Autoportrait d'InSight pris début 2019 après le déploiement de son sismomètre. © Nasa, JPL-Caltech
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La mission InSight sur Mars avec Francis Rocard : « on attend le Big One martien » !

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[EN VIDÉO] Mission InSight : Seis, le sismomètre pour étudier Mars  La prochaine mission de la Nasa s’appelle InSight et aura pour but d’étudier la structure interne de la planète Mars. Le rover embarquera en son sein Seis, un sismomètre très particulier. Le Cnes nous propose de suivre son développement et ses tests en vidéo. 

Plus de deux ans après la mise en service du sismomètre du Cnes de la mission InSight, Futura a interviewé Francis Rocard, responsable des Programmes d'exploration du Système solaire au Cnes. Ce spécialiste des questions martiennes nous explique pourquoi le bilan technique et scientifique de l'instrument est bon et nous donne rendez-vous cet été pour de nouveaux résultats très attendus sur la structure interne de la Planète rouge.

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Le rover Perseverance n'est pas la seule mission en activité sur la planète Mars. On compte également InSight qui se trouve sur le site d'Elysium Planitia, depuis novembre 2018, au sud du massif volcanique Elysium Mons pour étudier la « composition interne de la Planète rouge, encore très mal connue, par sismologie, géodésie et propriétés thermiques », nous explique Francis Rocard, responsable des Programmes d'exploration du Système solaire au Cnes. Cette mission, plutôt discrète, a marqué une rupture dans la stratégie de l'exploration robotique de Mars par la Nasa et ses partenaires. Depuis le début de son exploration en 1965, l'étude de Mars se focalisait « sur son climat, son atmosphère, sa géologie et sa chimie de surface ». Avec InSight, on plonge pour la première fois à l'intérieur de la planète pour connaître sa structure interne et, à travers elle, améliorer la connaissance de sa formation et son évolution.

Cette mission est le fruit d'une collaboration entre la Nasa et les agences spatiales française (Cnes) et allemande (DLR) qui ont fourni deux des quatre instruments de l'atterrisseur. Le Cnes a fourni le sismomètre Seis (Seismic Experiment for Interior Structure) conçu pour étudier la sismologie et l'intérieur de la planète, tandis que les Allemands ont mis au point l'instrument HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) qui aurait dû mesurer la température du sous-sol de Mars, jusqu'à cinq mètres sous la surface pour en déduire le flux de chaleur actuel de la planète, c'est-à-dire la vitesse à laquelle la planète se refroidit aujourd'hui. La sonde qui devait s'enfoncer dans le sous-sol pour mesurer la température à différentes profondeurs n'est jamais parvenue à le faire et l'objectif a été récemment abandonné. L'instrument Rise (Rotation and Interior Structure Experiment), quant à lui, doit mesurer par effet Doppler le mouvement fin de la rotation de Mars et en déduire des informations cruciales sur la taille et la nature (solide ou liquide) du noyau. Ces trois instruments sont complétés par une station météorologique et un magnétomètre permettant de décorréler les mesures effectuées par Seis en discriminant, par exemple, les perturbations atmosphériques des tremblements de Mars.

Le sismomètre Seis sur la surface de Mars. L'instrument est à l'abri sous son bouclier thermique et éolien. À gauche, on aperçoit l’instrument HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) qui n'est jamais parvenu à s'enfoncer dans le sol martien. © Nasa

Lever le voile sur la structure interne de la planète entière

Plus de deux ans après la mise en service du sismomètre Seis, il nous a paru opportun de faire un premier bilan scientifique et technique de cet instrument, principal instrument de la mission. D'emblée, Francis Rocard souligne que le bilan de l'instrument est très bon, « surtout du point de vue technique », même si des « résultats scientifiques forts attendus sont encore à venir ». Si les premiers résultats scientifiques d'InSight ont été qualifiés de très bons*, tous les objectifs ne sont pas encore atteints, dont le principal qui est de « lever le voile sur la structure interne de la planète entière » de façon à « apporter enfin une vision globale de la planète ». C'est-à-dire d'évaluer le rayon et la nature du noyau, s'il est liquide ou non, l'épaisseur de la croûte et la structure du manteau et ses discontinuités. L'idée est « d'obtenir un modèle de structure interne de Mars qui correspond à la vision qu'on avait de la Terre au milieu du XXe siècle ».

