Au fil du temps, géophysiciens et plus généralement des spécialistes de la physique mathématique ont développé un arsenal conceptuel et technique pour résoudre ce que l'on appelle un problème inverse. Ce type de problème est bien connu en physique mathématique et la meilleure illustration que l'on peut en donner, c'est qu'il peut consister à retrouver la forme et la composition d'un instrument de musique en détail, en fonction de la musique que l'on joue avec lui.

Il s'agit donc de reconstituer les caractéristiques d'un objet - par exemple la structure et la composition chimique de l'intérieur de la Terre ou d'une planète rocheuse - à partir de son influence physique. Dans le cas de notre Planète miracle, ce sont les sismologues et les spécialistes du champ de gravité et du champ magnétique qui jouent à ce jeu.

Serina Diniega, chercheuse au JPL, explique certains des changements à la surface de Mars que les scientifiques peuvent observer grâce à des engins spatiaux tels que la sonde Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) de la Nasa. En orbite autour de la Planète rouge depuis 2006, la sonde MRO embarque une série d'instruments scientifiques qui collectent des données sur la surface et l'atmosphère de la planète. Parmi eux figure la caméra HiRISE (High Resolution Imaging Science Experiment), qui a capturé bon nombre des vues détaillées présentées ici. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa, JPL-Caltech ; image de la calotte polaire nord : Nasa, JPL-Caltech, MSSS ; images HiRISE : Nasa, JPL-Caltech, University of Arizona ; vue d'artiste des jets en éruption : ASU, Ron Miller

Des missions spatiales qui sondent le champ de gravité de Mars

Prenons le cas du champ de gravité de la Terre, il dépend de sa forme exacte et de son profil de densité interne. Des satellites vont alors se déplacer sur une sorte de surface bosselée dont la distance varie au centre de la Terre en réponse aux variations de son champ de gravité. On peut alors faire une sorte de tomographie de son intérieur et contraindre des modèles de sa structure interne, sa composition et sa température par exemple et pas seulement son profil de densité.

On peut jouer à ce même jeu avec Mars et c'est bien ce que les planétologues ont fait en enregistrant, pendant des décennies, les formes précises des orbites de plusieurs sondes autour de Mars qui n'avaient pas comme seul but de fournir d'extraordinaires images de la Planète rouge.

Un travail aujourd'hui publié dans le célèbre journal Nature est précisément le produit de l'étude des données gravimétriques fournies par les missions Mars Global Surveyor, Mars Odyssey et Mars Reconnaissance Orbiter.

Les recherches ont été dirigées par Alexander Berne, ancien étudiant de Caltech, aujourd'hui chercheur postdoctoral à l'Université de l'Arizona.

Musique pour la mission de la Nasa « 2001 Mars Odyssey ». Concert conçu et imaginé par Vangelis au temple de Zeus à Athènes, en Grèce. © 2001 Sony BMG Music Entertainment

Une anomalie thermique d'origine inconnue

Un communiqué du Caltech à ce sujet explique que les orbites des trois sondes étaient affectées par les modifications de la forme de Mars, en réponse aux variations des forces de marée produites par le Soleil. Ces variations résultent de l'orbite légèrement elliptique de la Mars et de l'inclinaison de son axe de rotation.

L'analyse des données concernant les modifications de Mars, qui ont été injectées dans un modèle de son intérieur, implique alors qu'il existe une asymétrie thermique profonde sous la surface de Mars, qui s'étend à l'ensemble de son hémisphère sud. Plus précisément, l'intérieur de l'hémisphère sud de Mars serait environ 200 à 400 °C plus chaud que celui de l'hémisphère nord et serait partiellement fondu.

Cela pourrait aider à résoudre une vieille énigme. Mars présente en effet une asymétrie géologique car son hémisphère sud comporte de hautes montagnes et de profonds cratères, tandis que l'hémisphère nord est constitué principalement de vastes plaines peu élevées, comme le rappelle le communiqué du Caltech. Ce dernier explique que la mission InSight de la Nasa avait précédemment montré que les ondes sismiques s'atténuent plus rapidement dans le sud de Mars, ce qui pourrait s'expliquer si cette région était plus chaude.

La présence de la dichotomie géologique nord-sud pourrait avoir impacté la formation de bassins susceptibles d'avoir autrefois abrité de l'eau liquide, avec des implications pour l'ancienne habitabilité de la planète.

Le communiqué du Caltech se conclut en expliquant que l'origine de l'anomalie thermique « reste toutefois inconnue. Plusieurs hypothèses sont envisagées : un impact géant ayant libéré de la chaleur dans le nord, une ancienne convection spontanée dans le manteau de l'hémisphère sud, ou encore d'épaisses structures géologiques empêchant l'évacuation de la chaleur interne ».