Creuser profondément dans Mars.

Bien que des dizaines de vaisseaux spatiaux aient exploré la surface de Mars, InSight est le premier à cibler l'intérieur de la planète.

Par Jim Bell  | Publication: mardi 10 septembre 2019

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InSight a pris ce selfie le 6 décembre 2018 avec sa caméra de déploiement d'instruments. Les deux panneaux solaires de la sonde dominent la scène, avec le pont et ses instruments scientifiques, des rampes de capteurs météorologiques et une antenne UHF entre eux. La caméra, qui se trouve sur le coude du bras robotique du vaisseau spatial, a pris 11 images que les scientifiques de la Terre ont assemblées pour créer cette mosaïque.

Toutes les photos par NASA / JPL-Caltech sauf indication contraire

Mars est-il un monde mort comme la Lune ou une planète terrestre vivante et active comme la Terre? C'est la question à 830 millions de dollars à laquelle une équipe internationale de scientifiques et d'ingénieurs tente de répondre avec le dernier habitant robotique de la planète rouge. La NASA a sélectionné la mission InSight en 2012 parmi un pool de près de 30 propositions pour explorer le système solaire qui avaient été soumises au concours du programme Discovery de l'agence spatiale deux ans plus tôt. InSight - abréviation de «Exploration intérieure utilisant les enquêtes sismiques, la géodésie et le transport de chaleur» - est, comme son nom l'indique, une mission conçue pour étudier l'intérieur profond de Mars depuis le point de vue d'une seule station à la surface.

Une fusée Atlas V transportant le vaisseau spatial InSight de la NASA s'élève au-dessus d'un banc de brouillard peu après son lancement depuis la base aérienne de Vandenberg en Californie le matin du 4 mai 2018. 

NASA / Cory Huston

Rêver profondément

Le scientifique planétaire Bruce Banerdt, chercheur principal de la mission, étudie la formation et l'évolution de Mars et d'autres planètes au Jet Propulsion Laboratory (JPL) de Caltech depuis 1983. Depuis des décennies, lui et des dizaines d'autres géophysiciens planétaires du monde entier réfléchissent sur les moyens d'apprendre si Mars est mort ou vivant.

Ils savaient que la sismologie - l'étude des tremblements de terre et des phénomènes connexes - était la clé pour comprendre l'intérieur de la Terre. Mais faire des recherches similaires sur Mars signifiait qu'ils devaient trouver comment construire et déployer des sismomètres et d'autres capteurs géophysiques qui pourraient gérer les contraintes d'un lancement depuis la Terre et l'environnement hostile de la surface de Mars. Et ils savaient qu'il ne serait pas possible de déployer un réseau mondial de milliers de sismomètres comme nous en avons sur notre planète. Au mieux, ils pourraient envisager de mettre en place un petit réseau d'au moins quelques sismomètres et autres instruments, comme les astronautes d'Apollo l'avaient fait sur six sites d'atterrissage sur la Lune, en utilisant des engins spatiaux similaires à ceux qui avaient déjà réussi à atterrir sur Mars. Au pire, ils ne pouvaient en déployer qu'un seul.

Et en effet, il devrait en être un. Les coûts, la complexité et les risques de tentatives d'atterrissages multiples sur Mars ne correspondaient tout simplement pas aux contraintes de la gamme de programmes de découverte «plus rapide, meilleure et moins chère» de la NASA, et aucune mission de plus grande classe pour étudier la géophysique martienne n'était prévue dans un avenir prévisible. . Ainsi, Banerdt a commencé à aligner une équipe pour faire le meilleur terrain possible à la NASA pour une mission pour étudier l'intérieur de Mars.

Pour réduire les risques, l'équipe a proposé de tirer parti de l'expérience du JPL dans la conception et l'exploitation de missions de surface sur Mars, et d'utiliser essentiellement le même atterrisseur Lockheed Martin qui avait réussi à faire remonter les expériences de la mission Phoenix à la surface en 2008. Et pour réduire les coûts, l'équipe s'est appuyée sur aux agences spatiales d'autres pays de contribuer à un pourcentage important des instruments. Cette décision plutôt courageuse reviendrait hanter - mais heureusement ne tuerait pas - la mission.

