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Tout sur le sismomètre martien de la future mission InSight

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L'étude sismologique des planètes et de la Lune est la grande absente de l'exploration du Système solaire. Or, pour déterminer la structure interne d'une planète, c'est une des méthodes les plus fiables. En 2016, la Nasa compte envoyer un sismomètre français sur Mars pour écouter le cœur de la planète. Philippe Lognonné, responsable scientifique de l'instrument, répond à Futura-Sciences.

La sélection de la mission InSight par la Nasa récompense également la persévérance de Philippe Lognonné et de son équipe qui travaillent à la mise au point d'un sismomètre martien depuis les années 1990. © Nasa/JPL

L'idée d'envoyer un sismomètre sur Mars n'est pas nouvelle. En 1975, les deux missions américaines Viking en embarquaient chacune un. Malheureusement l'un n'a pas fonctionné et l'exploitation des données du second a montré que l'emplacement choisi pour l'installer ne se prêtait pas du tout à l'étude de la structure interne de la planète. En effet, l'instrument n'était pas en contact direct avec le sol, de sorte qu'il n'a mesuré... que des données sur le vent martien.

Les tentatives suivantes ont toutes échoué, la sonde n'arrivant jamais à destination, comme la mission russe Mars96 (échec au lancement), ou tout simplement en raison d'annulation. En 2003 le Cnes abandonne le projet NetLander qui prévoyait l'installation sur la surface martienne d'un réseau de stations géophysiques et météorologiques. En 2009, l'Esa débarquait de la future mission ExoMars la charge utile Humboldt (qui comprenait le paquet géophysique) et avec elle le sismomètre Seis.

De NetLander à ExoMars, les sismomètres étaient développés avec le soutien du Cnes par l'équipe Géophysique planétaire et spatiale de l'Institut de physique du globe de Paris. Loin d'être découragée par ces revers, l'équipe dirigée par Philippe Lognonné, professeur à l'université Paris Diderot, a poursuivi ses travaux sur d'autres projets, comme celui de la Jaxa qui consiste à envoyer un sismomètre sur la Lune (mission Sélène-2) ou de la sonde européenne BepiColombo à destination de Mercure.

Bien lui en a pris : la Nasa vient de sélectionner la mission InSight, pour laquelle le sismomètre Seis (Seismic Experiment for Interior Structures) est l'instrument principal. En 2016, 40 ans après les missions Viking, l'atterrisseur InSight se posera sur Mars pour une mission d'une durée d'au moins une année martienne, soit deux années terrestres.

Un emplacement choisi pour le sismomètre d'InSight

Le sismomètre embarqué sur InSight sera très différent de celui qui était prévu sur ExoMars. Il sera « bien mieux adapté à l'étude de la structure interne de la planète ». Avec ExoMars, il était posé sur la surface, au petit bonheur la chance. « On avait mis des trous à l'intérieur du plancher de l'atterrisseur de façon à le mettre en contact avec le sol en déployant ses pieds ! » Cette solution ne permettait pas « de choisir l'endroit où le sismomètre allait être posé. On courait le risque de se retrouver au-dessus d'un caillou ».

La maquette d'InSight au JPL pour tester le déploiement du sismomètre. © Laurent Kerjean

Avec InSight, la stratégie est « tout autre et bien mieux pensée ». L'atterrisseur sera doté d'un bras et d'une caméra, ce qui va « permettre de choisir avec précision l'emplacement de l'instrument ». Plusieurs mètres carrés seront disponibles autour d'Insight, jusqu'à une distance d'un mètre. Dès que son emplacement aura été choisi, le bras le saisira et le positionnera « là où les scientifiques le souhaitent ».

