Sur Mars, comment une éclipse de Soleil peut révéler l’intérieur de la planète

Une éclipse du Soleil par la satellite Phobos, vue par le rover martien Curiosity. © Nasa/JPL-Caltech
Les éclipses de Soleil par Phobos sont mystérieusement captées par le sismomètre de la sonde InSight, posée à la surface de Mars. Une aubaine pour les scientifiques qui pourraient en tirer de précieuses informations sur l’intérieur de la planète rouge.

Mais que se passe-t-il sur Mars pour qu’à chaque éclipse de Soleil par son satellite Phobos, le sismomètre d’InSight enregistre un signal ? C’est en effet l’étrange observation de l’équipe internationale chargée d’écouter les tremblements de Mars, animée par l’École polytechnique fédérale de Zurich (ETHZ). « Ce fut une surprise, raconte Simon Stähler, de l’ETHZ, qui a mené l’étude. Je suis toujours attentif aux signaux liés à des événements extérieurs, car ils peuvent apporter un éclairage nouveau sur Mars. Mais je ne m’attendais pas du tout à cela et il m’a fallu quelques jours pour trouver une explication. » Celle-ci ferait appel à la baisse de température lors d’une éclipse et permettrait de mieux connaître l’intérieur de la planète rouge.

Le sismomètre SEIS photographié sur le sol de Mars par la sonde Insight. © NASA/JPL-Caltech
Le sismomètre SEIS photographié sur le sol de Mars par la sonde Insight. © Nasa/JPL-Caltech

La sonde américaine InSight a atterri sur Mars le 26 novembre 2018 dans la région volcanique d’Elysium Planitia, avec pour mission l’étude de l’intérieur de cette planète. Phobos, l’un de ses satellites, traverse le ciel toutes les 11 heures. Il peut ainsi éclipser le Soleil bien plus souvent que la Lune sur Terre, mais ces éclipses ne sont jamais totales (vu de Mars, Phobos paraît plus petit que le Soleil) et ne durent qu’une trentaine de secondes. C’est à ce spectacle qu’a assisté InSight le 24 avril 2020. Sur Terre, un tel événement mène évidemment à une baisse de luminosité, de température, mais aussi à des rafales dues aux masses d’air chaud et d’air froid qui s’échangent dans l’ombre de l’éclipse. Ce dernier phénomène n’a pas été observé sur Mars. Mais les deux premiers oui, via le magnétomètre pour l’un, et via le sismomètre SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) d’InSight pour l’autre.

Dans l’ombre de Phobos

Les enregistrements du magnétomètre n’ont pas été une surprise. Lors de l’éclipse, la luminosité baissant, les deux panneaux solaires d’InSight ont vu leur production électrique diminuer. Cette variation d’un courant électrique engendre un champ magnétique capté par le magnétomètre. En revanche, les enregistrements du sismomètre conçu par l’Institut de physique du globe de Paris ont, eux, suscité la perplexité. Pas de doute, l’instrument fonctionne à la perfection : il a déjà capté une quarantaine de tremblements de Mars (lire Ce que disent les séismes de Mars, Ciel & espace n°572).

Le sismomètre SEIS : de l'extérieur vers le centre, on distingue le bouclier thermique et éolien WTS, l'enveloppe de protection thermique RWEB, puis l'enceinte de confinement sphérique qui protège les pendules VBB. Le berceau de mise à niveau motorisé ainsi que les capteurs de courte période sont également visibles. © IPGP/David Ducros
Le sismomètre SEIS possède une double enveloppe pour le protéger des perturbations extérieures. L’instrument a été conçu par l’Institut de physique du globe de Paris. © IPGP/David Ducros
Simon Stähler, chercheur à l’École polytechnique fédérale de Zurich
Simon Stähler. DR

Mais alors, une éclipse de Soleil par Phobos peut-elle faire trembler Mars et le sismomètre SEIS ? Pas vraiment. En fait, ce qu’a enregistré l’instrument, c’est une minuscule inclinaison du sol. « Elle correspond en gros à celle d’une table si sous l’un des pieds, on mettait une cale de la taille de 200 atomes d’hydrogène », compare Philippe Lognonné, responsable scientifique de l’expérience SEIS. Lorsque le sismomètre s’incline, ses capteurs d’une incroyable sensibilité le décèlent en mesurant une accélération due à la gravité. « Ils sont capables de détecter des accélérations de l’ordre de 10-10 m/s2 ou encore l’inclinaison d’un gros atome sous les pieds d’une table », précise Philippe Lognonné. « De plus, nous avons été chanceux, car il n’y a eu aucune rafale de vent venant perturber les mesures », ajoute Simon Stähler.

Restait alors à expliquer pourquoi un sismomètre réagit à une éclipse ! On pense tout de suite à la gravité de Phobos, déformant le sol par effet de marée, un phénomène d’ailleurs observé avec la Lune sur Terre. Mais dans ce cas, le signal devrait se répéter à chaque passage de Phobos et pas seulement lorsqu’il éclipse le Soleil. La vérité est donc ailleurs ! « Le sol refroidit de 2°C dans l’ombre de Phobos, explique Simon Stähler. La baisse de température se propage alors dans le sol sur près de 1 mm pendant les 30 secondes de l’éclipse ce qui entraîne sa contraction d’un bon micromètre. L’un des pieds du sismomètre s’est alors enfoncé plus que l’autre, produisant son inclinaison. » Bon, c’est bien tout cela, mais en quoi est-ce utile quant à la détermination des propriétés de l’intérieur martien ?

Chaud et froid martien

L’inclinaison du sismomètre procure une information aux scientifiques : à quel moment exact ont lieu les éclipses de Soleil par Phobos. Or cette donnée est capitale pour mesurer le mouvement de Phobos autour de Mars. Lorsqu’un satellite tourne autour d’une planète, les deux astres se déforment sous l’effet des forces de marées. « Ils ne sont cependant pas parfaitement élastiques », fait remarquer Simon Stähler. Conséquence : le renflement d’une planète engendré par l’attraction d’un satellite ne pointe pas parfaitement vers ce dernier. « Phobos est ainsi toujours un peu en avance sur le renflement de Mars, ce qui le ralentit, continue le chercheur. Il devrait ainsi s’écraser sur Mars dans 30 à 50 millions d’années.

Le satellite Phobos, photographié par la sonde Mars Express. © G. Neukum (FU Berlin)/DLR/ESA
Le petit satellite martien Phobos, photographié par la sonde Mars Express. © G. Neukum (FU Berlin)/DLR/ESA

En mesurant quand se produit une éclipse à partir d’une position bien connue comme celle d’InSight sur Mars, on peut déterminer précisément cette décélération de Phobos et en déduire l’anélasticité de la planète, ce qui nous permet alors de contraindre sa température ». En effet, un matériau froid est toujours plus élastique qu’un matériau chaud. En détectant les instants précis des éclipses, les chercheurs devraient ainsi pouvoir calculer la température à l’intérieur de Mars.

À quand les premiers résultats ? « Nous les espérons pour bientôt », assure Simon Stähler. Ils permettront alors de préciser si, par exemple, Mars est faite ou pas des mêmes matériaux que la Terre, ce qui pourrait expliquer leurs différences en termes d’atmosphère et de tectonique et donc, éventuellement, la présence et l’absence de vie sur ces deux planètes.


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