Utilizzando le informazioni ottenute da una dozzina di terremoti rilevati su Marte dal sismometro a banda molto larga SEIS, sviluppato in Francia, il team internazionale della missione InSight della NASA ha svelato la struttura interna di Marte. I tre paper pubblicati il ​​23 luglio 2021 sul giornale Scienza , coinvolgendo numerosi coautori di istituzioni e laboratori francesi, compreso il CNRS, l'Institut de Physique du Globe de Paris, e l'Università di Parigi, e sostenuto in particolare dall'agenzia spaziale francese CNES e dall'Agenzia nazionale di ricerca francese ANR, fornire, per la prima volta, una stima delle dimensioni del nucleo del pianeta, lo spessore della sua crosta e la struttura del suo mantello, basato sull'analisi delle onde sismiche riflesse e modificate dalle interfacce al suo interno. Rende questa la prima esplorazione sismica in assoluto della struttura interna di un pianeta terrestre diverso dalla Terra, e un passo importante verso la comprensione della formazione e dell'evoluzione termica di Marte.

Prima della missione InSight della NASA, la struttura interna di Marte era ancora poco conosciuta. I modelli si basavano solo sui dati raccolti dai satelliti in orbita e sull'analisi dei meteoriti marziani caduti sulla Terra. Sulla base della gravità e dei soli dati topografici, lo spessore della crosta è stato stimato tra i 30 ei 100 km. I valori del momento d'inerzia e della densità del pianeta suggerivano un nucleo con raggio 1, 400 a 2, 000 km. La dettagliata struttura interna di Marte e la profondità dei confini tra la crosta, mantello e nucleo erano, però, completamente sconosciuto.

Con il dispiegamento riuscito dell'esperimento SEIS sulla superficie di Marte all'inizio del 2019, gli scienziati della missione, compresi i 18 coautori francesi coinvolti e affiliati a una vasta gamma di istituzioni e laboratori francesi, insieme ai loro colleghi dell'ETH di Zurigo, l'Università di Colonia e il Jet Propulsion Laboratory di Pasadena, raccolti e analizzati dati sismici su un anno marziano (quasi due anni terrestri).

Va precisato che per determinare contemporaneamente un modello strutturale, l'ora (di arrivo) di un terremoto, e la sua distanza, di solito è necessaria più di una stazione. Però, su Marte gli scienziati hanno una sola stazione, Intuizione. Era quindi necessario ricercare nelle registrazioni sismiche i tratti caratteristici delle onde che avevano interagito in vario modo con le strutture interne di Marte, e identificarli e convalidarli. Queste nuove misurazioni, insieme alla modellazione mineralogica e termica della struttura interna del pianeta, hanno permesso di superare il limite di avere un'unica stazione. Questo metodo inaugura una nuova era per la sismologia planetaria.

Una sola stazione, risultati multipli

Un'altra difficoltà su Marte è la sua bassa sismicità e il rumore sismico generato dalla sua atmosfera. Sulla terra, i terremoti sono molto più forti, mentre i sismometri sono posizionati più efficacemente nelle volte o nel sottosuolo, permettendo di ottenere un'immagine accurata dell'interno del pianeta. Di conseguenza, particolare attenzione doveva essere prestata ai dati. "Ma sebbene i terremoti marziani abbiano una magnitudo relativamente bassa, meno di 3,5, l'altissima sensibilità del sensore VBB unita al bassissimo rumore al calar della notte ci ha permesso di fare scoperte che, due anni fa, pensavamo fosse possibile solo con terremoti di magnitudo maggiore di 4, " spiega Philippe Lognonné, Professore all'Università di Parigi e Principal Investigator per lo strumento SEIS all'IPGP.

Ogni giorno, i dati, elaborato da CNES, IPGP e CNRS, e trasferito agli scienziati, è stata accuratamente ripulita dai rumori ambientali (vento e deformazioni legate a rapidi sbalzi di temperatura). Il team internazionale Mars Quake Service (MQS) ha registrato quotidianamente gli eventi sismici:ne sono stati catalogati più di 600, di cui oltre 60 sono state causate da terremoti relativamente distanti.