Mars est-il vivant?

Avant InSight, les scientifiques planétaires avaient une compréhension rudimentaire de ce à quoi ressemblait probablement l'intérieur de Mars, et quelques hypothèses grossières sur son niveau d'activité. En se basant sur les similitudes générales entre les planètes terrestres de notre système solaire et sur les informations physiques, compositionnelles, géologiques et autres de base fournies par les missions précédentes sur Mars, les chercheurs ont également déduit que Mars était différenciée - avec un intérieur séparé en un noyau, un manteau et une croûte comme la Terre.

La mission orbitale Mars Global Surveyor de la NASA au milieu des années 90 a fourni une information clé à l'appui de cette hypothèse. Le magnétomètre du vaisseau spatial a mesuré de forts champs magnétiques dans les roches sur certaines parties de la surface de la planète. Les scientifiques supposent que ces signatures sont des vestiges de ce qui était autrefois un champ magnétique mondial, peut-être similaire à certains égards à celui de la Terre. Le champ magnétique de notre planète apparaît dans le noyau. Cette boule de fer hautement conductrice, partiellement fondue et en rotation, crée un champ magnétique puissant qui s'étend du noyau jusque dans l'espace. Le champ aide à protéger la surface des radiations nocives et a permis à la vie d'émerger et de prospérer ici. Mars a-t-il déjà eu un noyau partiellement fondu qui a donné naissance à un champ magnétique mondial tout aussi bénéfique?

InSight a ouvert le couvercle de l'objectif sur son ICC le 30 novembre. Bien que de la poussière adhère toujours à l'objectif, cette vue beaucoup plus claire révèle une roche à proximité en bas au centre ainsi que l'un des coussinets du vaisseau spatial en bas à droite. L'objectif fisheye de l'appareil photo crée l'horizon incurvé.

Un autre élément de preuve clé suggérant que Mars est différencié provient du suivi des signaux radio Mars Pathfinder et des missions ultérieures envoyées depuis la surface. Les atterrisseurs et les rovers transmettent leurs signaux radio à partir d'une planète en rotation qui vacille légèrement. Ces minuscules oscillations proviennent du fait que Mars n'est pas une sphère uniforme, mais a plutôt des variations internes de masse et de densité. En modélisant les minuscules changements de fréquence du signal radio associés à ces oscillations, les géophysiciens planétaires peuvent déduire la nature des variations intérieures. Les scientifiques qui suivent les signaux radio Pathfinder, par exemple, ont déduit que Mars a un noyau plus dense et vraisemblablement riche en fer qui s'étend du centre du monde à quelque part entre 40 et 60% du rayon de la planète.

Mais ce noyau est-il encore au moins partiellement fondu? Mars a-t-il d'énormes quantités de chaleur interne - un flux de chaleur élevé, en termes géophysiques - comme la Terre, et cette chaleur est-elle le moteur des processus géologiques contemporains? Mars n'a pas de champ magnétique global aujourd'hui, ce qui est un argument selon lequel le noyau s'est solidifié et l'intérieur n'est plus actif.

D'autres arguments contre un flux de chaleur élevé incluent l'absence de toute preuve de volcans ou de points chauds récemment actifs, ainsi que aucune preuve convaincante de la tectonique des plaques passée ou présente. La croûte terrestre est divisée en une douzaine de grandes plaques tectoniques. Ces plaques se déplacent les unes par rapport aux autres, provoquant la plupart des tremblements de terre et des volcans de notre planète, et jouent un rôle en aidant notre planète à libérer sa chaleur interne. Mais depuis l'orbite, Mars semble être une planète à une plaque sans activité géologique interne évidente. Les observations de surface pourraient-elles vérifier cette supposition?

Le pont d'InSight est hérissé d'instruments scientifiques le 4 décembre 2018, avant que les contrôleurs sur Terre ne fassent déployer les appareils par le bras robotique. La structure hexagonale cuivrée au premier plan est un couvercle pour protéger le sismomètre. Le dôme gris derrière est le pare-vent et le bouclier thermique, qui serait placé au-dessus du sismomètre le 2 février.

