Med hjälp av information erhållen från ett dussin jordbävningar som upptäckts på Mars av Very Broad Band SEIS-seismometern, utvecklats i Frankrike, det internationella teamet från NASA:s InSight-uppdrag har avslöjat Mars interna struktur. De tre tidningarna publicerade den 23 juli, 2021 i tidningen Vetenskap , som involverar många medförfattare från franska institutioner och laboratorier, inklusive CNRS, Institut de Physique du Globe de Paris, och Université de Paris, och stöds särskilt av den franska rymdorganisationen CNES och den franska nationella forskningsbyrån ANR, förse, för första gången, en uppskattning av storleken på planetens kärna, tjockleken på dess skorpa och strukturen på dess mantel, baserat på analys av seismiska vågor som reflekteras och modifieras av gränssnitt i dess inre. Det gör detta till den första seismiska utforskningen någonsin av den inre strukturen hos en annan jordisk planet än jorden, och ett viktigt steg mot att förstå Mars bildande och termiska utveckling.

Innan NASA:s InSight-uppdrag, Mars inre struktur var fortfarande dåligt förstådd. Modeller baserades endast på data som samlats in av satelliter i omloppsbana och på analys av marsmeteoriter som föll till jorden. Enbart på grundval av gravitation och topografiska data, tjockleken på jordskorpan uppskattades vara mellan 30 och 100 km. Värden på planetens tröghetsmoment och densitet antydde en kärna med en radie på 1, 400 till 2, 000 km. Mars detaljerade interna struktur och djupet av gränserna mellan jordskorpan, mantel och kärna var, dock, helt okänd.

Med den framgångsrika utplaceringen av SEIS-experimentet på Mars yta i början av 2019, missionsforskarna, inklusive de 18 franska medförfattarna som är involverade och anslutna till ett brett utbud av franska institutioner och laboratorier, tillsammans med sina kollegor från ETH i Zürich, universitetet i Köln och Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, samlade in och analyserade seismiska data under ett marsår (nästan två jordår).

Det bör påpekas att för att samtidigt bestämma en strukturell modell, (ankomst)tiden för en jordbävning, och dess avstånd, mer än en station krävs vanligtvis. Dock, på Mars har forskarna bara en station, Insikt. Det var därför nödvändigt att söka i de seismiska uppgifterna efter de karakteristiska egenskaperna hos vågor som hade interagerat på olika sätt med Mars interna strukturer, och identifiera och validera dem. Dessa nya mätningar, i kombination med mineralogisk och termisk modellering av planetens inre struktur, har gjort det möjligt att övervinna begränsningen med att ha en enda station. Denna metod inleder en ny era för planetarisk seismologi.

En enda station, flera fynd

En annan svårighet på Mars är dess låga seismicitet och det seismiska bruset som genereras av dess atmosfär. På jorden, jordbävningar är mycket starkare, medan seismometrar är mer effektivt placerade i valv eller under jord, gör det möjligt att få en korrekt bild av planetens inre. Som ett resultat, särskild uppmärksamhet måste ägnas åt uppgifterna. "Men även om jordbävningar från mars har en relativt låg magnitud, mindre än 3,5, den mycket höga känsligheten hos VBB-sensorn i kombination med det mycket låga bruset vid mörkrets inbrott gjorde det möjligt för oss att göra upptäckter som, två år sedan, vi trodde bara var möjliga med jordbävningar med en magnitud större än 4, " förklarar Philippe Lognonné, professor vid universitetet i Paris och huvudutredare för SEIS-instrumentet vid IPGP.

Varje dag, uppgifterna, bearbetad av CNES, IPGP och CNRS, och överförs till forskarna, renades noggrant från omgivningsljud (vind och deformation relaterad till snabba temperaturförändringar). Det internationella Mars Quake Service-teamet (MQS) registrerade seismiska händelser dagligen:Mer än 600 har nu katalogiserats, varav över 60 orsakades av relativt avlägsna jordbävningar.