Circa dieci di questi ultimi contengono informazioni sulla struttura profonda del pianeta:"Le onde sismiche dirette di un terremoto sono un po' come il suono delle nostre voci in montagna:producono echi. Ed erano questi echi, riflesso dal nucleo, o all'interfaccia crosta-mantello o anche sulla superficie di Marte, che abbiamo cercato nei segnali, grazie alla loro somiglianza con le onde dirette, "Spiega Lognonné.

Una crosta alterata, un mantello rivelato, e un grande nucleo liquido

Confrontando il comportamento delle onde sismiche mentre attraversavano la crosta prima di raggiungere la stazione InSight, sono state identificate diverse discontinuità nella crosta:la prima, osservato ad una profondità di circa 10 km, segna il confine tra una struttura altamente alterata, derivante dalla circolazione del fluido molto tempo fa, e crosta solo leggermente alterata. Una seconda discontinuità a circa 20 km più in basso, e un terzo, uno meno pronunciato a circa 35 km, far luce sulla stratificazione della crosta al di sotto di InSight:"Per identificare queste discontinuità, abbiamo utilizzato tutti i metodi analitici più recenti, sia con terremoti di origine tettonica che con vibrazioni causate dall'ambiente (rumore sismico), "dice Benoit Tauzin, Senior Lecturer presso l'Università di Lione e ricercatore presso LGL-TPE.

Nel mantello, gli scienziati hanno analizzato le differenze tra il tempo di percorrenza delle onde prodotte direttamente durante il terremoto, e quello delle onde generate quando queste onde dirette venivano riflesse dalla superficie. Queste differenze hanno reso possibile, utilizzando una sola stazione, determinare la struttura del mantello superiore, ed in particolare la variazione delle velocità sismiche con la profondità. Però, tali variazioni di velocità sono legate alla temperatura. "Ciò significa che possiamo stimare il flusso di calore di Marte, che è probabilmente da tre a cinque volte inferiore a quello della Terra, e porre vincoli alla composizione della crosta marziana, che si pensa contenga oltre la metà degli elementi radioattivi che producono calore presenti nel pianeta, " aggiunge Henri Samuel, un ricercatore del CNRS presso IPGP.

Finalmente, nel terzo studio, gli scienziati hanno cercato onde riflesse dalla superficie del nucleo marziano, la misurazione del cui raggio è stato uno dei principali risultati della missione InSight. "Per fare questo, " spiega Mélanie Drilleau, un ingegnere ricercatore presso ISAE-SUPAERO, "abbiamo testato diverse migliaia di modelli di mantello e nucleo rispetto alle fasi e ai segnali osservati". Nonostante le basse ampiezze dei segnali associati alle onde riflesse (note come onde ScS), è stato osservato un eccesso di energia per nuclei con raggio compreso tra 1, 790 km e 1, 870 chilometri. Una dimensione così grande implica la presenza di elementi leggeri nel nucleo liquido e ha importanti conseguenze per la mineralogia del mantello all'interfaccia mantello/nucleo.

Obiettivi raggiunti, emergono nuove domande

Più di due anni di monitoraggio sismico ha portato al primo modello della struttura interna di Marte, fino al nucleo. Marte si unisce così alla Terra e alla Luna nel club selezionato di pianeti e lune terrestri le cui strutture profonde sono state esplorate dai sismologi. E, come spesso accade nell'esplorazione planetaria, emergono nuove domande:l'alterazione dei primi 10 km di crosta è generale, o è limitato alla zona di atterraggio di InSight? Che impatto avranno questi primi modelli sulle teorie della formazione e dell'evoluzione termica di Marte, in particolare per i primi 500 milioni di anni quando Marte aveva acqua liquida sulla sua superficie e un'intensa attività vulcanica?

Con l'estensione di due anni della missione InSight e la potenza elettrica aggiuntiva ottenuta a seguito della riuscita pulizia dei suoi pannelli solari effettuata da JPL, nuovi dati dovrebbero consolidare e migliorare ulteriormente questi modelli.