Usando informações obtidas em cerca de uma dúzia de terremotos detectados em Marte pelo sismômetro de banda muito larga SEIS, desenvolvido na França, a equipe internacional da missão InSight da NASA revelou a estrutura interna de Marte. Os três artigos publicados em 23 de julho, 2021 no jornal Ciência , envolvendo vários co-autores de instituições e laboratórios franceses, incluindo o CNRS, o Institut de Physique du Globe de Paris, e Université de Paris, e apoiado em particular pela agência espacial francesa CNES e pela Agência Nacional de Pesquisa Francesa ANR, fornecer, pela primeira vez, uma estimativa do tamanho do núcleo do planeta, a espessura de sua crosta e a estrutura de seu manto, com base na análise de ondas sísmicas refletidas e modificadas por interfaces em seu interior. Isso torna esta a primeira exploração sísmica da estrutura interna de um planeta terrestre diferente da Terra, e um passo importante para a compreensão da formação e evolução térmica de Marte.

Antes da missão InSight da NASA, a estrutura interna de Marte ainda era mal compreendida. Os modelos foram baseados apenas em dados coletados por satélites em órbita e na análise de meteoritos marcianos que caíram na Terra. Com base apenas na gravidade e nos dados topográficos, a espessura da crosta foi estimada entre 30 e 100 km. Os valores do momento de inércia e densidade do planeta sugeriram um núcleo com raio de 1, 400 a 2, 000 km. A detalhada estrutura interna de Marte e a profundidade dos limites entre a crosta, manto e núcleo eram, Contudo, completamente desconhecido.

Com a implantação bem-sucedida do experimento SEIS na superfície de Marte no início de 2019, os cientistas da missão, incluindo os 18 co-autores franceses envolvidos e afiliados a uma ampla gama de instituições e laboratórios franceses, junto com seus colegas da ETH em Zurique, a Universidade de Colônia e o Laboratório de Propulsão a Jato em Pasadena, coletou e analisou dados sísmicos ao longo de um ano marciano (quase dois anos terrestres).

Deve-se ressaltar que para determinar simultaneamente um modelo estrutural, a hora (de chegada) de um terremoto, e sua distância, mais de uma estação geralmente é necessária. Contudo, em Marte, os cientistas têm apenas uma estação, Discernimento. Foi, portanto, necessário pesquisar os registros sísmicos para as características das ondas que interagiram de várias maneiras com as estruturas internas de Marte, e identificá-los e validá-los. Essas novas medidas, juntamente com modelagem mineralógica e térmica da estrutura interna do planeta, tornaram possível superar a limitação de ter uma única estação. Este método inaugura uma nova era para a sismologia planetária.

Uma única estação, múltiplas descobertas

Outra dificuldade em Marte é sua baixa sismicidade e o ruído sísmico gerado por sua atmosfera. Na terra, terremotos são muito mais fortes, enquanto os sismômetros são mais efetivamente localizados em cofres ou no subsolo, possibilitando a obtenção de uma imagem precisa do interior do planeta. Como resultado, atenção especial teve que ser dada aos dados. "Mas embora os terremotos marcianos tenham uma magnitude relativamente baixa, menos de 3,5, a sensibilidade muito alta do sensor VBB combinada com o ruído muito baixo ao anoitecer nos permitiu fazer descobertas que, dois anos atrás, pensamos que só seriam possíveis com terremotos com magnitude superior a 4, "explica Philippe Lognonné, Professor da Universidade de Paris e Pesquisador Principal do instrumento SEIS no IPGP.

Todos os dias, os dados, processado pelo CNES, IPGP e CNRS, e transferido para os cientistas, foi cuidadosamente limpo de ruído ambiente (vento e deformação relacionados a mudanças bruscas de temperatura). A equipe internacional do Mars Quake Service (MQS) registrou os eventos sísmicos diariamente:Mais de 600 já foram catalogados, dos quais mais de 60 foram causados ​​por terremotos relativamente distantes.

