Planeta Marte: os primeiros terremotos detectados

Se, depois da Terra, Marte é de longe o planeta mais estudado do sistema solar, apenas sua superfície começa a ser familiar para nós: não sabemos quase nada do que está abaixo. Como todos Planetas terrestres, o planeta vermelho possui uma estrutura interna composta por três camadas: crosta, manto e núcleo. Mas nosso conhecimento da espessura, estado (sólido ou líquido), densidade e composição desses envelopes é muito aproximado. No entanto, a estrutura interna é fundamental para entender a origem e a evolução geológica de um corpo planetário, assim como seu potencial para acomodar seres vivos.

Objectif Mars: o que procuramos? / Universidade de Paris.

La Missão InSight da NASA foi enviado a Marte para resolver o enigma de suas profundezas, com um trunfo principal, um sismômetro ultrassensível e ultrarresistente de origem francesa, SEIS. Depois de um pouso com alarido em 26 de novembro de 2018, em seguida, a remoção e instalação do sismômetro no nível do solo empoeirado da Planície de Elysium entre dezembro e fevereiro de 2019, o instrumento ouviu a atividade sísmica marciana. Um ano depois, os primeiros resultados, publicado em Natureza, são tão espetaculares quanto inesperados.

De Viking a InSight, quarenta anos de espera pelo primeiro sismômetro marciano

A primeira tentativa de desvendar os mistérios do interior do Planeta Vermelho por meio da sismologia ocorreu já em 1976, com as sondas Viking americanas, as primeiras a atingir a superfície de Marte intacta. Se esta missão foi um dos maiores sucessos da conquista do espaço, os sismólogos continuaram famintos: o sismômetro do módulo de pouso Viking 1 não pôde ser colocado em serviço e, entre 1976 e 1978, o do Viking 2 registrou apenas os solavancos causados ​​por os repetidos assaltos do vento na estrutura da sonda.

Quarenta anos depois, a primeira coisa que o sismômetro SEIS mediu em Marte, quando foi colocado em operação na ponte InSight, também foram ... os ventos. Com seus painéis solares, o módulo de pouso é duas vezes mais sensível a rajadas do que as sondas Viking. Mas desta vez, tínhamos tudo planejado. A construção desse instrumento, fruto de vinte anos de pesquisas, havia sido confiada a nós pela NASA porque, na época, éramos a única equipe no mundo com as competências necessárias.

Graças ao seu braço robótico, e ao contrário da Viking, a sonda InSight foi capaz de lançar seu sismômetro diretamente no solo e, em seguida, cobri-lo com um escudo térmico e de vento diabolicamente eficaz. Nesta configuração, o ruído provocado pelo vento consegue ser reduzido por um fator de até 1000. Os efeitos dessa operação de alto risco que durou dois meses foram impressionantes: quando o instrumento, os pés plantados na poeira ocre, foi reacendido sob seu sino, ele abriu para os planetologistas uma janela para um domínio de frequências e vibrações até então desconhecidas e inacessíveis.

O sismômetro SEIS, sob seu escudo térmico e contra o vento branco, fotografado na superfície de Marte pela câmera ICC da sonda InSight (NASA / JPL-Caltech).
NASA

Muito rapidamente, a análise dos primeiros dados mostrou que o período mais favorável para observações era à noite, algures entre o pôr-do-sol e a meia-noite (nas horas marcianas). Neste ponto, o ambiente marciano torna-se incrivelmente calmo, e o nível de ruído, que interfere nas medições, despenca. A planície de Elysium fica então tão quieta e pacífica que os sismólogos podem detectar tremores minúsculos da superfície, correspondentes a deslocamentos equivalentes ao diâmetro de um átomo, e explorar livremente as bandas de frequência que estão saturadas com sinais parasitas.

Na plenitude incomum e desconcertante da noite marciana, os primeiros terremotos começaram a aparecer nos espectrogramas. O primeiro terremoto já registrado no Planeta Vermelho ocorreu em 7 de abril de 2019 (no calendário da missão, era Sol 128; um dia marciano é chamado Sol, e o primeiro Sol, Sol 0, correspondendo ao pouso). E com ele uma nova disciplina nasceu: a sismologia marciana.

Entre as 17h00 e a meia-noite, o SEIS beneficia de condições excepcionais para ouvir a actividade sísmica de Marte (IPGP / Nicolas Sarter).
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Os primeiros terremotos

O terremoto de solo 128 foi, no entanto, muito tímido. Classificados como terremotos de alta frequência, a maior parte de sua energia vibracional estava localizada acima de 1 Hz (ou seja, uma vibração por segundo). Sua intensidade era tão baixa que seu epicentro não podia ser localizado no grande mapa-múndi de Marte. No entanto, provou que o planeta vermelho era de fato sismicamente ativo. Este terremoto também foi o primeiro de uma longa série. Entre os cerca de 300 eventos detectados até o momento, os de alta frequência são de fato os mais numerosos.

