Écouter battre le cœur de Mars pour comprendre sa formation et sa structure

La mission martienne InSight s’est posée sur Mars le 26 Novembre 2018, amenant à son bord des instruments développés pour dévoiler l’intérieur de la planète rouge. Entre priorités scientifiques, contraintes technologiques et coopération internationale, le contrôle depuis la Terre des instruments d’une grande mission spatiale relève du ballet de haute précision.

L’objectif d’InSight, l’atterrisseur martien développé par la NASA, est d’explorer le cœur de la planète en étudiant les ondes sismiques se propageant à l’intérieur et à la surface suite à un séisme. En analysant la composition du noyau et du manteau ainsi que leurs tailles relatives, nous espérons mieux comprendre la formation de la planète rouge, son évolution, sa taille relativement petite par rapport à la Terre ou Vénus. En comparant avec ce que l’on sait de la Terre, l’idée est de mieux appréhender les mécanismes qui ont amené à la formation de notre planète et des planètes telluriques en général.

Pour répondre à ces questions, le Centre national d’études spatiales (le CNES, l’Agence spatiale française) a développé le sismomètre SEIS, et en assure le pilotage technique tandis que la responsabilité scientifique est assurée par l’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP). Le sismomètre est équipé de deux types de capteurs sismiques, français et anglais, dont le contrôle électronique est assuré par un système suisse et la stabilité mécanique par un système allemand.

L’envie des scientifiques est grande, car les résultats obtenus par les instruments d’InSight sont spectaculaires ! InSight a ainsi pu enregistrer pour la toute première fois le son du vent martien. Après un an passé sur Mars, le sismomètre SEIS a déjà détecté plus d’une centaine d’événements sismiques, dont quatre majeurs qui permettent d’ores et déjà de mieux comprendre la structure interne de la Planète rouge, créant ainsi une nouvelle discipline scientifique : la sismologie martienne.

[InSight] Le sismomètre français SEIS/CNES.

Symphonie pour sol martien

Les missions martiennes Viking dans les années 70 ont montré malgré elles que pour fonctionner, un sismomètre devait être installé à même la surface de Mars, sous peine de n’enregistrer que les bruits générés par l’atterrisseur, par exemple des vibrations des panneaux solaires dues au vent ou des craquements mécaniques de la structure dus aux importants gradients de température sur Mars.

La première phase de la mission a donc consisté à déployer l’instrument SEIS sur le sol martien grâce à un bras robotisé et à le couvrir d’un bouclier qui le protège du froid, du vent et de la poussière. Cette phase de déploiement et la qualification technique de l’instrument qui a suivi ont duré presque quatre mois.

SEIS et son bouclier sont accompagnés d’une station météorologique qui comprend des capteurs de vent et de température espagnols, ainsi que d’un magnétomètre (instrument de mesure de l’intensité d’un champ magnétique) et d’un capteur de pression américains, dont les informations sont indispensables pour l’analyse des données sismiques.

Les instruments sont reliés par des câbles à l’atterrisseur, qui assure la suite du transit des informations vers la Terre. Pour communiquer avec l’atterrisseur InSight, la NASA utilise des orbiteurs comme relais – des satellites orbitant autour de Mars chargés entre autres tâches de transmettre vers la Terre les données des robots à la surface de Mars.

Un ballet orchestré sur Terre

Les équipes opérationnelles envoient ainsi de nouvelles commandes et reçoivent les signaux sismiques de SEIS, les données météorologiques et les photos capturées par les deux caméras de la mission sur le bras robotisé et sous l’atterrisseur. Au total près de 300 ingénieurs et scientifiques sont impliqués dans les opérations d’InSight.

SEIS à la surface de Mars, recouvert par son bouclier thermique.

En semaine, les instruments sont surveillés finement, tandis que le week-end, un système d’alerte automatique prévient les opérateurs du CNES en cas de signal anormal des instruments. Éventuellement, des outils permettent de recréer sur Terre une panne afin de mieux la comprendre, la résoudre, et éviter qu’elle ne se reproduise : un modèle de qualification de SEIS, un simulateur de l’atterrisseur InSight fourni par la NASA et le frère jumeau de SEIS, modèle de rechange qui pourrait, dès demain, être envoyé à son tour sur Mars.