La vue d'Elysium

L'équipe de mission InSight a travaillé frénétiquement pendant quatre ans pour concevoir, construire et tester l'atterrisseur et ses instruments à temps pour respecter le lancement prévu en 2016. La tâche s'est avérée difficile car un certain nombre de problèmes techniques et de gestion sont apparus en cours de route. Le plus grave d'entre eux a été une petite fuite dans le boîtier du sismomètre, qui doit fonctionner sous vide pour atteindre sa sensibilité requise, découverte plusieurs mois avant le lancement prévu.

L'instrument, construit par un consortium européen dirigé par l'Agence spatiale française (CNES), n'a pas pu être réparé à temps et son lancement a été retardé de deux ans. La NASA a estimé le coût de ce retard à environ 150 millions de dollars, annulant les économies espérées en s'appuyant sur une charge utile scientifique fortement internationale.

Le retard a également eu des ramifications au sein de la NASA. L'agence spatiale s'est rendu compte que les collaborations internationales très techniques peuvent être extrêmement difficiles à gérer et a décidé de resserrer les règles sur la contribution des pays extérieurs aux instruments des futures missions. La nouvelle limite représente désormais un tiers du coût total de tous les instruments.

Le retard a donné au JPL, à Lockheed et à leurs partenaires internationaux le temps de diagnostiquer et de réparer les problèmes et de tester le système complet dans une chambre à vide géante simulant Mars dans les installations de Lockheed au Colorado. Les techniciens ont ensuite emballé le vaisseau spatial dans sa coque de protection et son bouclier thermique de croisière et l'ont expédié à la base aérienne de Vandenberg en Californie, où il deviendrait la première mission interplanétaire lancée depuis la côte ouest des États-Unis. La NASA a choisi Vandenberg plutôt que l'installation de lancement habituelle de la base aérienne de Cape Canaveral en Floride, car elle pouvait mieux gérer la grande masse du vaisseau spatial et offrait plus de flexibilité dans le calendrier du lancement. Aux petites heures du 5 mai 2018, une fusée Atlas V a illuminé le ciel au nord de Los Angeles et a mis InSight en route vers Mars.

Le bras robotique d'InSight place son sismomètre cuivré sur la surface de Mars le 19 décembre 2018. Le sismomètre enregistre les grondements sismiques causés par les marsquakes et les frappes de météorites à proximité.

Faire le sale boulot

L'atterrisseur InSight transporte deux caméras - l'une montée sous le pont et l'autre sur le bras robotique - trois ensembles principaux d'expériences géophysiques et un ensemble d'instruments météorologiques. Les expériences géophysiques comprennent le sismomètre dirigé par le CNES appelé l'expérience sismique pour la structure intérieure (SEIS). L'équipe scientifique l'a conçu pour détecter des marsquakes potentiels avec jusqu'à 300 fois la sensibilité des sismomètres terrestres typiques, et pour mesurer la force du champ magnétique à la surface de Mars.

Le Centre aérospatial allemand a construit le flux de chaleur et le package des propriétés physiques (HP3), qui mesureront le flux de chaleur et la conductivité de la planète en martelant une petite sonde surnommée «la taupe» jusqu'à une profondeur de 16 pieds (5 mètres) dans le sous-sol. L'expérience sur les émetteurs radio dirigée par le JPL, appelée Expérience de rotation et de structure intérieure (RISE), améliorera les expériences sur les atterrisseurs précédents qui ont permis de déduire la nature de l'intérieur de la planète, y compris la taille du noyau. Le package de température et de vent pour InSight (TWINS) comprend plusieurs capteurs de température, de pression, de vitesse du vent et de direction du vent placés à différentes hauteurs sur l'atterrisseur.