Os tremores de alta frequência também permanecem um mistério: seu número continua a aumentar ao longo dos meses, o que significa que podem estar ligados a um fenômeno cíclico, envolvendo aquecimento sazonal e distúrbios de superfície (deslizamentos de terra)., Quedas de rochas), ou o curso de Marte em sua órbita. Além disso, a maioria seria indetectável se não fosse intensificada por uma ressonância estranha localizada a 2,4 Hz. O sismômetro SEIS de fato captura continuamente um conjunto de vibrações, que são repetidas 2,4 vezes por segundo, e que ganham força quando uma alta frequência evento ocorre. De origem desconhecida, esse fenômeno atua como um amplificador sísmico natural, para deleite dos sismólogos.

Existem, no entanto, ainda mais interessantes do que os terremotos de alta frequência: são terremotos de baixa frequência (o conteúdo energético desta está localizado abaixo do valor limite de 1 Hz, ou seja, uma vibração por segundo). Muito mais raros, os últimos também são mais poderosos e viriam de áreas muito mais profundas. Se terremotos de alta frequência parecem confinados à crosta marciana, terremotos de baixa frequência podem se originar tanto na crosta quanto no manto.

Diagrama ilustrando as diferentes categorias de ondas sísmicas geradas por um terremoto (IPGP / David Ducros).
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Dos poucos terremotos de baixa frequência vistos até agora, o do solo 173 (23 de maio de 2019) certamente permanecerá nos livros de história da ciência. Com uma magnitude respeitável de 3,6, permitiu aos sismólogos, pela primeira vez, apontar precisamente a chegada da frente de onda P (ondas de expansão-compressão assim designadas porque chegam primeiro em estações sísmicas), depois que ondas S de cisalhamento (menos rápidas, elas geralmente vem em segundo lugar).

O apontamento das ondas P e S permitiu determinar a distância do terremoto: aproximadamente 1600 quilômetros da sonda InSight. O estudo da polarização dos trens de ondas possibilitou então realizar uma operação que costuma ser muito delicada quando há apenas um sismômetro em ação, e não um grande número: a estimativa do azimute, ou seja, a direção do epicentro do norte. Os cientistas descobriram então que o terremoto 173 se originou 1600 quilômetros a leste de InSight, em uma área da superfície marciana conhecida como Cerberus Fossae.

As falhas de Cerberus Fossae

Essa vasta região marcada por imensas falhas há muito havia sido localizada da órbita por sismólogos. De fato, muitas pistas sugeriam que o lugar havia sido muito recentemente - menos de 10 milhões de anos - a sede da atividade tectônica e vulcânica. A descoberta, em certas encostas íngremes, de vestígios muito recentes deixados pela queda de pedras pesadas, sugeria mesmo que aqui o solo nunca tinha realmente parado de tremer. Se as análises realizadas com os dados fornecidos pelo SEIS forem confirmadas, os sismólogos estão certos: Cerberus Fossae é nada menos do que a primeira zona sísmica ativa já descoberta no planeta vermelho.

Uma falha na área Cerberus Fossae, observada pela poderosa câmera da sonda americana Mars Reconnaissance Orbiter.
NASA / JPL / Universidade do Arizona

Como a felicidade nunca vem sozinha, durante o sol 235 (26 de julho de 2019), o SEIS detectou um segundo terremoto de baixa frequência cujo epicentro também estava localizado no setor Cerberus Fossae. Com magnitude equivalente à do solo 173, o terremoto 235 também permitiu aos cientistas observar pela primeira vez um abalo secundário: 35 minutos após o terremoto principal, o sismômetro registrou um novo evento, irmão gêmeo do primeiro.

O véu sobe na estrutura interna de Marte

Graças a dois terremotos significativos nos solos 173 e 235, os geofísicos foram capazes de começar a sondar o interior de Marte, e em particular a crosta superior. Ao analisar como certas ondas P se convertem em ondas S quando encontram descontinuidades, eles revelaram a presença de uma camada de cerca de 10 km de espessura, composta de material vulcânico desgastado e danificado. Abaixo destas estão as rochas mais sãs e compactas, até o manto.

Para sondar o porão de seu local de pouso, os sismólogos da missão InSight contam com três técnicas: ressonância do berço de suporte do sismômetro, ondas geradas pelo enterro do penetrador HP3 no solo e, finalmente, redemoinhos de poeira de passagem (IPGP / Nicolas Sarter).
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Mais perto da superfície, para caracterizar o local de pouso, os cientistas do InSight implementaram três técnicas inovadoras de sondagem. Ao estudar a ressonância dos três pés cônicos do sismômetro, eles foram capazes de determinar a elasticidade de uma camada endurecida de solo de alguns centímetros de espessura, chamada duricrust. Ao ouvir os milhares de solavancos causados ​​pelo penetrador HP3 em seu esforço para afundar abaixo da superfície, foi possível estimar a espessura e certas propriedades físicas do regolito localizado sob a armadura do duricrust. Finalmente, graças aos redemoinhos de poeira que cruzam em grande número as planícies do Elysium e que elevam imperceptivelmente o solo sugando-o ao longo de seu caminho, o SEIS pôde contemplar o que está sob seus pés, até aproximadamente 10 metros e estimar a espessura da parte muito fracamente consolidada que não parece exceder 3 metros.

