La mission InSight révèle une couche fondue à la base du manteau martien

L’analyse par l’équipe de la mission InSight des données sismiques enregistrées sur Mars suite à un impact de météorite survenu en septembre 2021 bouleverse notre vision de la structure interne de la planète rouge et de son évolution. Une étude publiée le 26 octobre dans la revue Nature et impliquant des scientifiques français du CNRS, de l’IPGP, de l’ISAE-SUPAERO et d’Université Paris Cité, propose un nouveau modèle pour l’intérieur de Mars, avec un manteau non homogène composé d’une couche de silicates fondus surplombant le noyau martien, qui explique l’ensemble des observations géophysiques.

Vue d’artiste de la structure interne de Mars montrant la propagation des ondes diffractées issues de l’impact de météorite de septembre 2021 jusqu’au sismomètre SEIS de la mission InSight. Leur trajectoire passe dans la partie inférieure et totalement fondue de la couche de silicates à la base du manteau, où les vitesses sismiques sont faibles.

Les premières données de la mission InSight ont permis de déterminer la structure interne de la planète Mars dans une série de publications de l’équipe scientifique parue à l’été 2021. Mais depuis, l’analyse de nouvelles données générées par un puissant impact de météorite survenu le 18 septembre 2021, remettent en question les premières estimations de la structure interne de la planète rouge. En étudiant les temps de propagation d’ondes générées par cet impact, une équipe internationale menée par Henri Samuel, chercheur CNRS à l’Institut de physique du globe de Paris, et impliquant des scientifiques du CNRS, de l’ISAE-SUPAERO et d’Université Paris Cité soutenues par le CNES et l’ANR, ainsi que des co-auteurs de l’Observatoire royal de Belgique, des Universités du Maryland et de Bristol, de l’école polytechnique de Zürich, de l’académie Russe des Sciences, et du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, a mis en évidence la présence d’une couche de silicates fondus à la base du manteau martien surplombant le noyau métallique.

Ce nouveau modèle de structure, publié le 26 octobre 2023 dans la revue Nature, plus réaliste au regard de l’ensemble des données géophysiques, permet également d’expliquer de façon cohérente l’évolution de Mars depuis sa formation.
En particulier, la mise en évidence de cette stratification du manteau martien élucide la propagation anormalement lente, jusqu’alors inexpliquée, des ondes diffractées issues de l’impact de météorite de septembre 2021 par leur trajectoire dans la partie inférieure et totalement fondue de la couche de silicates à la base du manteau, où les vitesses sismiques sont faibles. Par ailleurs, pour plusieurs événements sismiques plus anciens, les temps d’arrivées des ondes mesurés à la surface de Mars sont compatibles avec des réflexions d’ondes de cisaillement sur la couche fondue (située à plusieurs dizaines de kilomètres au-dessus du noyau métallique) et non pas à l’interface noyau-manteau comme précédemment supposé. Enfin, la présence de cette couche de silicates permet d’expliquer la trajectoire observée due la lune martienne Phobos. En effet, la partie supérieure et partiellement fondue de la couche basale permet de dissiper efficacement les déformations générées par l’attraction gravitationnelle de Phobos. En revanche, le manteau solide au-dessus de cette couche est plus rigide et sismiquement peu atténuant, comme le suggère la détection à la surface de Mars d’ondes associées à des évènements sismiques de magnitudes relativement faibles.

Un noyau plus petit et plus dense qu’envisagé

La présence de cette couche fondue à la base du manteau implique un noyau métallique 150 à 170 km plus petit (soit un rayon de 1650±20 km) et 5 à 8 % plus dense (soit 6,5 g/cm3) que les estimations sismiques précédentes. Ce noyau serait donc composé d’un alliage ayant moins d’éléments légers que précédemment requis, et plus compatible avec les données cosmochimiques issues de l’analyse des météorites martiennes et les expériences de hautes pressions. Les auteurs de l’étude proposent ainsi que Mars a vraisemblablement connu un stade précoce d’océan magmatique dont la cristallisation a produit une couche stable à la base du manteau, fortement enrichie fer et en éléments radioactifs. La chaleur dégagée par ces derniers a généré une couche basale de silicates fondus située au-dessus du noyau, recouverte par une couche partiellement fondue plus fine.

L’étude précise en outre qu’une telle stratification du manteau isole le noyau métallique, l’empêchant ainsi de se refroidir et de générer une dynamo thermique. « L’isolement thermique du noyau métallique de Mars par la couche liquide à la base du manteau implique que des sources externes sont nécessaires pour générer le champ magnétique enregistré dans la croûte martienne au cours des premiers 500-800 millions d’années d’évolution. Ces sources pourraient être des impacts énergétiques, ou encore des mouvements du noyau générés par des interactions gravitationnelles avec d’anciens satellites qui auraient depuis disparu » précise Henri Samuel.

Cette structure stratifiée de l’intérieur du manteau de Mars qui contraste avec celle de la Terre témoigne d’une évolution interne différente de ces deux planètes. Mélanie Drilleau, ingénieure de recherche à l’ISAE-SUPAERO et co-auteure de l’étude explique que « la découverte de cette stratification du manteau martien ouvre de nouveaux horizons de recherche, puisque les données sismiques enregistrées par l’instrument SEIS de la mission InSight seront désormais reconsidérées à la lumière de ce nouveau paradigme ».