Le mystère du noyau de Mars résolu

Pendant quatre ans, la sonde InSight de la Nasa a enregistré des tremblements de terre sur Mars à l'aide de son sismomètre. Des chercheurs de l'ETH ont saisi et analysé les données transmises à la Terre afin de déterminer la structure interne de la planète. "Bien que la mission se soit terminée en décembre 2022, nous venons de découvrir quelque chose de très intéressant", explique Amir Khan, privat-docent au Département des sciences de la Terre de l'ETH Zurich.

L'analyse des séismes martiens enregistrés, combinée à des simulations par ordinateur, donne une nouvelle image de l'intérieur de la planète. Entre le noyau martien constitué d'un alliage de fer liquide et le manteau de roches silicatées solides se trouve une couche de silicates liquides d'environ 150 kilomètres d'épaisseur. "Nous ne voyons pas une telle couche de silicate entièrement fondue sur la Terre", déclare Khan.

Cette découverte, qui vient d'être publiée dans la revue scientifique Nature, fournit également de nouvelles valeurs pour la taille et la composition du noyau martien et résout ainsi une énigme que les chercheurs ne pouvaient pas expliquer jusqu'à présent. Une étude dirigée par Henri Samuel de l'Institut de physique du globe de Paris, publiée simultanément, parvient à des résultats similaires.

L'analyse des premiers tremblements de terre observés sur Mars avait en effet révélé que la densité moyenne du noyau martien devait être nettement inférieure à celle du fer liquide pur. Le noyau terrestre est composé d'environ 90% de fer. Les éléments légers comme le soufre, le carbone, l'oxygène et l'hydrogène représentent environ 10 % du poids. Dans le noyau martien, les éléments légers représentaient, selon les premières analyses, 20 % du poids. "À l'époque, nous nous sommes interrogés sur ce résultat étrange", explique Dongyang Huang, post-doctorant au Département des sciences de la Terre de l'ETH Zurich.

Des éléments moins légers

Sur la base des nouveaux calculs, le rayon du noyau martien n'est plus de 1800 à 1850 kilomètres mais de 1650 à 1700 kilomètres, ce qui représente environ 50 pour cent du rayon de Mars. Si le noyau martien est plus petit que ce que l'on supposait jusqu'à présent, mais de même poids, cela signifie ce qui suit : Sa densité est plus élevée et elle contient moins d'éléments légers. Selon les nouveaux calculs, la part des éléments légers tombe à 9 à 14 pour cent en poids. "Cela signifie que la densité moyenne du noyau de Mars est toujours un peu faible, mais qu'elle n'est plus inexplicable", explique Paolo Sossi, professeur assistant au Département des sciences de la Terre de l'ETH Zurich et membre du NCCR Planet S. On suppose en effet que Mars s'est formée très tôt, lorsque le Soleil était encore entouré d'un brouillard de gaz contenant des éléments légers qui ont pu s'accumuler dans le noyau.

Les premiers calculs se sont basés sur des séismes qui avaient eu lieu assez près de la sonde InSight. Cependant, en août et septembre 2021, le sismomètre a enregistré deux séismes qui se sont produits de l'autre côté de Mars. L'un d'eux provenait de l'impact d'une météorite. "Ces séismes ont produit des ondes sismiques qui ont traversé le noyau", explique Cecilia Duran, doctorante au Département des sciences de la Terre de l'ETH Zurich. "En revanche, lors des séismes précédents, les ondes étaient réfléchies à la limite du noyau et ne fournissaient aucune information sur la zone interne de la planète rouge. Désormais, les chercheurs ont pu établir des profils de la densité et de la vitesse des ondes sismiques dans le noyau, jusqu'à une profondeur d'environ 1000 kilomètres dans le noyau.

Simulations avec superordinateur

Pour déduire la composition du matériau à partir de tels profils, les chercheurs comparent généralement les valeurs avec celles d'alliages de fer fabriqués artificiellement, qui contiennent différentes proportions d'autres éléments. En laboratoire, ils soumettent ces alliages à des températures et des pressions élevées, comme celles qui règnent à l'intérieur de la planète, et mesurent la densité et la vitesse des ondes sismiques correspondantes. Mais la plupart de ces expériences concernent l'intérieur de la Terre et ne peuvent guère être appliquées à Mars. Les chercheurs de l'ETH ont donc utilisé une autre méthode. Ils ont déterminé les propriétés des alliages les plus divers par des calculs de mécanique quantique effectués au Centre suisse de calcul scientifique (CSCS) à Lugano.

Mais lorsque les chercheurs ont comparé les profils calculés avec les profils mesurés, ils se sont heurtés à un problème : il n'y avait pas de matériau qui correspondait simultanément aux valeurs à l'intérieur et à l'extérieur du noyau. Le bon alliage de fer aurait par exemple dû contenir beaucoup plus de carbone à la limite du noyau qu'à l'intérieur. "Cela nous a donné l'idée que la zone que nous considérions auparavant comme le noyau de fer liquide extérieur n'était pas du tout le noyau, mais la zone la plus profonde de la gaine", explique Huang. En effet, les profils mesurés et calculés dans les 150 kilomètres les plus éloignés correspondaient à ceux d'une couche liquide de matériau silicaté, dont est également constitué le manteau martien.

D'autres analyses des précédents séismes martiens ainsi que des simulations informatiques supplémentaires ont confirmé ce résultat. Les chercheurs regrettent qu'en raison des panneaux solaires poussiéreux, la sonde InSight n'ait pas pu fournir d'autres données qui auraient permis d'en savoir plus sur la composition plus précise des matériaux à l'intérieur de Mars. "Mais InSight a été une mission très réussie, dont nous avons tiré beaucoup de choses et appris beaucoup de nouvelles choses", conclut Khan.