De plus, l'atterrisseur est équipé d'un rétroréflecteur passif qui permettra aux futurs orbiteurs de Mars de tirer des faisceaux laser sur l'appareil et de suivre avec précision leur portée jusqu'à la surface. Les astronautes d'Apollo ont laissé sur la Lune des appareils similaires qui permettent aux scientifiques de surveiller précisément la distance entre la Terre et son satellite. Enfin, la sonde porte deux minuscules puces de silicium sur lesquelles la NASA a gravé au microscope les noms de plus de 2,4 millions de personnes qui se sont inscrites pour que leur nom soit envoyé sur Mars.

Le 28 juin, le bras robotique d'InSight a déplacé la structure de support de l'instrument HP3 (à l'extrême gauche) pour donner aux scientifiques un meilleur aperçu de son outil de creusement, connu officieusement sous le nom de «taupe», pour voir pourquoi il ne pouvait pas creuser plus profondément. Les contrôleurs ont soulevé la structure en trois petites étapes pour s'assurer qu'ils ne tiraient pas la taupe du sol.

Au cours des années précédant le lancement, l'équipe scientifique et technique d'InSight a travaillé pour identifier le site d'atterrissage parfait pour la mission. Cependant, l'idée de perfection de cette équipe différait considérablement de celle de la plupart des équipes de mission précédentes. Les sismomètres InSight et d'autres instruments géophysiques doivent être en bon contact avec la surface solide de la planète pour détecter les ondes sismiques et mesurer avec précision le flux de chaleur. Cela signifiait éviter les rochers, le sable meuble et les tas de poussière.

En outre, le système d'atterrissage bouclier thermique-parachute-rétrorocket, hérité de l'atterrisseur Phoenix, ne disposait pas des systèmes sophistiqués d'évitement d'obstacles qui ont permis à d'autres missions de cibler de petites zones spécifiques. En fait, l'ellipse d'atterrissage de la mission - la zone d'incertitude où le vaisseau spatial était le plus susceptible de se poser - s'étendait sur une robuste 81 par 17 miles (130 par 27 kilomètres). Comparez cela avec l'ellipse d'atterrissage du rover Curiosity, qui ne s'étendait que sur 12 miles sur 4 miles (20 sur 7 km).

Ainsi, l'équipe InSight voulait que l'engin spatial atterrisse dans un grand parking plat, sans roches, sans sable et sans poussière. En effet, c'était presque exactement le contraire de ce que la plupart des géologues planétaires recherchent - minéraux exotiques, couches sédimentaires, collines, vallées, formes de relief liées à l'eau - lorsqu'ils veulent atterrir sur Mars. Heureusement pour l'équipe InSight, Mars regorge de lieux plats et relativement ennuyeux. Un site particulier - à Elysium Planitia près de 4,5 ° de latitude nord et 135,0 ° de longitude est - a également satisfait aux exigences supplémentaires de la mission: une faible élévation pour que le parachute fonctionne bien et une région équatoriale pour que la mission puisse fonctionner avec l'énergie solaire.

Après une croisière rapide et relativement sans incident de six mois et demi vers Mars, les membres de l'équipe InSight et des millions de personnes en ligne ont vécu leurs propres «sept minutes de terreur» alors que le vaisseau spatial exécutait de manière autonome son ensemble d'entrée, de descente et de chorégraphie soigneusement activités d'atterrissage le 26 novembre 2018.

Les multiples empreintes de pas vues autour de la structure de support de l'instrument HP3 révèlent qu'il se déplaçait légèrement alors que l'instrument tentait de marteler sa «taupe» dans le sous-sol de Mars. Les scientifiques pensent que les propriétés du sol ou une roche empêchent la taupe d'aller plus loin et travaillent sur les moyens de la faire fonctionner.

Les scientifiques sur le terrain ont surveillé bon nombre de ces activités en temps quasi réel, retardé uniquement par le temps de trajet de huit minutes de la lumière de Mars, alors que l'atterrisseur relançait ses signaux radio vers la Terre via deux CubeSats. Ces petits satellites, chacun de la taille d'une boîte de céréales, avaient été lancés avec le vaisseau spatial principal en mai. Appelés Mars Cube One (MarCO) A et B et surnommés Eve et Wall-E par leurs créateurs d'ingénierie JPL, les satellites ont parfaitement fait leur travail. Ils ont relayé la télémétrie et, éventuellement, les premières photos poussiéreuses InSight de la surface alors qu'ils dépassaient Mars, se comportant parfaitement comme le premier CubeSats interplanétaire dans l'espace lointain.

