Quelles méthodes permettent de sonder les profondeurs des planètes et de récolter des échantillons sous-sols?

La méthode la plus précise pour sonder la structure interne d'une planète reste la propagation des ondes sismiques. Cette technique a inspiré de nombreux projets fructueux, comme le Deep Sea Drilling Project, et des missions récentes ont obtenu des succès remarquables. Par exemple, le navire de forage japonais Chikyū a foré à plus de 2000 mètres sous le fond océanique, ramenant les matériaux extraits sur Terre pour analyse. Dans le cadre de la mission VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover), qui devrait également forer à une profondeur d'1 mètre pour rechercher de l'eau ou de la glace, des projets ambitieux prévoient des forages à 100 mètres dans un avenir lointain (Sawaryn et al., 2018).

Une autre tentative notable fut la mission NASA InSight sur Mars, qui a tenté d'utiliser un dispositif d'enfouissement surnommé "le taupe" pour sonder le sol martien jusqu’à 5 mètres de profondeur. Après plusieurs tentatives infructueuses pour atteindre la profondeur cible, le dispositif n’a pu pénétrer que de quelques centimètres dans le sol (Spohn et al., 2022). Cette expérience souligne la complexité des efforts pour forer dans des matériaux dont les caractéristiques sont mal comprises.

Le forage profond reste donc un défi de taille, et les projets futurs, comme le forage sous la croûte glacée de la lune Europa de Jupiter, impliquent des efforts spectaculaires pour atteindre des profondeurs très superficielles. Pourtant, la nature elle-même nous fournit parfois des échantillons précieux de ce qui se trouve plus profondément sous la surface. Les impacts, la volcanisme, la tectonique et l'érosion sont des processus naturels qui font parfois remonter à la surface des matériaux du sous-sol qui nous seraient autrement inaccessibles.

Par exemple, la sonde Opportunity de la NASA, en 2006, a exploré un cratère d'impact de 700 mètres de diamètre sur la planète Mars appelé Victoria. Ce cratère a révélé des couches de roches sédimentaires, parfois d'une grande complexité, permettant aux scientifiques d’interpréter l’histoire géologique de la région. D’autres rovers, comme Perseverance, ont mis en évidence des caractéristiques similaires, permettant une analyse géochimique détaillée du régolithe martien. Ces observations sont précieuses, car elles permettent de reconstituer des archives stratigraphiques autrement impossibles à obtenir sans forer ou éroder la surface.

Certains des échantillons provenant du manteau inférieur terrestre sont extraits grâce à des diamants. Ces diamants se forment lorsqu’un matériau riche en carbone organique, transporté vers les profondeurs par la subduction, se déshydrate, se comprime et se recristallise sous forme de diamants. Ce processus peut en effet conserver des traces d'inclusions aqueuses, permettant ainsi d’obtenir des informations sur les conditions physiques et chimiques des profondeurs du manteau. Les diamants exhumés de ces régions profondes offrent un accès direct à des matériaux qui autrement seraient inaccessibles.

Une autre méthode indirecte consiste à mesurer la gravité, les champs magnétiques et l'état de rotation d'un corps céleste. Ces informations permettent de dresser une carte de la structure interne d’une planète. De plus, la sismologie est un outil précieux qui utilise l'énergie générée par des tremblements de terre ou des sources artificielles, comme les impacts, pour analyser la propagation des ondes élastiques à travers une planète. Ce genre de données est essentiel pour déduire la composition et la structure interne d'un corps céleste sans avoir besoin de pénétrer physiquement dans celui-ci.

Les techniques indirectes, telles que la sismologie, la gravité et l’imagerie radar, sont donc devenues des instruments essentiels dans la quête pour explorer les couches profondes des planètes et des lunes. Elles nous offrent des informations qui, bien que moins directes, peuvent être tout aussi révélatrices et cruciales pour la compréhension des processus géologiques internes.