Cerca de dez destes últimos contêm informações sobre a estrutura profunda do planeta:"As ondas sísmicas diretas de um terremoto são um pouco como o som de nossas vozes nas montanhas:elas produzem ecos. E foram esses ecos, refletido no núcleo, ou na interface crosta-manto ou mesmo na superfície de Marte, que procuramos nos sinais, graças à sua semelhança com as ondas diretas, "Lognonné explica.

Uma crosta alterada, um manto revelado, e um grande núcleo líquido

Ao comparar o comportamento das ondas sísmicas à medida que viajavam pela crosta antes de chegar à estação InSight, várias descontinuidades na crosta foram identificadas:a primeira, observada a uma profundidade de cerca de 10 km, marca a fronteira entre uma estrutura altamente alterada, resultante da circulação de fluido muito tempo atrás, e crosta ligeiramente alterada. Uma segunda descontinuidade em torno de 20 km para baixo, e um terceiro, menos pronunciado em cerca de 35 km, lançar luz sobre a estratificação da crosta abaixo do InSight:"Para identificar essas descontinuidades, usamos todos os métodos analíticos mais recentes, tanto com terremotos de origem tectônica quanto com vibrações causadas pelo meio ambiente (ruído sísmico), "diz Benoit Tauzin, Professor titular da Universidade de Lyon e pesquisador do LGL-TPE.

No manto, os cientistas analisaram as diferenças entre o tempo de viagem das ondas produzidas diretamente durante o terremoto, e o das ondas geradas quando essas ondas diretas foram refletidas na superfície. Essas diferenças tornaram isso possível, usando apenas uma estação, para determinar a estrutura do manto superior, e, em particular, a variação das velocidades sísmicas com a profundidade. Contudo, tais variações na velocidade estão relacionadas à temperatura. "Isso significa que podemos estimar o fluxo de calor de Marte, que é provavelmente três a cinco vezes menor do que a da Terra, e colocar restrições na composição da crosta marciana, que se pensa conter mais da metade dos elementos radioativos produtores de calor presentes no planeta, "acrescenta Henri Samuel, pesquisador do CNRS do IPGP.

Finalmente, no terceiro estudo, os cientistas procuraram ondas refletidas na superfície do núcleo marciano, a medição de cujo raio foi uma das principais conquistas da missão InSight. "Para fazer isso, "explica Mélanie Drilleau, um engenheiro de pesquisa no ISAE-SUPAERO, "testamos vários milhares de modelos de manto e núcleo contra as fases e sinais observados." Apesar das baixas amplitudes dos sinais associados às ondas refletidas (conhecidas como ondas ScS), um excesso de energia foi observado para núcleos com raio entre 1, 790 km e 1, 870 km. Um tamanho tão grande implica a presença de elementos leves no núcleo líquido e tem consequências importantes para a mineralogia do manto na interface manto / núcleo.

Metas alcançadas, novas questões emergem

Mais de dois anos de monitoramento sísmico resultaram no primeiro modelo da estrutura interna de Marte, até o núcleo. Marte, assim, junta-se à Terra e à Lua no seleto clube de planetas e luas terrestres cujas estruturas profundas foram exploradas por sismólogos. E, como costuma acontecer na exploração planetária, novas questões surgem:É a alteração geral dos 10 km superiores da crosta, ou está limitado à zona de pouso do InSight? Que impacto esses primeiros modelos terão nas teorias da formação e evolução térmica de Marte, em particular, durante os primeiros 500 milhões de anos, quando Marte teve água líquida em sua superfície e intensa atividade vulcânica?

Com a extensão de dois anos da missão InSight e a energia elétrica adicional obtida após a limpeza bem-sucedida de seus painéis solares realizada pelo JPL, novos dados devem consolidar e aprimorar ainda mais esses modelos.