La sonde InSight de la NASA révèle une surprise au cœur de Mars.

Les scientifiques qui scrutent au plus profond de la planète Mars viennent de mettre au jour une architecture interne pour le moins surprenante.

Au tout centre, les données sismiques d’InSight indiquent une masse solide d’environ 600 kilomètres de diamètre (≈ 373 mi). Cette observation tranche avec l’idée, avancée jusque-là, d’un noyau intégralement « mou » : elle ne cadre pas non plus avec ce que l’on pensait savoir de la composition du noyau martien.

"Having a solid inner core for Mars was something unusual," a déclaré à ScienceAlert une équipe dirigée par le sismologue Huixing Bi, de l’Université des sciences et technologies de Chine.

"Early studies suggested that the Martian core contains a significant amount of light elements, which lowers the solidus temperature and makes it unlikely for the core to crystallize given its relatively high temperature."

Une « radiographie » acoustique de Mars grâce à InSight

Ce n’est que depuis quelques années que l’intérieur de la planète rouge peut être cartographié avec précision. La raison : l’atterrisseur InSight de la NASA embarquait un sismomètre capable d’enregistrer les ondes générées par les séismes et les impacts de météorites, puis d’observer la façon dont elles se propagent et se transforment en fonction des densités de matière traversées.

Le résultat ressemble à une sorte de « radiographie » planétaire - mais réalisée avec des ondes acoustiques.

Entre 2018 et 2022, InSight a passé quatre ans à surveiller les frémissements du sous-sol martien, en accumulant des mesures sur des centaines d’événements. Ces enregistrements ont livré la première carte interne détaillée de Mars, dévoilant une organisation comparable à celle de la Terre : une croûte rigide, un manteau en fusion, et un noyau dense au centre.

Noyau interne solide de Mars : un enjeu lié au champ magnétique global

Malgré ces ressemblances, des différences importantes entre la Terre et Mars concernent précisément leur intérieur. C’est dans ce contexte que Bi et ses collègues ont cherché à préciser la nature d’un noyau martien supposé très « tendre » et malléable.

"Unlike Earth, Mars doesn't have a global magnetic field today," ont rappelé les chercheurs.

"Instead, parts of its crust are strongly magnetized, which tells us that Mars once had a magnetic field in the distant past. A planet's global magnetic field is powered by a 'dynamo' in its core, which depends on a combination of thermal and compositional convection in the liquid outer core.

"In Earth, light elements preferentially remain in the liquid during core crystallization, leading to residual buoyant liquid at the inner core boundary. This mechanism is believed to play an important role in sustaining the Earth's magnetic field today. In contrast, for Mars, things seem to work differently."

Pourquoi des impacts ont remplacé un réseau de stations sismiques

Pour étudier les couches terrestres, les géophysiciens s’appuient sur des données de séismes recueillies par de nombreuses stations. Sur Mars, InSight n’a, lui, enregistré qu’à un seul endroit. Pour contourner cette contrainte, l’équipe s’est tournée vers des événements d’impact : de gros blocs heurtant la surface martienne, capables d’envoyer des ondes acoustiques à travers la planète.

Les chercheurs ont retenu 23 impacts présentant un rapport signal/bruit élevé, puis ont appliqué des techniques d’analyse en réseau sismique - des méthodes généralement réservées, sur Terre, aux ensembles de stations.

"Cette approche nous a permis d’isoler des phases sismiques spécifiques en fonction de leur arrivée à la station, de leurs angles d’incidence et de leurs temps d’arrivée", expliquent-ils. "De cette manière, nous avons pu détecter des ondes traversant le centre même du noyau de Mars ainsi que des réflexions sur la limite du noyau interne, des observations déterminantes en faveur d’un noyau interne solide."

De quoi est fait le noyau martien, et pourquoi cela posait problème

Tout indique que la composition du noyau de Mars diffère quelque peu de celle de la Terre. Comme le noyau terrestre, il serait majoritairement constitué de fer, mais avec des proportions plus élevées de soufre, d’oxygène et de carbone - des éléments légers qui, en théorie, abaissent la température à laquelle le mélange se solidifie. Cette limite est définie par une température dite de solidus.

Or, puisque le noyau martien serait nettement plus chaud que cette température, la communauté scientifique estimait que le noyau devait rester mou de part en part.

Ondes sismiques, ondes P, K, I… et signatures du noyau interne

Les ondes sismiques sont classées selon leur mode de propagation dans l’intérieur d’une planète. Les ondes P sont les plus rapides et traversent la croûte et le manteau. Les ondes K correspondent à des ondes ayant parcouru le noyau externe. Les ondes I sont celles qui ont traversé le noyau interne, tandis qu’un i minuscule désigne une onde réfléchie sur la frontière externe du noyau interne.

On peut combiner ces lettres pour décrire un trajet ; par exemple, les ondes PKiKP traversent le manteau, entrent dans le noyau externe, rebondissent sur le noyau interne, ressortent par le noyau externe, puis retraversent le manteau.

Dans leurs mesures, les chercheurs ont repéré non pas une seule, mais plusieurs signatures d’ondes distinctes pointant indépendamment vers l’existence d’un noyau interne solide sur Mars.

"Detecting the PKiKP wave is strong evidence on its own, but we also see PKKP arriving earlier than expected, which provides further confirmation. Beyond that, our model predicts – and our data confirm – other inner-core-related phases, including PKiKP at greater distances, PKIIKP, and even a new branch of PKPPKP that travels through the inner core," ont-ils détaillé.

"These multiple phases are crucial because they cross-validate one another and all consistently point to the same conclusion: Mars really does have a solid inner core."

Ce qu’il reste à comprendre : conditions et modélisations

La façon dont un tel noyau interne solide peut exister demeure, pour l’instant, difficile à expliquer. Des travaux de modélisation seront nécessaires pour explorer les conditions de température, de pression et de composition en jeu, ainsi que la manière dont les éléments lourds et légers se répartissent, afin de reproduire ce que révèlent les résultats de l’équipe.

Ces observations n’en sont pas moins prometteuses : poursuivre l’exploration pourrait aider à comprendre plus finement comment Mars a perdu sa dynamo et son champ magnétique global. Cela pourrait aussi éclairer l’évolution des planètes rocheuses - celles que les scientifiques jugent les plus susceptibles d’abriter la vie telle que nous la connaissons.

"The size and properties of Mars's inner core serve as a crucial reference for understanding the planet's thermal and chemical evolution," ont souligné les chercheurs.

"Gaining a clearer picture of the inner core's formation – and its implications for the history of Mars's magnetic field – will require more detailed modeling, ideally within a comparative planetology framework."

L’étude a été publiée dans Nature.