L’activité dans les centres de mission terrestres est rythmée par la programmation hebdomadaire des instruments. Le plan d’activité est préparé par les équipes opérationnelles à partir des demandes des équipes scientifiques françaises, américaines, anglaises et allemandes, qui se réunissent par téléconférence en fin de journée en Europe et tôt le matin en Californie : les équipes scientifiques peuvent par exemple demander une configuration particulière pour un capteur sismique, ou encore une prise d’image du ciel martien pour les météorologues.

L’instrument SEIS dans une salle blanche d’un laboratoire du CNES.
CNES, CC BY

Il y a souvent plus de demandes que de souhaits exaucés, car les contraintes opérationnelles sont nombreuses : en premier lieu l’énergie à bord est limitée, car InSight est alimenté par des panneaux solaires, qui sont progressivement recouverts de poussière. InSight a commencé par battre le record d’énergie produite par une mission martienne, mais l’énergie moyenne produite est désormais divisée par deux.

Une connexion limitée

L’autre contrainte très importante est la bande passante limitée, c’est-à-dire la quantité de données qui pourra être rapatriée vers la Terre. SEIS est allumé en permanence mais ne peut transmettre vers la Terre que 20 à 30 % de ses données sismiques. Dans un premier temps, seul un échantillonnage de basse résolution est transmis vers la Terre, et les données haute résolution sont sauvegardées à bord d’InSight pendant 5 à 6 semaines. Si les équipes terriennes détectent un potentiel évènement sismique ou météorologique, comme une tempête de poussière sur Mars, elles peuvent demander les données haute résolution sur la durée suspectée du séismes.

Les scientifiques doivent demander les données haute résolution aux ingénieurs sans tarder, sous peine de les voir effacées par les nouvelles données mesurées à bord d’InSight et alors définitivement perdues. Ce mécanisme est au cœur des opérations et en constitue au quotidien la principale difficulté. Des arbitrages et des choix doivent être faits chaque semaine, et les équipes peuvent être amenées à demander des données d’intérêt scientifique moindre mais plus anciennes et donc plus à risque d’être effacées à bord, et de reporter la demande de données plus prioritaires scientifiquement à la semaine suivante. Des logiciels développés au CNES permettent la prise de décision et la transmission fiabilisée des requêtes de données haute résolution.

Marquer le tempo

Chaque week-end, la NASA envoie aux instruments leur plan d’activité et les commandes associées pour toute la semaine qui suit. le lundi est consacré au statut d’InSight et des différents instruments et sous-systèmes sur Mars, et à la validation du plan d’activité préparé le jeudi précédent. Il peut arriver que les données les plus récentes nécessitent un ajustement du plan d’activité en préparation, par exemple si l’énergie vient à manquer. Le mardi a lieu la réunion de sélection des événements sismiques ou météorologique haute résolution, en fonction de la bande disponible la semaine suivante. Dans la foulée, les ingénieurs du CNES préparent les séquences à destination des instruments et les transmettent à la NASA. Ces séquences sont validées le mercredi par l’ensemble des acteurs de la mission après la vérification du respect des contraintes, règles de vol et disponibilité des ressources à bord. Le jeudi, le plan d’activité de la semaine suivante est à nouveau préparé en fonction des demandes scientifiques et le cycle reprend.

Au CNES, deux opérateurs sont nécessaires chaque jour : un en charge de la surveillance des instruments et un autre en charge de leur programmation. Une équipe assure la distribution des données, la disponibilité des logiciels et la livraison des séquences de commandes à la NASA. En tout, une vingtaine de personnes est impliquée activement au CNES sur les opérations d’InSight tout au long de l’année. Les équipes scientifiques sont encore plus nombreuses, réparties à travers le monde. Par exemple, la mission bénéficie d’un centre de détection automatique des événements sismiques en Suisse, le Mars Quake Service. En France, l’IPGP coordonne l’analyse des signaux sismiques et le traitement des données dans les plus brefs délais. En effet, les données d’InSight sont rendues publiques au bout de trois mois, marquant ainsi la fin de l’exclusivité de l’accès aux données dont bénéficient les scientifiques de la mission.

Mais devant l’intérêt et la qualité des données sismiques produites par SEIS, les scientifiques de la mission ne tardent en général pas trop à les analyser.


Cet article a été co-écrit avec Philippe Labrot et Philippe Lognonné de l’IPGP, et Francis Rocard du CNES.The Conversation

Charles Yana, Chef de Projet Opérations SEIS pour la mission InSight, Centre national d’études spatiales (CNES)

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.

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