Surprise sur Mars

Le sismomètre de la mission Insight de la Nasa, dont l'électronique a été construite à l'ETH Zurich, enregistre non seulement les tremblements de terre martiens, mais réagit aussi de manière surprenante aux éclipses solaires: lorsque la lune martienne Phobos passe directement devant le soleil, l'instrument s'incline un peu sur le côté. Ce minuscule effet pourrait aider à l'exploration de l'intérieur de la planète.
La lune Phobos en orbite autour de Mars. (graphique : jihemD/Wikimedia Commons/ CC BY-SA 3.0)

Si vous vous trouvez sur Mars, vous pouvez observer la lune Phobos en orbite autour de la planète d'ouest en est toutes les cinq heures. Son orbite est telle qu'il passe directement devant le Soleil en tout point de Mars environ une fois par année terrestre. Une à sept éclipses solaires se produisent tous les trois jours, y compris sur le site d'atterrissage de la sonde InSight de la NASA, qui se trouve dans la région de «Elysium Planitia» depuis novembre 2018. Le phénomène est donc beaucoup plus fréquent que sur Terre lorsque notre lune éclipse le soleil. «Cependant, les éclipses sur Mars sont plus courtes, elles ne durent que 30 secondes et l'occultation n'est jamais complète», explique Simon Stähler, sismologue à l'Institut de géophysique de l'ETH Zurich. Des photos de ce phénomène prises par les deux rovers martiens de la NASA, «Opportunity» et «Curiosity», montre une forme anguleuse avec le soleil en toile de fond.

Mais ces soi-disant transits ne peuvent pas être observés uniquement en images. «Sur Terre, pendant une éclipse solaire, nous mesurons une baisse de température et des rafales de vent rapides car l'atmosphère se refroidit à un moment donné et l'air s'en éloigne», explique Simon Stähler. Une analyse des données d'InSight devrait montrer si des effets similaires peuvent également être détectés sur Mars.

En attendant le 24 avril 2020

En avril 2019, une première série d'éclipses solaires a pu être observée depuis le site d'atterrissage de la sonde de la NASA, mais seule une partie des données mesurées à cette époque a été stockée. Ils ont fourni les premières indications, de sorte que Simon Stähler et un groupe international de scientifiques se préparent avec enthousiasme à la prochaine série d'éclipses, le 24 avril 2020. L'équipe a publié les résultats de ces observations en août dans la revue «Geophysical Research Letters».

Comme prévu, les cellules solaires d'InSight ont enregistré les transits. «Lorsque Phobos est devant le soleil, moins de lumière solaire atteint les cellules solaires et celles-ci produisent donc moins d'électricité», explique Simon Stähler. «Cela permet de mesurer la baisse de luminosité de la couverture.» En fait, lors d'une éclipse, le rayonnement solaire a chuté de 30 %. Cependant, la station météorologique d'InSight n'a montré aucun changement atmosphérique. Les vents n'ont pas tourné comme prévu. D'autres instruments ont créé la surprise: le sismomètre et le magnétomètre ont tous deux mesuré un effet.

Curieux signal du sismomètre

Le signal du magnétomètre est très probablement dû à la chute du courant dans les cellules solaires, comme l'a montré Anna Mittelholz, qui a récemment rejoint l'équipe Mars de l'ETH Zurich. «Cependant, nous ne nous attendions pas au signal du sismomètre, c'est une curiosité», s'exclame Simon Stähler. Normalement, l'instrument, dont l'électronique a été développée à l'ETH Zurich, enregistre les tremblements de terre sur la planète. Jusqu'à présent, le Mars Earthquake Service, dirigé par John Clinton et Domenico Giardini à l'Ecole polytechnique, a enregistré une quarantaine de séismes classiques, dont le plus fort avait une magnitude de 3,8, auxquels s'ajoutent plusieurs centaines de séismes régionaux plats.

Surprise lors de l'éclipse solaire: le sismomètre s'est légèrement incliné dans une certaine direction. «L'inclinaison est vraiment extrêmement petite», explique Simon Stähler: «Imaginez une pièce de cinq francs et glissez deux atomes d'argent sous celle-ci d'un côté. L'explication la plus banale serait que l'attraction gravitationnelle de Phobos en est responsable, tout comme la lune de la Terre est à l'origine des marées», explique-t-il, «mais cela peut être rapidement écarté. Car le signal du sismomètre devrait alors être mesuré toutes les cinq heures au passage de Phobos, pendant une période plus longue. La cause la plus probable de ce basculement: «Pendant l'éclipse, le sol se refroidit. Il se déforme de manière inégale et déclenche ainsi le basculement», explique Martin van Driel, du groupe Sismologie et physique des ondes.

En effet, un capteur infrarouge sur Mars a enregistré un refroidissement du sol de deux degrés. Les calculs ont montré que bien que la vague de froid ne pénètre que de quelques micro à quelques millimètres dans le sol pendant 30 secondes, cet effet est d'une ampleur suffisante pour provoquer le basculement.

Expériences dans une ancienne mine d'argent

Une observation sur terre vient appuyer la théorie de Simon Stähler. A l'Observatoire de la Forêt-Noire, en Allemagne, dans une ancienne mine d'argent, Rudolf Widmer-Schnidrig, professeur à l'Université de Stuttgart, a découvert un phénomène similaire: alors qu'il testait un sismomètre, la lumière n'a pas été éteinte par inadvertance. Il s'est avéré que le rayonnement thermique d'une ampoule de 60 watts était suffisant pour chauffer le granit au plus profond de la terre, à sa couche supérieure, de sorte que le granit s'est un peu dilaté et que le sismomètre a indiqué un petit déplacement sur le côté.

Le minuscule signal d'inclinaison de Mars pourrait être utilisé pour déterminer l'orbite de Phobos avec plus de précision que cela n'a été possible jusqu'à présent. En effet, la position d'InSight est l'endroit le plus précisément mesuré sur Mars. Si nous savons exactement quand un transit de Phobos commence et se termine ici, nous pourrons calculer l'orbite exacte de la lune. C'est important pour les futures missions spatiales. Par exemple, l'agence spatiale japonaise JAXA prévoit d'envoyer une sonde sur les lunes de Mars en 2024 et de ramener des échantillons de Phobos sur Terre. «Pour ce faire, il faut savoir exactement où l'on veut aller», explique Simon Stähler.

Que révèlent les données exactes sur le chemin

Les données orbitales précises de Phobos pourraient également fournir plus d'informations sur l'intérieur de Mars. Alors que notre lune continue de gagner en moment angulaire et s'éloigne régulièrement de la Terre, Phobos ralentit et retourne progressivement vers Mars. «Nous pouvons utiliser cette légère décélération pour estimer l'élasticité et donc la chaleur de Mars à l'intérieur, car un matériau froid est toujours plus élastique que chaud», explique Amir Khan, également de l'Institut de géophysique de l'ETH Zurich. En fin de compte, les scientifiques veulent savoir si Mars a été formée à partir du même matériau que la Terre ou si différents éléments constitutifs peuvent expliquer le fait qu'il existe une tectonique des plaques, une atmosphère dense et des conditions favorables à la vie sur Terre - des choses qui manquent sur Mars.