Les scientifiques ont effectué les mesures les plus précises jamais réalisées sur la rotation de Mars, détectant pour la première fois comment la planète vacille en raison du « ballottement » de son noyau de métal en fusion. Les conclusions, détaillées dans un récent Nature papier, s’appuient sur les données de l’atterrisseur InSight Mars de la NASA, qui a fonctionné pendant quatre ans avant de manquer d’énergie lors de sa mission prolongée en décembre 2022.
Pour suivre la vitesse de rotation de la planète, les auteurs de l’étude se sont appuyés sur l’un des instruments d’InSight : un transpondeur radio et des antennes collectivement appelés Rotation and Interior Structure Experiment, ou RISE. Ils ont découvert que la rotation de la planète s’accélérait d’environ 4 millisecondes d’arc par an, ce qui correspond à un raccourcissement de la durée du jour martien d’une fraction de milliseconde par an.
C’est une accélération subtile, et les scientifiques ne sont pas entièrement sûrs de la cause. Mais ils ont quelques idées, notamment l’accumulation de glace sur les calottes polaires ou le rebond post-glaciaire, où les masses continentales se soulèvent après avoir été ensevelies par la glace. Le changement de masse d’une planète peut la faire accélérer un peu comme un patineur sur glace qui tourne avec les bras tendus, puis rentre les bras.
« C’est vraiment cool de pouvoir obtenir cette dernière mesure – et si précisément », a déclaré le chercheur principal d’InSight, Bruce Banerdt du Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud. « Je suis impliqué depuis longtemps dans les efforts visant à installer une station géophysique comme InSight sur Mars, et des résultats comme celui-ci valent la peine de toutes ces décennies de travail. »
Comment RISE fonctionne
RISE fait partie d’une longue tradition d’atterrisseurs martiens utilisant les ondes radio pour la science, y compris les atterrisseurs jumeaux Viking dans les années 1970 et l’atterrisseur Pathfinder à la fin des années 90. Mais aucune de ces missions ne bénéficiait de la technologie radio avancée d’InSight et des mises à niveau des antennes du Deep Space Network de la NASA sur Terre. Ensemble, ces améliorations ont fourni des données environ cinq fois plus précises que celles disponibles pour les atterrisseurs Viking.
Dans le cas d’InSight, les scientifiques transmettraient un signal radio à l’atterrisseur en utilisant le Deep Space Network. RISE refléterait alors le signal. Lorsque les scientifiques recevaient le signal réfléchi, ils recherchaient de minuscules changements de fréquence causés par le décalage Doppler (le même effet qui fait changer la hauteur d’une sirène d’ambulance à mesure qu’elle se rapproche et s’éloigne). La mesure du décalage a permis aux chercheurs de déterminer à quelle vitesse la planète tourne.
« Ce que nous recherchons, ce sont des variations qui ne sont que de quelques dizaines de centimètres au cours d’une année martienne », a déclaré l’auteur principal de l’article et chercheur principal de RISE, Sébastien Le Maistre à l’Observatoire royal de Belgique. « Il faut beaucoup de temps et beaucoup de données pour s’accumuler avant même de voir ces variations. »
L’article a examiné les données des 900 premiers jours martiens d’InSight, suffisamment de temps pour rechercher de telles variations. Les scientifiques avaient du pain sur la planche pour éliminer les sources de bruit : l’eau ralentit les signaux radio, de sorte que l’humidité de l’atmosphère terrestre peut déformer le signal provenant de Mars. Il en va de même pour le vent solaire, les électrons et les protons projetés dans l’espace lointain depuis le soleil.
« C’est une expérience historique », a déclaré Le Maistre. « Nous avons passé beaucoup de temps et d’énergie à préparer l’expérience et à anticiper ces découvertes. Mais malgré cela, nous avons quand même été surpris en cours de route – et ce n’est pas fini, car RISE a encore beaucoup à révéler sur Mars. »
Cette vidéo explique comment le Deep Space Network de la NASA, composé de plusieurs antennes paraboliques géantes disposées sur trois stations au sol à peu près équidistantes sur Terre, aide à mener des recherches radio autour des planètes, des lunes et d’autres corps planétaires. Crédit : NASA/JPL-Caltech
Mesures du noyau martien
Les données de RISE ont également été utilisées par les auteurs de l’étude pour mesurer l’oscillation de Mars, appelée sa nutation, due au ballottement de son noyau liquide. La mesure permet aux scientifiques de déterminer la taille du noyau : sur la base des données RISE, le noyau a un rayon d’environ 1 140 miles (1 835 kilomètres).
Les auteurs ont ensuite comparé ce chiffre avec deux mesures précédentes du noyau dérivées du sismomètre de l’engin spatial. Plus précisément, ils ont examiné comment les ondes sismiques traversaient l’intérieur de la planète, qu’elles se réfléchissent sur le noyau ou qu’elles le traversent sans entrave.
En tenant compte des trois mesures, ils estiment que le rayon du noyau se situe entre 1 112 et 1 150 milles (1 790 et 1 850 kilomètres). Mars dans son ensemble a un rayon de 2 106 miles (3 390 kilomètres), soit environ la moitié de la taille de la Terre.
La mesure de l’oscillation de Mars a également fourni des détails sur la forme du noyau.
« Les données de RISE indiquent que la forme du noyau ne peut pas être expliquée par sa seule rotation », a déclaré le deuxième auteur de l’article, Attilio Rivoldini de l’Observatoire royal de Belgique. « Cette forme nécessite des régions de densité légèrement supérieure ou inférieure enfouies profondément dans le manteau. »
Alors que les scientifiques exploiteront les données InSight pour les années à venir, cette étude marque le dernier chapitre du rôle de Banerdt en tant que chercheur principal de la mission. Après 46 ans avec JPL, il a pris sa retraite le 1er août.
Plus d’information:
Sébastien Le Maistre et al, Spin state and deep interior structure of Mars from InSight radio tracking, Nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-023-06150-0