Le bilan de l’instrument est très bon, « surtout du point de vue technique », même si des « résultats scientifiques forts attendus sont encore à venir »

Or, si la croûte martienne commence à livrer ses secrets, « ni le manteau et encore moins le noyau n'ont été détectés ». Mais, Francis Rocard se veut optimiste et souligne que « les résultats de l'expérience Rise, qui étudie les variations de rotation de la planète par effet Doppler, seront rendus publics d'ici à cet été ». Cette mesure, qui permet de renseigner sur la structure interne de la planète, peut « déterminer la taille du noyau de Mars et s'il est solide ou liquide », de sorte que l'on « devrait avoir une idée assez précise de sa dimension et sa consistance et ainsi remonter à sa composition ». Aujourd'hui, on estime sa taille à 1.700 kilomètres avec une marge d'erreur de plus ou moins 300 kilomètres. « L'objectif est d'arriver à une précision de + ou - 75 kilomètres. »

Techniquement, le fonctionnement du sismomètre Seis est excellent. Ses performances sont si remarquables que le seuil au-delà duquel Seis « détecte un événement sismique, quel qu'il soit, est 10 fois meilleur que ce qui était prévu ! » Et c'est heureux car il s'avère que « l'activité sismique martienne est plus difficile à détecter qu'on ne le pensait ». Si l'instrument fonctionnait seulement dans les spécifications exigées lors de sa conception, « très peu de signaux intéressants auraient été détectés, tous noyés dans du bruit d'origine atmosphérique notamment ».

Spectrogramme récapitulatif indiquant l’origine des séismes martiens détectés depuis le sol 80 jusqu’au sol 400 (hors période de conjonction solaire), en fonction de l’heure de la journée sur Mars. Entre 17 h 00 et minuit environ, la planète devient très calme, ce qui ouvre une fenêtre de détection extrêmement avantageuse pour Seis. Durant cette période, le niveau de bruit diminue d’un facteur 100, pour devenir 500 à 1.000 fois plus faible que le bruit terrestre. Cela permet à Seis d’explorer des plages de fréquences qui sont sur Terre inexploitables à cause des niveaux de bruits ambiants très élevés. © Nasa, InSight/Seis Team

Depuis que l'instrument est opérationnel, « à l'écoute de l'activité interne de Mars et de ses soubresauts », InSight a enregistré quelque 500 « évènements » ! La grande majorité des tremblements qui secouent la surface martienne sont de très faible intensité, tandis que les « séismes significatifs, d'une magnitude supérieure à 4, sont manifestement plus rares que prévu ». De ce point de vue, si la planète Mars est sismiquement active, sa « sismicité est bien différente de celle de la Terre » et les sondages sismiques sont de fait limités en profondeur.

La détermination de la « structure interne martienne pourrait donc être plus longue que prévu ». En effet, plus un séisme est intense et plus les ondes sismiques vont s'enfoncer dans le sous-sol, ce qui permet de le sonder profondément. Or, avec des « magnitudes limitées à 3,6, les évènements sismiques ne sont pas suffisamment puissants pour que les ondes créées atteignent le noyau ».

Le Big One martien se fait attendre

Pour avancer dans la compréhension du sous-sol martien, « on attend le Big One martien qui devrait atteindre une magnitude de 4 et 4,5 et générer des ondes de surface », ce qui permettra d'aller jusqu'au noyau. Or, malgré la prolongation de la mission jusqu'en décembre 2022, le « temps va très certainement nous manquer ». Il n'est évidemment « pas garanti qu'un événement sismique de cette puissance se produise d'ici cette échéance » !

