Une nouvelle étude révèle que le noyau de fer liquide de Mars est plus petit et plus dense qu’on ne le pensait auparavant

Pendant quatre ans, l’atterrisseur InSight de la NASA a enregistré des tremblements sur Mars avec son sismomètre. Des chercheurs de l’ETH Zurich ont collecté 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 avons découvert quelque chose de très intéressant”, déclare Amir Khan, scientifique principal au Département des sciences de la Terre de l’ETH Zurich.

Une analyse des tremblements de terre enregistrés, combinée à des simulations informatiques, dresse un nouveau tableau de l’intérieur de la planète. Pris en sandwich entre le noyau en alliage de fer liquide de Mars et son manteau de silicate solide se trouve une couche de silicate liquide (magma) d’environ 150 kilomètres d’épaisseur. “La Terre ne possède pas une telle couche de silicate complètement fondue”, explique Khan.

Cette découverte, maintenant publiée dans Nature parallèlement à une étude menée par Henri Samuel, de l’Institut de Physique du Globe de Paris, qui parvient à une conclusion similaire en utilisant des méthodes complémentaires, apporte également de nouvelles informations sur la taille et la composition du noyau de Mars, résolvant un mystère que les chercheurs étaient jusqu’à présent incapables d’expliquer. .

Une analyse des séismes de mars initialement observés avait montré que la densité moyenne du noyau martien devait être nettement inférieure à celle du fer liquide pur. Le noyau terrestre, par exemple, est constitué d’environ 90 pour cent de fer en poids.

Les éléments légers tels que le soufre, le carbone, l’oxygène et l’hydrogène représentent un total combiné d’environ 10 % en poids. Les premières estimations de la densité du noyau martien ont montré qu’il est composé d’une part beaucoup plus importante d’éléments légers, soit environ 20 % en poids. “Cela représente un très grand complément d’éléments légers, à la limite de l’impossible. Depuis, nous nous interrogeons sur ce résultat”, explique Dongyang Huang, chercheur postdoctoral au Département des sciences de la Terre de l’ETH Zurich.

Moins d’éléments légers

Les nouvelles observations montrent que le rayon du noyau martien a diminué de la plage initialement déterminée de 1 800 à 1 850 kilomètres à quelque part entre 1 650 et 1 700 kilomètres, soit environ 50 % du rayon de Mars. Si le noyau martien est plus petit qu’on ne le pensait mais a la même masse, il s’ensuit que sa densité est plus grande et qu’il contient donc moins d’éléments légers. Selon les nouveaux calculs, la proportion d’éléments légers est tombée entre 9 et 14 pour cent en poids.

“Cela signifie que la densité moyenne du noyau martien est encore quelque peu faible, mais n’est plus inexplicable dans le contexte de scénarios typiques de formation de planètes”, explique Paolo Sossi, professeur assistant au Département des sciences de la Terre de l’ETH Zurich et membre de l’Institut national des sciences de la Terre. Centres de compétences en recherche (PRN) PlanetS.

Le fait que le noyau martien contienne une quantité importante d’éléments légers indique qu’il a dû se former très tôt, peut-être lorsque le soleil était encore entouré du gaz de nébuleuse à partir duquel les éléments légers auraient pu s’accumuler dans le noyau martien.

Les calculs initiaux étaient basés sur des secousses survenues à proximité immédiate de l’atterrisseur InSight. Cependant, en août et septembre 2021, le sismomètre a enregistré deux séismes du côté opposé de Mars. L’un d’eux a été provoqué par un impact de 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.

“Cela nous a permis d’éclairer le noyau.” En revanche, dans le cas des séismes de mars précédents, les ondes se reflétaient à la limite noyau-manteau, ne fournissant aucune information sur l’intérieur le plus profond de la planète rouge. Grâce à ces nouvelles observations, les chercheurs ont désormais pu déterminer la densité et la vitesse des ondes sismiques du noyau fluide jusqu’à une profondeur d’environ 1 000 kilomètres.

Simulations sur superordinateur

Pour déduire la composition du matériau à partir de tels profils, les chercheurs comparent généralement les données avec celles d’alliages de fer synthétiques contenant différentes proportions d’éléments légers (S, C, O et H). En laboratoire, ces alliages sont exposés à des températures et des pressions élevées équivalentes à celles trouvées à l’intérieur de Mars, permettant aux chercheurs de mesurer directement la densité et la vitesse des ondes sismiques.

Toutefois, à l’heure actuelle, la plupart des expériences sont menées dans des conditions prévalant à l’intérieur de la Terre et ne sont donc pas immédiatement applicables à Mars. Les chercheurs de l’ETH Zurich ont donc eu recours à une autre méthode. Ils ont calculé les propriétés d’une grande variété d’alliages à l’aide de calculs de mécanique quantique, qu’ils ont effectués au Centre national suisse de calcul scientifique (CSCS) à Lugano, en Suisse.

Lorsque les chercheurs ont comparé les profils calculés avec leurs mesures basées sur les données sismiques InSight, ils ont rencontré un problème. Il s’est avéré qu’aucun alliage d’éléments fer-légers ne correspondait simultanément aux données au sommet et au centre du noyau martien. À la limite noyau-manteau, par exemple, l’alliage de fer aurait dû contenir beaucoup plus de carbone qu’à l’intérieur du noyau.

“Il nous a fallu un certain temps pour réaliser que la région que nous considérions auparavant comme le noyau externe de fer liquide n’était pas le noyau après tout, mais la partie la plus profonde du manteau”, explique Huang. À l’appui de cette hypothèse, les chercheurs ont également découvert que la densité et la vitesse des ondes sismiques mesurées et calculées dans les 150 kilomètres les plus éloignés du noyau étaient cohérentes avec celles des silicates liquides, le même matériau, sous forme solide, dont est composé le manteau martien. .

Une analyse plus approfondie des séismes de mars antérieurs et des simulations informatiques supplémentaires ont confirmé ce résultat. Il est seulement regrettable que les panneaux solaires poussiéreux et le manque d’énergie qui en résulte aient empêché l’atterrisseur InSight de fournir des données supplémentaires qui auraient pu éclairer davantage la composition et la structure de l’intérieur de Mars. “Pourtant, InSight a été une mission très réussie qui nous a fourni de nombreuses nouvelles données et informations qui seront analysées dans les années à venir”, déclare Khan.