CE31 - Physique subatomique, sciences de l'Univers, structure et histoire de la Terre

MArs Geophysical InSight – MAGIS

MArs Geophysical InSight (MAGIS): Le premier observatoire géophysique sur Mars

InSight est la première mission jamais envoyée sur une planète tellurique autre que la Terre (Mars) pour permettre les percées obtenues sur Terre après la première observation d'un séisme de 1889 faite par von Reuber-Pacshwitz, les premières analyses sismiques conduisant à la découverte du Moho et du noyau par Mohorovicic , en 1910 et Oldham, en 1906. Son objectif : réaliser la première étape de la géophysique de surface sur la planète rouge avec SEIS, le sismomètre ultrasensible de la mission.

À la découverte de Mars avec les capteurs InSight sismique et météorologique et leur suivi géophysique et météorologique à long terme et continu de la planète rouge.

La mission InSight (Interior Exploration Using Seismic Investigations, Geodesy, and Heat Transport, http://insight.jpl.nasa.gov) a atterri avec succès sur Mars le 26 novembre 2018. Son sismomètre et sa suite de capteurs atmosphériques sont pleinement opérationnels et ont des performances meilleures que les exigences de la mission. <br />InSight éclairera les processus fondamentaux de la formation et de l'évolution des planètes terrestres en réalisant la première étude géophysique complète de Mars en surface. Il fournira des informations clés sur la composition et la structure d'une planète, semblable à la Terre et qui a traversé la plupart des étapes d'évolution de la Terre mis-à-part la tectonique des plaques. Ces paramètres clef de la formation des planètes terrestres se trouvent dans ceux de base de Mars : la taille, l'état et la composition du noyau, la composition et la stratification du manteau, l'épaisseur et la stratification de la croûte et le flux de chaleur interne. <br />InSight mesurera ces paramètres et résoudra les grandes questions scientifique suivantes: <br />- Quels sont le rayon du noyau, les épaisseurs de la croûte et de la lithosphère, la forme de la zone de transition du manteau, les profils de température et de composition du manteau, la composition du noyau ? <br />- Quel est le taux d'impact actuel sur Mars, les durées du régime des ondes de choc fortes et faibles, la propagation des ondes de choc couplées à l'air générées par l'impact ? Avons-nous des zones tectoniques actives sur Mars ? <br />-Comment les mesures sismiques pourraient-elles compléter les mesures atmosphériques pour caractériser le spectre des turbulences et des vagues ? Comment caractériser le bruit sismique induit par la dynamique atmosphérique à toutes les échelles ? Les signatures sismiques induites par l'atmosphère pourraient-elles être utilisées pour explorer la quasi-surface et l'intérieur de la planète ?

En raison de la quasi-absence de connaissances sur la sismologie et la géophysique de surface de Mars, les objectifs scientifiques de MAGIS sont vastes et très fondamentaux, abordant les questions globales de la science planétaire et de la géophysique par des approches de recherche transdisciplinaires. Nous couvrirons non seulement la science explorée par le sismomètre français à très large bande (VBB) SEIS, mais aussi celles rendues possibles par l'analyse conjointe VBB-APSS, car l'une des équipes MAGIS est associée à l'APSS, dont les opérations sont en outre réalisés par le CNES. Les capteurs SEIS VBB sont si sensibles qu'ils détecteront les grands séismes permettant l'accès à la structure interne profonde de Mars, les plus petits séismes liés à l'activité tectonique et aux impacts sur la surface martienne, ainsi que les déformations du sol et le bruit microsismique associés aux activités, depuis l'échèle globale pour la circulation atmosphérique jusqu'aux turbulences et aux infrasons dans la couche limite atmosphérique.
Le projet de recherche sera réalisé dans 6 directions. Les objectifs scientifiques de celles-ci sont liées à l'imagerie de l'intérieur de Mars (WP1), à la minéralogie et à l'évolution de Mars (WP3), aux processus sismo-tectoniques et aux impacts de Mars (WP4) et au couplage sismique atmosphère/intérieur et à la dynamique atmosphérique de Mars (WP5). En parallèle, et en raison du défi attendu dans l'analyse des données, nous développerons des algorithmes de traitement de données (WP2) spécifiques et innovant pour extraire les informations sismiques des données InSight, notamment avec l'apprentissage automatique.
Enfin, le WP6 bénéficiera du partenariat InSight-SEIS avec les programmes français et internationaux de sismo à l'école, et sera lié au développement de nouvelles approches pédagogiques en sciences de la Terre et des Planètes et à leur efficacité en termes de motivations des élèves.