À cette contrainte de temps s'ajoute que la mission joue de malchance. La région a été confrontée à une tempête qui a débuté à l'été 2020 et qui n'est pas complètement terminée aujourd'hui ! Conséquence, depuis l'été dernier, « le sismomètre ne détecte plus grande-chose, si ce n'est quelques événements. La chute de la détection est très brutale. Jusqu'à -90 % ! ». À cela s'ajoute que la chute de la production d'électricité de l'atterrisseur met en danger la mission. L'accumulation de « poussière sur les panneaux solaires et un air saturé en poussière » expliquent cette chute de production. Alors que dans des conditions normales InSight produit 4 kwh par jour, aujourd'hui seul un petit kwh d'électricité est produit, ce qui n'est pas « suffisant pour faire fonctionner ensemble les systèmes de l'atterrisseur et sa charge utile ».

La situation est si critique que le JPL travaille « d'arrache-pied pour éviter que la sonde se mette en mode de sécurité (safe mode) ». Les équipes de la mission gèrent la consommation d'énergie au jour le jour, voire heure par heure. Cette gestion consiste à « éteindre et mettre hors tension des fonctions consommatrices d'électricité dont les chaufferettes du bras manipulateur ». La survie d'InSight est véritablement en jeu, d'autant plus qu'on entre dans l'hiver martien cet été !

Pas d’InSight 2 sur Mars en projet

Lorsque des scientifiques évoquaient un InSight 2, l'idée était « d'installer un réseau de sismomètres sur la Planète rouge, hérité du projet NetLander du Cnes ou MarsNet à l'ESA ». Aujourd'hui abandonné, le projet du Cnes prévoyait « quatre petits atterrisseurs identiques devant former au sol un réseau de stations fixes destinées à l'étude de la météorologie martienne, de la structure interne de la planète et des caractéristiques de la surface ». Mais, au vu des résultats d’InSight aujourd'hui, « plus aucun projet de cette nature est à l'étude, notamment parce que l'installation d'un réseau de sismomètres sur Mars n'aurait finalement que peu d'intérêt, essentiellement parce qu'il n'y a pas de forts séismes, rendant la détection par plusieurs stations et donc la triangulation des données guère possible ». Malgré cela, InSight a démontré que l'on pouvait faire de la « sismologie de très bonne qualité avec une seule station alors qu'on a longtemps pensé qu'il fallait un réseau d'au moins trois stations ».

Buzz Aldrin marche à côté du sismomètre installé lors de la mission Apollo 11. Les données récoltées par cet instrument et par ceux des missions ultérieures ont fourni des informations essentielles sur la structure interne de la Lune. © Neil Armstrong, Nasa

Cela dit, la sismologie des corps planétaires garde tout son intérêt... pour la Lune. Le Cnes étudie avec le JPL « l'utilisation d'un lander américain, dans le cadre du programme Commercial Lunar Payload Services (CLPS) de la Nasa, qui pourrait embarquer un sismomètre français ». Contrairement au sismomètre d'InSight, l'instrument lunaire resterait sur le Lander par soucis de simplicité. Et contrairement à l'atterrisseur, qui devrait cesser de fonctionner dès la tombée de la première nuit lunaire, le sismomètre sera « équipé de batteries, de panneaux solaires et de moyens de communication afin de pouvoir fonctionner quelques mois ». 

Un réseau de sismomètres ferait sens sur la Lune

Ce projet n'est « pas encore décidé » et l'on attend une décision de la Nasa avant l'été. Concernant l'instrument, plutôt qu'en développer un nouveau, l'idée est « d'adapter à la gravité lunaire un des trois modèles de rechange du sismomètre Seis ». À plus long terme, on pourrait imaginer qu'un « réseau de sismomètres ferait sens » sur la Lune.

*Les premiers résultats fournis par le sismomètre Seis durant sa première année d'opérations sur Mars vous ont été présentés dans un précédent article avec les interviews de Philippe Lognonné, architecte du sismomètre, responsable scientifique et investigateur principal de l'instrument, de Ludovic Margerin, sismologue planétaire, et de Philippe Labrot, porte-parole à l'Institut de physique du globe de Paris de la mission InSight.

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