Ett tiotal av de senare innehåller information om planetens djupa struktur:"De direkta seismiska vågorna från en jordbävning är lite som ljudet av våra röster i bergen:De producerar ekon. Och det var dessa ekon, reflekteras från kärnan, eller vid gränsytan mellan skorpa och mantel eller till och med Mars yta, som vi letade efter i signalerna, tack vare deras likhet med de direkta vågorna, " förklarar Lognonné.

En förändrad skorpa, en mantel avslöjad, och en stor flytande kärna

Genom att jämföra beteendet hos seismiska vågor när de färdades genom jordskorpan innan de når InSight-stationen, flera diskontinuiteter i skorpan identifierades:Den första, observerad på ett djup av cirka 10 km, markerar gränsen mellan en starkt förändrad struktur, orsakat av vätskecirkulation för mycket länge sedan, och skorpa som endast är något förändrad. En andra diskontinuitet cirka 20 km ner, och en tredje, mindre uttalad vid cirka 35 km, belysa skiktningen av skorpan under InSight:"För att identifiera dessa diskontinuiteter, vi använde alla de senaste analysmetoderna, både med jordbävningar av tektoniskt ursprung och med vibrationer orsakade av miljön (seismiskt brus), " säger Benoit Tauzin, Universitetslektor vid universitetet i Lyon och forskare vid LGL-TPE.

I manteln, forskarna analyserade skillnaderna mellan färdtiden för vågorna som producerades direkt under jordbävningen, och vågorna som genererades när dessa direkta vågor reflekterades från ytan. Dessa skillnader gjorde det möjligt, använder bara en enda station, för att bestämma strukturen för den övre manteln, och i synnerhet variationen i seismiska hastigheter med djup. Dock, sådana variationer i hastighet är relaterade till temperatur. "Det betyder att vi kan uppskatta Mars värmeflöde, som förmodligen är tre till fem gånger lägre än jordens, och sätter begränsningar på sammansättningen av marsskorpan, som tros innehålla över hälften av de värmeproducerande radioaktiva grundämnena som finns på planeten, " tillägger Henri Samuel, en CNRS-forskare vid IPGP.

Till sist, i den tredje studien, forskarna letade efter vågor som reflekterades från ytan av Mars kärna, mätningen av vars radie var en av de viktigaste prestationerna i InSight-uppdraget. "Att göra detta, " förklarar Mélanie Drilleau, en forskningsingenjör vid ISAE-SUPAERO, "vi testade flera tusen mantel- och kärnmodeller mot de faser och signaler som observerats." Trots de låga amplituderna för signalerna associerade med de reflekterade vågorna (kända som ScS-vågor), ett överskott av energi observerades för kärnor med en radie mellan 1, 790 km och 1, 870 km. En så stor storlek innebär närvaron av lätta element i den flytande kärnan och har stora konsekvenser för mantelns mineralogi vid gränsytan mellan mantel och kärna.

Uppnådda mål, nya frågor dyker upp

Mer än två års seismisk övervakning har resulterat i den allra första modellen av Mars interna struktur, ända in i kärnan. Mars ansluter sig alltså till jorden och månen i den utvalda klubben av jordlevande planeter och månar vars djupa strukturer har utforskats av seismologer. Och, som ofta händer i planetarisk utforskning, nya frågor dyker upp:Är förändringen av de översta 10 km av skorpan generell, eller är det begränsat till InSight-landningszonen? Vilken inverkan kommer dessa första modeller att ha på teorier om Mars bildning och termiska utveckling, i synnerhet under de första 500 miljoner åren när Mars hade flytande vatten på sin yta och intensiv vulkanisk aktivitet?

Med den tvååriga förlängningen av InSight-uppdraget och den extra elkraft som erhålls efter den framgångsrika rengöringen av dess solpaneler utförd av JPL, nya data bör konsolidera och ytterligare förbättra dessa modeller.