Autre différence, sa durée de vie sera d'au moins deux années terrestres, contre 6 mois pour celui d'ExoMars. Pour s'assurer d'un « niveau de performance constant à réaliser pendant toute la durée de la mission initiale avec peut-être une petite dégradation lors de la mission étendue », l'équipe a pris un certain nombre de précautions et redondé de nombreux composants, ce qui en fait « un instrument d'une très grande fiabilité », fruit d'une collaboration étroite entre le Cnes, l'IPGP et de nombreux autres partenaires européens (ETHZ, MPS, IC, ISAE) et américain (JPL).

Protéger le sismomètre du vent et des variations de température

Avec InSight, le sismomètre se trouve de facto exposé au soleil et au vent, ce qui « nous contraint à le recouvrir d'une protection thermique et éolienne, de telle façon que les variations de température soient aussi faibles que possible et que l'action directe du vent se fasse sur la protection et non pas sur l'instrument ». Il a donc fallu prévoir un bouclier éolien et thermique qui « couvrira tout autant le sismomètre que le sol autour du capteur ».

Prototype de bouclier éolien et thermique pour le sismomètre de la mission InSight testé à la Réunion, fin décembre 2011. Les essais ont été menés par les équipes de l'Observatoire volcanologique du Piton de la Fournaise et de l'Institut Max Planck de Lindau. © OVPF

Cette protection devra de plus être insensible « aux tempêtes martiennes et aux vents très forts des dust devils, ces tourbillons de poussières qui parcourent la surface martienne ». Ce bouclier, de plusieurs kilogrammes, sera réalisé par le Jet Propulsion Laboratory et utilisera « une protection thermique très performante d'aérogel ». L'instrument embarque également un « système de compensation thermique inventé par Sylvain Tillier, ingénieur mécanicien de l'équipe. Ceci rendra le sismomètre de un à trente fois moins sensible que les instruments terrestres ».

Concernant les objectifs scientifiques, ils « sont bien plus importants que ceux de la mission ExoMars ». Le premier est de « détecter des séismes » et le second de « déterminer un modèle moyen de la planète ». C'est-à-dire d'évaluer le rayon et la profondeur du noyau, s'il est liquide ou non, l'épaisseur de la croûte et la structure moyenne du manteau et ses discontinuités. L'idée est « d'obtenir un modèle de structure interne de Mars qui correspond à la vision moyenne qu'on avait de la Terre au milieu du XXe siècle ».

Détecter les tremblements de Mars

Si sur Terre on détecte les tremblements de terre de magnitude de 5,5, ceux de Mars seront globalement de 3,5 à 4,5. La planète étant plus petite, les ondes se propagent sur des distances plus faibles. Pour les très gros séismes, « elle a moins besoin d'énergie pour vibrer comme une cloche ». On estime « qu'un ou deux tremblements se produisent chaque année sur Mars avec une magnitude de plus de 5,5, mais plus de 40 avec une magnitude supérieure à 4 ».

À la marge des champs d'applications du sismomètre, on « suppose qu'il pourrait analyser le bruit sismique ». Ce bruit, « qu'on peut résumer en un signal recueilli quand il n'y a pas de tremblement de terre », dépend de l'environnement de la planète. Les séismes sont « des vibrations du sol ou consécutif à un impact » mais le sol peut vibrer pour beaucoup d'autres raisons. Par exemple, sur Terre il vibre à cause du vent, des arbres ou encore des océans qui tambourinent sur les planchers océaniques. Actuellement, on n'a « aucune idée sur la nature du bruit sismique martien ». L'équipe du sismomètre se demande s'il sera possible d'enregistrer des ondes sismiques « générées par les dust devils ou les turbulences atmosphériques ». Le sismomètre détectera aussi les faibles variations de gravité générées par la marée de Phobos, une des deux lunes de Mars.

InSight se posera dans un endroit très peu risqué, dans la plaine d'Elysium, une région historiquement moins active que le plateau de Tharsis mais qui a « quand même montré des signes d'activités volcaniques dans les dernières dizaines de millions d'années ». Pour se poser, il utilisera un système similaire à celui des missions Viking ou à la mission Polar Lander, à savoir un bouclier thermique, un parachute et des rétrofusées.

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