Em direção à estrutura profunda de Marte

Se os resultados deste primeiro ano de estudo são decididamente muito encorajadores, os sismólogos marcianos não chegaram ao fim. Claro, não há mais dúvidas de que Marte é um planeta sismicamente ativo, mas dos cerca de 300 eventos identificados até agora, a maioria é de baixa intensidade e, portanto, insuficiente para atingir as camadas mais profundas do planeta. Até agora, os terremotos marcianos também não geraram ondas de superfície, incluindo aquelas capazes de fazer um passeio completo pelo planeta, e que deveriam ter permitido aos sismólogos medir a velocidade em uma distância muito boa .conhecida: a circunferência de Marte!

Estrutura geral do planeta Marte. Do centro para o exterior: núcleo metálico, manto, crosta e finalmente atmosfera (IPGP / David Ducros).
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Outro fenômeno, devido à imensa fratura da crosta, também atrapalha fortemente as medições. Sujeita ao martelar contínuo de asteróides caindo por longos períodos de tempo, a crosta marciana é de fato intensamente esmagada e rachada. Quando devem cruzá-lo, pouco antes de ingressar no SEIS, as ondas sísmicas reverberam em todas as direções. Forçados a percorrer distâncias adicionais, alguns trens de ondas ficam para trás e chegam à estação ao mesmo tempo que outros seguiram caminhos diferentes.

As consequências de tal fenômeno são formidáveis ​​para o SEIS: quando ocorre um terremoto, ao invés de ouvir muito claramente o breve estalo da ruptura de materiais rochosos (as ondas sísmicas se propagando no solo com leis próximas às do som), o instrumento detecta uma sucessão de ecos, que se estendem ao longo do tempo por várias dezenas de minutos. Em Marte, esse fenômeno parece ser intermediário entre o que se observa na Terra e na Lua, abrindo ambas as perspectivas de uma abordagem comparativa na sismologia planetária, mas também criando muitos desafios para os cientistas responsáveis ​​por melhor explicar esses novos dados.

Cerberus Fossae é a primeira zona sísmica ativa já descoberta em Marte. Localizada a aproximadamente 1 quilômetros a leste da sonda InSight, esta imensa e extensa estrutura tectônica foi o epicentro de dois grandes tremores durante os solos 600 (173 de maio de 23) e 2019 (235 de julho de 26) (Equipe IPGP / SEIS).
IPGP

Marte sempre foi um planeta difícil de se aproximar, o que requer perseverança e esforços incessantes de seus exploradores, antes de finalmente concordar em revelar seus segredos. No momento, apenas a crosta superior pode ser investigada, e no primeiro mapa da sismicidade marciana, apenas três terremotos estão marcados: os dos solos 173 e 235, bem como outro, detectado durante o solo 183 (3 de junho de 2019) e colocado por enquanto ao lado da enigmática estrutura de Orcus Patera (uma depressão elíptica que poderia ser uma cratera de impacto ou um vulcão). Com exceção deste tripleto, todos os outros estão dispostos em grandes círculos, localizados a distâncias variáveis ​​do trem de pouso InSight, sem que seja possível atribuir-lhes um azimute, ou seja, uma direção.

Incansavelmente, através SEIS, os sismólogos, portanto, continuam a ouvir a atividade sísmica marciana. Todos os dias, eles agora esperam ver nos espectrogramas os vestígios do primeiro grande terremoto marciano. Aquela que finalmente permitirá atravessar o Moho, essa descontinuidade que separa a crosta do manto. Aquele que finalmente alcançará, milhares de quilômetros abaixo da superfície, o núcleo metálico, o coração do planeta vermelho.A Conversação

SEIS, uma aventura espacial. Nesta web-série de cinco episódios produzida pela Universidade de Paris, descubra o trabalho de engenheiros e pesquisadores do IPGP no sismômetro SEIS da missão NASA / InSight.

Philippe Labrot, Gerente de comunicação SEIS / InSight, Instituto de Física Globo de Paris (IPGP); Charles Yana, Gerente de Projeto de Operações SEIS para a missão InSight, Centro Nacional de Estudos Espaciais (CNES) et Philippe Lognonne, Professor de Geofísica e Planetologia, Instituto de Física Globo de Paris (IPGP)

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob licença Creative Commons. Leia oartigo original.

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