Les ondes sismiques révèlent les complexités du manteau de Mars – Physics World

Le manteau de Mars est divisé en une couche externe partiellement fondue et une couche entièrement fondue et riche en silicium qui se trouve plus près du noyau de la planète. Cette découverte a été faite par deux équipes indépendantes et remet en question l’opinion antérieure selon laquelle le manteau – qui se situe entre la croûte et le noyau martiens – a une composition et une structure uniformes. Les nouvelles analyses ont utilisé des données sismiques de la NASA InSight Atterrisseur sur Mars et pourrait contribuer à façonner notre compréhension de la formation et de l’évolution de la planète rouge.

Certaines des ondes sismiques étudiées ont été créées par des météorites impactant la planète. Les ondes auront parcouru les profondeurs de Mars avant d'atteindre le sismomètre d'InSight, et leur étude fournit des informations importantes sur l'intérieur de Mars.

"De telles distances épicentrales ont permis la propagation d'ondes de compression qui se sont propagées dans le manteau martien le plus bas sous la forme d'une onde diffractée", explique Henri Samuel au CNRS à Paris, qui a dirigé l'une des études. "Il a été constaté que la propagation de ces ondes était trop lente pour être expliquée par un manteau homogène."

Une abondance surprenante

La recherche a également fourni d’autres indices sur la composition élémentaire du noyau martien. Auparavant, il avait été calculé que celui-ci contenait une abondance étonnamment élevée d’éléments plus légers, notamment du carbone, de l’oxygène et de l’hydrogène. Cependant, ces dernières études suggèrent que ces éléments plus légers ne sont pas aussi courants qu’on le prévoyait et que le noyau est plus petit et plus dense qu’on ne le pensait auparavant.

L'autre étude a été dirigée par Amir Khan à l'ETH Zurich, qui explique : « Ce besoin d'un complément important de ces éléments [plus légers] a posé de sérieux problèmes cosmochimiques, car il est difficile d'imaginer comment Mars aurait pu accumuler une si grande proportion d'éléments légers et les avoir séquestrés dans son noyau. ».

Dans leurs études respectives, les équipes de Samuel et Khan ont toutes deux effectué des inversions des données sismiques d'InSight – une technique mathématique qui transforme les informations en modèles souterrains de l'intérieur d'une planète.

Ensuite, chaque équipe a adopté une approche légèrement différente pour interpréter ses inversions. Pour Khan et ses collègues, cela impliquait de fonder leurs calculs sur les premiers principes. "Nous avons calculé la vitesse des ondes sismiques et la densité des alliages d'éléments légers fer-nickel en utilisant la mécanique quantique, ce qui est complètement nouveau pour les conditions équivalentes au noyau de Mars", explique Khan.

Structures atténuantes

L'équipe de Samuel est allée au-delà des considérations de densité, de composition et de vitesse sismique et a étudié comment la structure intérieure de Mars atténuait les ondes sismiques. "De là, nous avons pu déduire le premier modèle de structure d'atténuation du manteau de Mars basé sur des données sismologiques et géophysiques", explique-t-il.

Pourtant, même avec ces différentes méthodes, les deux équipes sont parvenues à une conclusion surprenante. "Contrairement à la Terre, Mars semble avoir un manteau fortement stratifié avec cette couche de silicate enrichie au-dessus de son noyau", explique Samuel. "La partie inférieure de la couche est entièrement fondue, tandis que la partie supérieure, plus fine, est partiellement fondue."

Khan explique que son équipe est parvenue à une conclusion très similaire. « La composition de la couche fondue dans nos calculs est très proche de celle du manteau silicaté, ce qui explique en partie notre découverte d’une couche de silicate légèrement plus dense par rapport au manteau. Le fait que le silicate se révèle légèrement plus dense explique également pourquoi la couche reste stable au bas du manteau.

Malgré les similitudes entre leurs résultats, les approches différentes des équipes leur ont permis d'explorer différentes implications de leur découverte. Pour l'équipe de Samuel, révéler la structure du manteau en termes d'atténuation a permis de mieux expliquer la trajectoire orbitale de la lune la plus proche de Mars, Phobos.

Champ gravitationnel

Selon l'équipe, une couche de silicium fondu pourrait se déformer plus facilement sous les forces de marée de la Lune que la couche plus froide et partiellement fondue située au-dessus. Cela expliquerait mieux la relation entre le champ gravitationnel de Mars et l'orbite de Phobos, tout en restant cohérent avec les mesures d'InSight.

Grâce à leur propre examen du noyau de Mars, l'équipe de Khan a calculé qu'environ 9 à 15 % de sa masse est constituée d'éléments légers. En termes de modèles de formation de Mars, cette abondance plus faible semble plus raisonnable que les estimations de plus de 20 % réalisées dans des études précédentes basées sur l'hypothèse d'un manteau homogène.

Un vaisseau de la NASA donne un aperçu de l'intérieur de Mars

Pour les deux équipes, cette découverte marque un tournant dans notre compréhension de la formation et de l’évolution de Mars au cours des 4.5 milliards d’années écoulées. "Avec la présence de la stratification dans le manteau martien, nous devons revenir en arrière pour réanalyser et réinterpréter l'enregistrement sismique d'environ quatre ans et tous les autres observables géophysiques à la lumière de ce nouveau paradigme", explique Samuel. "Cela pourrait conduire à des découvertes supplémentaires sur la structure profonde du manteau martien et de son noyau."

Au-delà d’améliorer notre connaissance de Mars, ces résultats pourraient également aider les astronomes à mieux comprendre les planètes rocheuses situées au-delà du système solaire. "Grâce à l'acquisition de nouvelles données et de nouvelles méthodes d'analyse, nous faisons de nouvelles découvertes et continuons à affiner et à mettre à jour notre compréhension actuelle de la composition des planètes telluriques", ajoute Khan. "En fin de compte, cela sera nécessaire pour comprendre l'origine et l'évolution des systèmes planétaires extrasolaires."

Les deux équipes rapportent leurs études dans NatureL’ Le papier Samuel est ici et par Papier Khan ici.

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• La source: https://physicsworld.com/a/seismic-waves-reveal-complexities-in-mars-mantle/