques, une de contexte géologique, une est généraliste sur la planète et enfin deux présentent les premiers résultats du sismomètre. Philippe Lognonné, principal instigateur de l’instrument SEIS et géophysicien à l’Institut de physique du globe de Paris, les évoque dans le Journal du CNRS.

Il y explique notamment que SEIS est « la station sismique la moins bruitée du système solaire » et que ses équipes « ont pu mesurer des signaux dix fois plus faibles qu’anticipés ». Les premiers résultats viennent de tomber, assortis des premières conclusions. Si certaines peuvent paraître triviales, elles n’en demeurent pas moins importantes.

Car comme pour les ondes gravitationnelles, supposer très fortement qu’un phénomène existe et l’« observer » sont deux choses différentes, tout aussi importantes l’une que l’autre. En physique, la validation de la théorie par la pratique ne doit pas être prise à la légère. 

« Nous avons bien sûr été très surpris et excités »

Une fois installée sur Mars, la principale difficulté pour SEIS est d'atteindre un niveau de précision suffisant pour mesurer les petits soubresauts de la planète. Sur Terre, les séismes peuvent atteindre des magnitudes de 8 et de manière plus rare 9 ou plus. En 1960 par exemple, le Chili a connu le plus grand séisme jamais enregistré avec une magnitude de 9,5.

Sur Mars les scientifiques s’attendaient à trouver des séismes avec une magnitude moyenne aux alentours de 4 et espéraient grimper jusqu’à 5,5 pour quelques événements par an. « Il n’y a en effet plus de tectonique des plaques sur la planète rouge, or quand on passe d’une magnitude 7 à une magnitude 4, on divise l’amplitude des ondes d’un facteur 30 000 », explique Philippe Lognonné pour donner un ordre de grandeur du niveau de précision auquel il faut descendre.

« Nous avons commencé les acquisitions de données en février 2019, mais nous n’avons détecté que de tout petits événements les deux premiers mois », ajoute-t-il. La chance commence ensuite à sourire aux scientifiques : « Nous avons enfin eu un événement à haute fréquence et de forte amplitude le 7 avril. Nous avons bien sûr été très surpris et excités, même si la magnitude était seulement de 2,1 ».

InSight
Crédits : IPGP/David Ducros

Petit rappel sur les ondes de volume P et S…

Il ajoute que, fin septembre 2019, « huit des séismes basse fréquence détectés avaient des phases d’ondes sismiques primaires (P) et secondaires (S), et trois d’entre eux avaient une polarisation d’onde mesurable ».

Mais à quoi correspondent les ondes P et S ? L'occasion d'un point sur le sujet, ainsi que les ondes R1, R2 et R3, la fréquence et la polarisation. L’école et observatoire des sciences de la Terre (EOST) de l’université de Strasbourg et le CNRS expliquent que « P » et « S » sont des ondes de volume, qui se propagent à l’intérieur des planètes. D'où la notion de volume, si l’on compare Mars à une sphère.

Les ondes P – appelées de compressions, longitudinales ou primaires – sont les plus rapides et donc les premières à arriver au sismomètre (aussi bien sur Terre que Mars) : « le déplacement du sol qui accompagne leur passage se fait par dilatation et compression successive ». Les responsables de la mission SEIS expliquent qu’elles se déplacent « assez vite (de 6 à 14 kilomètres par seconde en moyenne), et peuvent traverser n'importe quel matériau, que celui-ci soit solide ou liquide ».

Les ondes S – de cisaillements, transversales ou secondaires – sont plus lentes (de 4 à 6 kilomètres par seconde en moyenne) et arrivent donc dans un second temps. « À leur passage, les mouvements du sol s'effectuent perpendiculairement au sens de propagation de l'onde ». Contrairement aux ondes P, elles « ne se propagent pas dans les milieux liquides ».

Concernant l’intérêt de les connaître, le CNRS explique que « Ces deux ondes [P et S, ndlr] sont indispensables pour mesurer la distance de l’épicentre d’un tremblement de terre lorsqu’on ne dispose que d’un seul sismomètre ». La polarisation des ondes permet d’obtenir leur direction d’arrivée, « ce qui permet finalement la localisation de l’événement ».

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Ondes P à gauche, ondes S à droite / Crédits : IPGP/David Ducros

…mais aussi sur les ondes de surface R

Ce ne sont pas les seules ondes se propageant sur/dans Mars à être étudiées par SEIS, ce serait bien trop simple. Il y a également des ondes de surface, avec là encore deux catégories : Rayleigh (ondes R) et Love (ondes L).

Les premières ont un « déplacement complexe, assez semblable à celui d'une poussière portée par une vague, un mouvement à la fois horizontal et vertical, elliptique en fait ». Il faut un séisme d’une magnitude suffisamment importante (généralement plus de 4) pour les voir apparaître. Elles se décomposent en plusieurs sous-catégories.