Au 30 Juin 2021, les résultats d'InSight et de Magis sont les suivants:
• Mesure en fin de soirée des enregistrements sismiques les moins bruités de l'histoire de la sismologie et caractérisation du bruit micro-sismique de Mars
• Première inversion de la structure de la subsurface de Mars grace aux enregistrements sismiques des tourbillons atmosphériques
• Identification d'une croute supérieure altérée, de 10 km d'épaisseur, caractérisée par des faibles vitesses sismiques
• première analyses comparatives des effets de diffraction et d'atténuation sur les ondes sismiques dans trois croutes différentes, Terre, Mars et Lune
• Plus de 600 séismes détectés dont une soixantaine de magnitude entre 2.5 et 3.5 localisés à des distances entre 1000 et 3000 km
• Découverte d'une sismicité régionale dans Cerberus Fossaé
• Découverte des ondes de gravité atmosphériques et première caractérisation de la dynamique de l'atmosphère dans les régions tropicales Martienne

Eté 2021: Premiers modèles complets de structure interne de Mars
2021-2022: Mission étendue de la mission
2024: Lancement et opération de la mission Farside Seismic Suite, basée sur la re-utilisation d'un des capteurs de rechange VBB d'InSight pour la première installation d'une station sismologie par la NASA sur la face cachée de la Lune

• 28 articles scientifiques détaillant les résultats en 2020,
• > 18 articles scientifiques en 2021.
Voir ces articles sur le lien du projet: www.seis-insight.eu/fr/science/publication-sci/articles-archives

La mission NASA InSight s'est posée le 11/2018 sur Mars et a installé par la suite avec succès le premier observatoire géophysique sur Mars. Il fournira des données sismiques contraignant la taille et l’état du noyau, la stratification du manteau et l’épaisseur et stratification de la croûte, ainsi que des enregistrements sismiques associés aux impacts de météorites et à l’activité de la couche limite atmosphérique. L’instrument principal est un sismomètre très large bande ultra-sensible sous responsabilité française, complété par le capteur de pression le plus sensible jamais déployé sur Mars. MAGIS renforcera le retour scientifique de la communauté Française et est focalisé vers 6 objectifs: structure interne de Mars, analyse des données, interprétation minéralogique et géodynamique, physique des sources sismique, couplage atmosphère/intérieur et développement de nouvelles pédagogies en sciences physiques. Pour les 5 premiers objectifs, le soutien sera des postdocs et thèses, alors que pour le dernier, il s’agira d’une analyse du programme sismo à l’école et du développement de nouveaux outils pédagogiques en réalité virtuel
Si la plupart des objectifs scientifiques associés à la structure profonde de Mars nécessiteront la détection de séismes ou d'impacts, prévus au rythme d'une dizaine par an, les premières observations réalisées par la mission ont permis de mettre en évidence un bruit micro-seismique détecté grâce à l'excellence des performances du capteur VBB. Ce bruit micro-sismique permettra dans les prochains mois de déterminer la structure de la subsurface, puis, avec des stacks de plus en plus long de la structure de la croute supérieur. A plus long termes, la détection du hum martien ( excitation des modes propres) et la caractérisation de la marée de Phobos permettront de contraindre les structure plus profonde, manteau supérieur ou meme noyau avec la marée. Ce bruit micro-sismique nous renseigne de plus sur la dynamique de la couche limite.
Avec ces analyses de bruit ou avec les futures analyses d'évènements sismiques, SEIS permettra ainsi de contraindre la structure interne de Mars. Couplées avec des analyses en laboratoire et des modélisation de l'état thermique actuel de la planète, il sera alors possible de préciser la structure minéralogique et thermique de la planète, et de mieux contraindre l'histoire de la planète et l'histoire de son habitabilité

Coordinateur du projet

Monsieur Philippe Lognonne (Institut de physique du globe de Paris)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LANL Los Alamos National Laboratory
ISAE-Supaero Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace
JPL California Institut of Technology / Jet Propulsion Laboratory
IPGP Institut de physique du globe de Paris
LPG LABORATOIRE DE PLANETOLOGIE ET GEODYNAMIQUE
LAGRANGE (OCA-CNRS-UNS) Laboratoire J-L. Lagrange
IMPMC Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie
LGL-TPE Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement
IRAP Institut de recherche en astrophysique et planétologie
LMD Laboratoire de météorologie dynamique

Aide de l'ANR 864 551 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2019 - 48 Mois

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