Déballage pour un long séjour

Bien que les caméras aient commencé à prendre des photos et que TWINS a commencé à collecter des données météorologiques sur Mars peu de temps après l'atterrissage, il a fallu plus de trois mois pour vraiment terminer le processus d'atterrissage. En effet, de nombreux instruments géophysiques clés d'InSight ont été emballés sur le pont de l'atterrisseur pendant le voyage vers Mars. Pour fonctionner correctement, le bras de déploiement d'instruments (IDA) a dû déballer soigneusement, puis les mettre en contact avec la surface rocheuse.

L'équipe InSight a déployé SEIS en premier, le 18 décembre, ou sol 22. (Les scientifiques de Mars expriment généralement l'heure à la surface de la planète en sols. Un sol est la longueur d'une journée martienne et équivaut à 24 heures 39 minutes 35 secondes.) prendre jusqu'au sol 66 (début février 2019) pour terminer les ajustements de l'attache du sismomètre au rover et pour couvrir l'instrument avec son bouclier de protection contre le vent et thermique (WTS) conçu pour réduire le bruit de fond que l'instrument sensible capterait autrement.

HP3 a été déployé à la surface sur le sol 76 (12 février) et il a commencé à enfoncer la taupe dans le sous-sol sur le sol 92 (28 février). Après une longue attente, l'équipe de la mission a finalement pu commencer à collecter tous les différents types de mesures qu'elle avait prévu de faire.

Dans un sens, la mission InSight ne fait que commencer. L'équipe SEIS a détecté son premier tremblement de terre probable sur le sol 128 (6 avril), mais au début de juillet, il n'en a pas encore détecté une seconde. Le séisme avait une magnitude comprise entre 2,0 et 2,5 - un tremblement, vraiment, qu'un humain n'aurait pas ressenti s'il s'était produit sur Terre. Malgré le calme apparent sur Mars, les sismomètres fonctionnent à merveille, détectant les mouvements du sol à l'échelle de 25 picomètres - seulement 20% du diamètre d'un atome d'hydrogène! La haute sensibilité de SEIS a également enregistré l'effet de ce que les membres de l'équipe supposent être de nombreux diables de poussière ainsi que d'autres types de turbulence atmosphérique à basse fréquence, appelés infrasons, passant par-dessus le sismomètre.

InSight a capturé ce panorama de son site d'atterrissage le 9 décembre 2018, le 14e jour martien (sol) de sa mission de deux ans prévue. Ce champ de vision de 290 ° de large comprend 30 images individuelles et montre le bord du cratère dégradé dans lequel l'engin spatial a atterri, surnommé Homestead Hollow.

La rareté des tremblements de terre détectés au cours des premiers mois d'exploitation de SEIS exclut déjà la possibilité que l'intérieur de Mars soit aussi sismiquement actif que celui de la Terre. Bien que cela ne soit pas inattendu, l'équipe est impatiente de voir si une surveillance continue révélera que Mars aura aussi peu d'activité que la Lune, ou si elle se situe quelque part entre la Terre et la Lune. InSight devrait avoir tout le temps nécessaire pour régler ce problème - sa mission principale dure une année martienne complète, ou un peu plus de deux années terrestres.

La caméra de déploiement d'instruments d'InSight a capturé le soleil levant le 24 avril (sol 145). La caméra a pris cette image vers 5 h 30, heure locale de Mars.

La taupe de HP3 n'a pas aussi bien réussi. Peu de temps après le début du martelage, la taupe est restée coincée à environ 12 pouces (30 centimètres) sous la surface, peut-être parce que le sol ne fournit pas suffisamment de friction ou parce que l'instrument a rencontré une ou plusieurs roches. L'équipe continue de diagnostiquer le problème et espère élaborer une stratégie qui permettra à l'instrument de faire son travail. La taupe doit se déplacer plus profondément pour effectuer des mesures de flux de chaleur de meilleure qualité.