Il est également primordial de comprendre que les technologies actuelles restent limitées en ce qui concerne l'accès à des profondeurs plus grandes sur d'autres corps célestes. L'une des raisons majeures est l'absence d'infrastructure de forage et d'analyse sur ces planètes ou lunes. De plus, la diversité géologique et la variabilité des matériaux rencontrés rendent chaque mission d'exploration unique en son genre, et les défis restent nombreux, notamment dans le contexte de l’exploration de mondes glacés comme Europa, où les conditions extrêmes rendent toute tentative de forage particulièrement complexe.

Comment l'étude des anomalies gravitationnelles révèle les structures internes des corps célestes

Les données sur le champ gravitationnel des planètes ont progressé de manière significative ces dernières années grâce aux missions spatiales comme celles de Cassini autour de Saturne, de Juno autour de Jupiter, et de BepiColombo en direction de Mercure. Ces missions ont permis de cartographier avec une grande précision la distribution de la masse dans les différentes couches internes des planètes et de leurs satellites. Par exemple, la mission Cassini a permis de déterminer que Titan, l'une des lunes de Saturne, doit posséder une couche liquide dans son manteau, probablement un océan global d’eau liquide, à partir des variations observées dans le moment gravitationnel J2.

Une partie essentielle de l’interprétation des anomalies gravitationnelles réside dans l’application de corrections permettant de soustraire les effets globaux, comme la forme du corps céleste, les effets des marées et de la topographie. L’une des corrections les plus courantes est la correction de l’air libre, qui permet de supprimer les effets de la topographie globale et de calculer la gravité d’un modèle idéalisé, souvent une sphère de référence sans caractéristiques topographiques. Une autre correction importante est la correction de Bouguer, qui permet de retirer l’attraction gravitationnelle des montagnes et autres caractéristiques locales, en supposant un modèle de densité uniforme du manteau.

L'étude de ces anomalies ne se limite pas à une simple cartographie de la masse et de la densité. Elle nous donne également des indices sur l’histoire géologique et les processus qui façonnent ces corps. Les missions récentes, comme GRAIL autour de la Lune, ont permis de recueillir des données de haute précision qui ont considérablement enrichi notre compréhension des phénomènes gravitationnels.

Cependant, ces missions révèlent également les défis de l'interprétation des données. Par exemple, sur la Lune, l'influence des mascons sur les orbites des satellites a dû être prise en compte pour éviter des trajectoires instables. Cela a conduit à l'identification de quelques orbites inclinées qui peuvent contourner ces anomalies gravitationnelles et réduire l’utilisation de carburant pour maintenir la stabilité de l’orbite. Ces découvertes illustrent la complexité des environnements gravitationnels et l’importance de leur étude pour la navigation spatiale et la compréhension de la structure des corps célestes.

À travers l'analyse des anomalies gravitationnelles, il devient évident que chaque corps céleste possède une histoire géologique unique, façonnée par des forces internes complexes. Ces variations locales dans la gravité peuvent fournir des indices sur la composition, la dynamique interne, et les processus géologiques en cours. Les découvertes actuelles suggèrent que la cartographie gravitationnelle pourrait un jour permettre de prédire avec plus de précision les propriétés internes des planètes et de leurs lunes, contribuant ainsi à l’exploration spatiale et à la compréhension de la formation des corps célestes.

Quelle est l'origine des planètes et leur formation ?

Le modèle nébulaire a cependant été largement confirmé avec la découverte de disques protoplanétaires autour de jeunes étoiles, observées notamment dans la nébuleuse d’Orion par le télescope Hubble. Ces observations ont révélé des structures complexes de disques autour des étoiles jeunes, lesquelles subissent des processus d'accrétion et d'érosion gravitationnelle. Les étoiles en phase T-Tauri, par exemple, montrent des disques de matière bien définis dans lesquels des planètes naissantes peuvent être observées. La lumière polarisée émise par ces disques et les observations spectroscopiques ont permis de distinguer les populations de comètes et d’identifier les types de poussières présentes, suggérant une évolution similaire à celle observée dans notre propre système solaire.

