Met behulp van informatie die is verkregen van ongeveer een dozijn aardbevingen die op Mars zijn gedetecteerd door de Very Broad Band SEIS-seismometer, ontwikkeld in Frankrijk, het internationale team van NASA's InSight-missie heeft de interne structuur van Mars onthuld. De drie artikelen die op 23 juli zijn gepubliceerd, 2021 in het journaal Wetenschap , met talrijke co-auteurs van Franse instellingen en laboratoria, inclusief het CNRS, het Institut de Physique du Globe de Paris, en Université de Paris, en met name ondersteund door het Franse ruimteagentschap CNES en het Franse nationale onderzoeksbureau ANR, voorzien in, Voor de eerste keer, een schatting van de grootte van de kern van de planeet, de dikte van zijn korst en de structuur van zijn mantel, gebaseerd op de analyse van seismische golven die worden gereflecteerd en gewijzigd door interfaces in het interieur. Het maakt dit de allereerste seismische verkenning van de interne structuur van een andere aardse planeet dan de aarde, en een belangrijke stap op weg naar het begrijpen van de vorming en thermische evolutie van Mars.

Vóór NASA's InSight-missie, de interne structuur van Mars was nog steeds slecht begrepen. Modellen waren alleen gebaseerd op gegevens verzameld door satellieten in een baan om de aarde en op de analyse van Mars-meteorieten die op de aarde vielen. Alleen op basis van zwaartekracht en topografische gegevens, de dikte van de korst werd geschat op tussen de 30 en 100 km. Waarden van het traagheidsmoment en de dichtheid van de planeet suggereerden een kern met een straal van 1, 400 tot 2, 000 km. De gedetailleerde interne structuur van Mars en de diepte van de grenzen tussen de korst, mantel en kern waren, echter, volledig onbekend.

Met de succesvolle inzet van het SEIS-experiment begin 2019 op het oppervlak van Mars, de missie wetenschappers, inclusief de 18 Franse co-auteurs die betrokken zijn bij en aangesloten zijn bij een breed scala aan Franse instellingen en laboratoria, samen met hun collega's van ETH in Zürich, de Universiteit van Keulen en het Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, verzamelde en analyseerde seismische gegevens over één Marsjaar (bijna twee aardse jaren).

Opgemerkt moet worden dat voor het gelijktijdig bepalen van een constructief model, de (aankomst)tijd van een aardbeving, en de afstand, meer dan één station is meestal vereist. Echter, op Mars hebben de wetenschappers maar één station, In zicht. Het was daarom noodzakelijk om de seismische gegevens te doorzoeken op de karakteristieke kenmerken van golven die op verschillende manieren een wisselwerking hadden gehad met de interne structuren van Mars, en identificeren en valideren. Deze nieuwe metingen, in combinatie met mineralogische en thermische modellering van de interne structuur van de planeet, hebben het mogelijk gemaakt om de beperking van het hebben van een enkel station te overwinnen. Deze methode luidt een nieuw tijdperk in voor planetaire seismologie.

Een enkel station, meerdere bevindingen

Een ander probleem op Mars is de lage seismiciteit en de seismische ruis die door de atmosfeer wordt gegenereerd. Op aarde, aardbevingen zijn veel sterker, terwijl seismometers effectiever in kluizen of ondergronds worden geplaatst, waardoor het mogelijk wordt een nauwkeurig beeld te krijgen van het binnenste van de planeet. Als resultaat, speciale aandacht moest worden besteed aan de gegevens. "Maar hoewel aardbevingen op Mars een relatief lage kracht hebben, minder dan 3,5, de zeer hoge gevoeligheid van de VBB-sensor in combinatie met de zeer lage ruis bij het vallen van de avond stelde ons in staat om ontdekkingen te doen die, twee jaar geleden, we dachten dat dat alleen mogelijk was met aardbevingen met een kracht groter dan 4, " legt Philippe Lognonné uit, een professor aan de Universiteit van Parijs en de hoofdonderzoeker voor het SEIS-instrument bij IPGP.

Elke dag, de gegevens, verwerkt door CNES, IPGP en CNRS, en overgedragen aan de wetenschappers, werd zorgvuldig ontdaan van omgevingsgeluid (wind en vervorming in verband met snelle temperatuurveranderingen). Het internationale Mars Quake Service-team (MQS) registreerde dagelijks de seismische gebeurtenissen:er zijn nu meer dan 600 gecatalogiseerd, waarvan meer dan 60 werden veroorzaakt door relatief verre aardbevingen.