Pendant ce temps, TWINS génère des rapports météorologiques quotidiens exceptionnels sur Mars. Il a découvert une petite tempête de poussière commençant autour du sol 42 et a détecté des dizaines de petites perturbations atmosphériques passant sur l'atterrisseur chaque sol.

Les capteurs de pression de l'instrument ont observé bon nombre des mêmes tourbillons atmosphériques à petite échelle produisant des infrasons que le sismomètre a détectés. La plupart de ces tourbillons atmosphériques n'ont cependant pas produit de diables de poussière visibles dans les images de la caméra, ce qui indique qu'une toute nouvelle classe de perturbations atmosphériques - les "diables sans poussière" - existe apparemment, et les instruments d'InSight pourront les étudier pour la première fois.
Les scientifiques ont même pris des mesures et des images météorologiques simultanées lorsque la plus grande lune de Mars, Phobos, éclipse le Soleil. L'ombre de la lune produit de minuscules baisses de température et de luminosité au cours de ces événements, qui durent moins de 30 secondes.

InSight a également pris le coucher du soleil sur le sol 145, lorsque les calendriers terrestres étaient passés au 25 avril. La même caméra a pris cette image vers 18h30, heure locale de Mars.

Et, bien sûr, l'atterrisseur et les caméras IDA poursuivent leur imagerie pour surveiller les instruments ainsi que pour comprendre le contexte géologique du site d'Elysium. Les bords rocheux de plusieurs petits cratères d'impact lointains parsèment le paysage, et des matériaux poussiéreux remplissent de plus petits cratères voisins que les scientifiques ont surnommés des creux. L'équipe a obtenu le site assez plat et sans roches qu'elle espérait - les roches couvrent moins de 4% de la surface.

Même si InSight ne comporte aucun instrument de minéralogie ou de géochimie, les images seules sont cohérentes avec une surface de substrat rocheux d'origine volcanique fracturée et pulvérisée à des profondeurs de plusieurs dizaines à centaines de mètres par des éons d'impacts innombrables. Ce matériau est probablement basaltique, comme la plupart de Mars et les coulées de lave typiques observées à Hawaï et en Islande. Géologiquement, le site d'atterrissage d'InSight à Elysium Planitia se révèle avoir beaucoup de points communs non seulement avec le site d'atterrissage du Spirit rover dans le cratère Gusev, mais aussi avec le site d'atterrissage de la mission Phoenix dans les plaines septentrionales des hautes latitudes.

Un héritage en devenir

Bien que la pleine charge utile d'InSight soit devenue opérationnelle il y a seulement quelques mois, la mission fait déjà d'importantes découvertes météorologiques sur le climat martien actuel. Et avec les déploiements réussis de tous les principaux instruments, à l'exception de la taupe, le décor est désormais prêt pour la mission de faire également des découvertes géophysiques historiques. Maintenant, il est temps que Mars coopère.

Avec le premier tremblement de terre maintenant dans les livres, combien en trouvera-t-on de plus? Et cela se révélera-t-il être le résultat d'impacts à proximité, d'un barattage interne profond d'un manteau ou d'un noyau encore actif, ou des deux? Mars est-elle aussi morte que la Lune, ou connaît-elle encore une activité interne? Au cours des prochaines années, les scientifiques s'attendent à enregistrer de nombreux événements sismiques. Que vont-ils révéler sur la structure interne de la planète, et que peuvent en tirer les scientifiques sur l'échelle de temps sur laquelle le volcanisme autrefois abondant de la planète et son puissant champ magnétique ont décliné?

Et en fin de compte, quelles autres nouvelles informations viendront d'InSight? Restez à l'écoute - la dernière série d'excitation et de découverte sur la planète rouge ne fait que commencer.

Source: http://www.astronomy.com
Lien: http://astronomy.com/magazine/2019/09/digging-deep-into-mars?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR3R3H4nw94fVyfF_-A2FCB6e1S-69atGVhnc3KPyQC37wmCTBjCDQHG_Jw