Les observations de systèmes exoplanétaires autour d’étoiles jeunes, telles que β-Pictoris, ont aussi permis de mieux comprendre les processus de perte de moment angulaire du Soleil. Le modèle nébulaire classique a donc évolué grâce aux nouvelles données et aux avancées technologiques, mais il demeure central dans l’explication de l’origine des systèmes planétaires. Les observations montrent que les disques protoplanétaires sont très courants parmi les étoiles jeunes, et environ 80 % des étoiles de moins de deux millions d'années possèdent de tels disques. Cependant, ce phénomène devient moins fréquent à mesure que les étoiles vieillissent, ce qui permet de poser des limites sur la durée de la formation planétaire dans l'univers.

L’étude des exoplanètes, telles que celles découvertes par les missions Kepler et TESS, a également permis de découvrir des mondes potentiellement semblables à la Terre, qui présentent des caractéristiques similaires en termes de taille, d'orbite et de conditions climatiques. Ces planètes, comme Teegarden’s b et Kepler-1649c, soulignent l'importance de la recherche de mondes habitables au-delà de notre système solaire, augmentant ainsi l'intérêt pour la compréhension de la formation planétaire et de ses implications pour la vie.

Ainsi, la formation des planètes reste un processus fascinant et complexe, qui ne peut être totalement compris qu'à travers une combinaison d'observations astronomiques de plus en plus précises et de modèles théoriques enrichis par ces observations. La recherche continue dans ce domaine pourrait un jour dévoiler les mystères des origines planétaires et fournir des indices sur la possibilité de vie ailleurs dans l’univers.

Les glaces polaires et leur impact sur le climat terrestre et martien : Comprendre les dynamiques des calottes glaciaires

La fonte des glaces terrestres contribue de manière significative à l'élévation du niveau de la mer, phénomène qui a été particulièrement marqué à la fin de la dernière glaciation, lorsque le niveau de la mer a augmenté de près de 120 mètres, noyant des zones considérables des marges continentales. Cependant, la fonte actuelle des glaces se manifeste par des changements plus subtils, bien suivis par des mesures de précision des altimètres embarqués à bord de satellites en orbite. Depuis 1993, la hausse du niveau de la mer est estimée à environ 3,4 mm par an, dont environ un tiers est dû à l'expansion thermique des océans en raison du réchauffement, tandis que les deux tiers restants résultent de l'ajout de l'eau de fonte des calottes glaciaires du Groenland et de l'Antarctique. Cette élévation n'est pas uniforme dans le monde, certains endroits ayant même enregistré une légère baisse du niveau de la mer.

L'évolution des calottes glaciaires n'est pas un phénomène isolé de la Terre. Sur Mars, les calottes glaciaires polaires jouent un rôle tout aussi fascinant. Bien que les températures martiennes soient bien plus basses et l'atmosphère beaucoup plus mince, les calottes glaciaires de la planète rouge présentent des caractéristiques intéressantes. La calotte glaciaire du nord est composée principalement de glace d'eau et s'étend sur environ 1 100 km de diamètre, tandis que la calotte sud est plus petite et présente des couches importantes de dioxyde de carbone solide (glace sèche). Ces calottes glaciaires sont en constante évolution, influencées par des facteurs astronomiques tels que l'inclinaison axiale de Mars, qui modifie l'exposition de la surface aux rayons du soleil, provoquant des cycles climatiques.

La recherche sur les calottes glaciaires de Mars et de la Terre montre que ces phénomènes peuvent offrir des clés pour comprendre le climat passé et futur de nos propres planètes. Si les calottes terrestres continuent de fondre à un rythme accéléré, cela pourrait non seulement entraîner une élévation significative du niveau de la mer, mais aussi perturber les systèmes climatiques et les sociétés humaines qui en dépendent. La compréhension des mécanismes de la glace et de l'eau, tant sur Terre que sur Mars, est essentielle pour anticiper les défis climatiques à venir.