Les ondes R1 sont les premières à arriver au sismomètre, les ondes R2 sont issues de la même série, mais elles font le tour en prenant le chemin le plus long, c’est-à-dire en passant par l’autre côté de la planète. Ensuite, arrivent les ondes R3 sont en réalité des ondes R1 ayant fait un tour complet de Mars (ce qui prend environ 2h précise le CNRS).

Comme on connaît la circonférence de Mars (un peu plus de 21 000 km), on peut donc facilement en déduire la vitesse de propagation des ondes R, avec la formule « v = d / t » (pour ceux qui l’aurait oubliée). 

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Crédits : IPGP/David Ducros

Une histoire de basses et hautes fréquences

Enfin, la fréquence (en Hz). Une onde à haute fréquence, aussi appelée onde à courte période – petit rappel utile :  f (fréquence) = 1 / T (période) – est caractérisée par une « montée et une descente qui se produire rapidement, par exemple en moins d'une seconde ». Avec une onde basse fréquence ou longue période, c’est le contraire : « le sol va monter lentement, par exemple durant une minute, puis redescendre tout aussi lentement, là aussi sur une minute ».

Afin de cibler le plus largement possible les événements sismiques de Mars – mais aussi pallier une éventuelle panne qu’il serait quasi impossible de réparer in situ –  SEIS comprend six capteurs sismiques assurant au système une certaine redondance : trois capteurs à courtes périodes (SP) qui ont même pu être activées dans l’espace après le lancement de la mission, et trois autres très large bande (VBB).

Ces derniers, plus sensibles, forment le cœur de l'instrument SEIS, mais ne peuvent fonctionner que s’ils sont installés parfaitement à plat.

460 événements sismiques détectés par InSight

Un an après la mise en service de SEIS, il est temps de faire un premier bilan. 460 événements sismiques ont été mesurés, dont la plupart avec des signaux hautes fréquences (et donc courte période) dont l’origine n’est par contre pas encore claire : « petits séismes très superficiels, glissements de terrain ou effondrements de pans de falaise sont des candidats pour leur origine », explique le géophysicien Philippe Lognonné.

Ce dernier ajoute que « le nombre de séismes avec des signaux en dessous de 1 hertz (Hz) [et donc basse fréquence ou longue période, vous suivez ?, ndlr] est maintenant proche de la quarantaine ». Contrairement aux événements hautes fréquences, ils prendraient naissance plus profondément dans la structure de Mars, dans la croûte ou le manteau.

L’analyse des ondes basse fréquence a notamment « permis de découvrir la présence d’une discontinuité dans la croûte, vers dix kilomètres de profondeur ».

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Crédits : IPGP/Nicolas Sarter

Trois conclusions après un an, dont une « belle surprise » 

Pour le moment, les scientifiques ont trois principaux résultats à mettre en avant. Tout d’abord, même si cela n’a l’air de rien, « la mesure d’une secousse suffisamment importante pour qu’on soit sûr qu’il s’agisse bien d’un séisme ». Ensuite, « la confirmation d’un a priori : l’activité sismique martienne se situe entre celle de la Terre et celle de la Lune ».

Enfin, les trois plus gros séismes – deux de magnitude 3,6 environ et un de 3,1 – proviennent de la même région : Cerberus Fossae. « Cet immense système de failles volcaniques s’étend à 1 600 kilomètres de la plaine d’Elysium, où InSight s’est posée. On savait que la zone avait été géologiquement active au cours des quelques dizaines de derniers millions d’années, mais on ne s’attendait pas y détecter nos trois plus gros séismes. C’est une belle surprise », explique Philippe Lognonné.

« Nous restons donc encore sur notre faim, dans l’attente de ces plus gros séismes », regrette le responsable de SEIS.

Bonus : « de la sismologie sans activité sismique » 

Les scientifiques ont également eu l’idée de réaliser d’autres mesures avec l’instrument, par exemple en se basant sur les interactions entre le sol et l’atmosphère :

« des tourbillons de poussière, appelés dust devils, se forment sur Mars. Ils provoquent une dépression au niveau du sol que SEIS et la station météo d’InSight ont pu détecter quand ils passaient assez près. Nous en avons déduit les propriétés de rigidité et d’élasticité du sol jusqu’à une dizaine de mètres de profondeur. C’est une nouvelle forme de sismologie ! »

Dans tous les cas, InSight et SEIS n’ont pas encore dit leur dernier mot puisque la mission nominale doit encore durer un an. Il est d'ailleurs déjà prévu de l’étendre de deux ans supplémentaires. Les scientifiques espèrent pouvoir mesurer un séisme d’une magnitude encore plus forte « afin d’améliorer [leurs] modèles de la structure de Mars ».

Pour le moment, le maximum est une magnitude de 3,8, un résultat un peu décevant, car ils espéraient monter au moins jusqu’à 4,5, voire atteindre 5,5, car « une secousse d’une telle intensité génère en effet des ondes de surface, qui nous renseigneraient sur les profondeurs de Mars, comme l’épaisseur de sa croûte et la structure de son manteau supérieur ».

Il reste encore plusieurs mois pour qu’un tel phénomène se produise. 


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