Ongeveer tien van deze laatste bevatten informatie over de diepe structuur van de planeet:"De directe seismische golven van een aardbeving lijken een beetje op het geluid van onze stemmen in de bergen:ze produceren echo's. En het waren deze echo's, gereflecteerd door de kern, of op het grensvlak van korst en mantel of zelfs het oppervlak van Mars, die we zochten in de signalen, dankzij hun gelijkenis met de directe golven, " legt Lognonné uit.

Een veranderde korst, een mantel onthuld, en een grote vloeibare kern

Door het gedrag van seismische golven te vergelijken terwijl ze door de korst reisden voordat ze het InSight-station bereikten, verschillende discontinuïteiten in de korst werden geïdentificeerd:de eerste, waargenomen op een diepte van ongeveer 10 km, markeert de grens tussen een sterk veranderde structuur, als gevolg van de circulatie van vloeistof heel lang geleden, en korst die slechts licht is veranderd. Een tweede onderbreking ongeveer 20 km naar beneden, en een derde, minder uitgesproken op ongeveer 35 km, licht werpen op de gelaagdheid van de korst onder InSight:"Om deze discontinuïteiten te identificeren, we hebben alle meest recente analysemethoden gebruikt, zowel bij aardbevingen van tektonische oorsprong als bij trillingen veroorzaakt door de omgeving (seismisch geluid), " zegt Benoit Tauzin, Hoofddocent aan de Universiteit van Lyon en onderzoeker bij LGL-TPE.

In de mantel, de wetenschappers analyseerden de verschillen tussen de reistijd van de golven die direct tijdens de aardbeving werden geproduceerd, en die van de golven die werden gegenereerd toen deze directe golven door het oppervlak werden weerkaatst. Deze verschillen maakten het mogelijk met slechts één station, om de structuur van de bovenmantel te bepalen, en in het bijzonder de variatie in seismische snelheden met diepte. Echter, dergelijke variaties in snelheid zijn gerelateerd aan temperatuur. "Dat betekent dat we de warmtestroom van Mars kunnen schatten, die waarschijnlijk drie tot vijf keer lager is dan die van de aarde, en beperkingen opleggen aan de samenstelling van de Marskorst, waarvan wordt gedacht dat het meer dan de helft van de warmteproducerende radioactieve elementen bevat die op de planeet aanwezig zijn, " voegt Henri Samuel toe, een CNRS-onderzoeker bij IPGP.

Eindelijk, in de derde studie, de wetenschappers zochten naar golven die werden weerkaatst door het oppervlak van de kern van Mars, het meten van wiens straal een van de belangrijkste prestaties van de InSight-missie was. "Om dit te doen, " legt Mélanie Drilleau uit, een onderzoeksingenieur bij ISAE-SUPAERO, "we hebben enkele duizenden mantel- en kernmodellen getest tegen de waargenomen fasen en signalen." Ondanks de lage amplituden van de signalen die verband houden met de gereflecteerde golven (bekend als ScS-golven), een overschot aan energie werd waargenomen voor kernen met een straal tussen 1, 790 km en 1, 870 kilometer. Een dergelijke grote afmeting impliceert de aanwezigheid van lichte elementen in de vloeibare kern en heeft grote gevolgen voor de mineralogie van de mantel op het mantel/kern-grensvlak.

Doelen behaald, nieuwe vragen ontstaan

Meer dan twee jaar seismische monitoring heeft geresulteerd in het allereerste model van de interne structuur van Mars, tot in de kern. Mars voegt zich dus bij de aarde en de maan in de selecte club van terrestrische planeten en manen waarvan de diepe structuren zijn onderzocht door seismologen. En, zoals vaak gebeurt bij planetaire verkenning, nieuwe vragen komen naar voren:is de wijziging van de top 10 km korst algemeen, of is het beperkt tot de InSight-landingszone? Welke impact zullen deze eerste modellen hebben op theorieën over de vorming en thermische evolutie van Mars, in het bijzonder gedurende de eerste 500 miljoen jaar toen Mars vloeibaar water op het oppervlak had en intense vulkanische activiteit?

Met de verlenging van de InSight-missie met twee jaar en de extra elektrische stroom die is verkregen na de succesvolle reiniging van de zonnepanelen door JPL, nieuwe gegevens moeten deze modellen consolideren en verder verbeteren.