Des chercheurs ont reproduit en laboratoire les conditions du manteau de Mars. Leur étude suggère que le magma riche en fer né vers 1 550 km de profondeur pourrait former la couche détectée par la mission InSight au-dessus du noyau.
Mars cache-t-elle une couche de magma au-dessus de son noyau ? Dans une étude publiée le 18 septembre, des chercheurs du CNRS, du Muséum national d'Histoire naturelle et de Sorbonne Université apportent un nouvel élément au dossier. En recréant en laboratoire les conditions du fond du manteau martien, ils montrent que la roche y commence à fondre, vers 1 550 kilomètres de profondeur, à une température inférieure d'environ 100 °C aux estimations précédentes. Le liquide obtenu, gorgé de fer, est au moins aussi dense que la roche solide voisine : il tend à descendre plutôt qu'à monter, comme un volcan à l'envers. De quoi éclairer l'anomalie sismique repérée par la mission InSight à la frontière du noyau ? Les auteurs parlent d'une piste plausible, pas encore d'un verdict.
Pour comprendre le magma martien, ils ont recréé le manteau de Mars en laboratoire
Lancée en 2018 par la NASA, avec le CNES pour partenaire, la mission InSight avait pour but d'ausculter l'intérieur de Mars, une sorte d'échographie, on schématise, de la Planète rouge. Posé sur le sol martien, son sismomètre enregistrait les ondes sismiques, ces vibrations nées des secousses de la planète, qui filent dans une roche dure et se traînent dans un milieu plus mou. Or, jusqu'en 2022, les enregistrements ont révélé une anomalie à la frontière entre le manteau, l'épaisse couche de roche, et le noyau métallique : les ondes y ralentissent, signe d'une matière moins rigide que la roche solide, peut-être en partie fondue.
L'explication la plus directe, c'est une couche de roche fondue, ou en partie fondue, épaisse d'environ 150 kilomètres, posée sur le noyau comme un matelas de magma. Si elle existe, elle jouerait un rôle majeur dans la façon dont Mars a perdu sa chaleur au fil du temps, dans le refroidissement de son noyau et dans la conservation de poches de matière datant de la naissance de la planète. Mais deux questions restaient sans réponse : à quelles pression et température le manteau martien, cette épaisse enveloppe de roche autour du noyau, commence-t-il à fondre ? Et le liquide obtenu est-il assez dense pour rester coincé en bas, au lieu de remonter ?
Pour y voir plus clair, l'équipe, dont Rémy Pierru, premier auteur de l'étude, et Daniele Antonangeli, chercheur au CNRS, a fabriqué en laboratoire une roche qui imite le manteau martien, riche en oxyde de fer. Cette pastille, épaisse d'environ un millimètre, a été comprimée entre des enclumes en carbure de tungstène jusqu'à 18-19 gigapascals (GPa), soit quelque 180 000 fois la pression atmosphérique, celle qui règne vers 1 550 kilomètres sous la surface de Mars, puis chauffée. Au synchrotron japonais SPring-8, un accélérateur qui produit des rayons X très puissants, les rayons X révèlent la structure de la roche, et des ultrasons, qui la traversent comme un sonar, changent dès qu'un liquide apparaît. Ils surprennent alors, en direct, les premières gouttes de liquide !
Un magma martien qui descend à contre-courant des volcans
Une fois l'échantillon soumis à ces conditions extrêmes, arrive le premier constat. La roche commence à fondre plus tôt que prévu. Sous la pression du fond du manteau martien, le seuil de fusion se situe autour de 2 200 kelvins (environ 1 930 °C), soit environ 100 °C de moins que ne l'indiquaient les estimations précédentes. Le kelvin est l'unité de température des physiciens : elle est graduée comme le degré Celsius, mais avec un zéro décalé de 273 degrés. Selon l'étude, parue le 18 septembre dans Nature Geoscience, cet écart tient à la méthode. Jusqu'ici, on chauffait un échantillon, on le refroidissait brutalement, puis on cherchait au microscope des traces de liquide figé, et les toutes premières gouttes, minuscules, passaient inaperçues. Ici, l'équipe observe la roche en direct pendant qu'elle chauffe, et repère ces gouttes dès leur apparition.
Sur ce premier liquide, près de 40 % de sa masse est de l'oxyde de fer (du fer combiné à de l'oxygène), contre environ 18 % dans la roche de départ. Or, le fer est un métal lourd, et cette surcharge se voit dans les calculs des chercheurs, la densité du liquide avoisine 4,1 g/cm³, soit plus de quatre fois celle de l'eau, autant ou plus que la roche solide qui l'entoure. D'ordinaire, un magma est plus léger que la roche voisine et remonte vers la surface, comme dans un volcan. Celui-ci, non, au contraire, il tend plutôt à s'enfoncer. Cette valeur cadre avec l'un des deux modèles tirés des données d'InSight (4,0 à 4,1 g/cm³), mais pas avec l'autre (près de 4,8 g/cm³), qui supposerait un liquide encore plus chargé en fer.
Encore faut-il que ce liquide puisse circuler dans une roche solide. Mais une roche n'est pas un bloc lisse, c'est un assemblage de minuscules grains serrés les uns contre les autres. Même quand 5 % environ de son volume est fondu, le liquide ne reste pas en gouttelettes isolées : il s'étire en films minces entre les grains et se glisse là où plusieurs d'entre eux se touchent. Tout tient à l'angle de mouillage, celui que forme le liquide au contact des grains. Ici, il avoisine 20°, et plus il est faible, plus le liquide s'étale au lieu de former des perles, comme l'eau sur une vitre propre plutôt que sur une nappe cirée. Ces films se rejoignent en un réseau continu, qui lui permettrait de migrer vers le bas, entre 1 550 et 1 750 kilomètres de profondeur, précise le CNRS.
Une couche de magma sur Mars : c'est plausible, mais pas encore prouvée
Une fois au pied du manteau, ce liquide pourrait s'accumuler en une couche riche en liquide, voire entièrement fondue par endroits. Jusqu'à maintenant, les modèles classiques y voyaient plutôt un héritage de la jeunesse de Mars, quand la planète était en grande partie fondue. En refroidissant, elle aurait formé un réservoir extrêmement riche en fer, si lourd qu'il aurait basculé vers le fond. Mais l'étude suggère qu'un tel scénario n'est pas indispensable, en expliquant qu'un manteau à teneur en fer modérée peut suffire. Il faudrait que la base du manteau soit assez chaude. Les modèles la situent entre 1 900 et 2 200 kelvins (environ 1 630 à 1 930 °C). Avec un seuil de fusion abaissé d'environ 100 °C, la marche à franchir est moins haute, mais pour les modèles les plus froids, un peu de chaleur supplémentaire resterait nécessaire.
Il y a trois bémols pour tempérer ce scénario. D'abord, le volume : une couche de 150 à 180 kilomètres d'épaisseur exigerait une quantité de liquide égale à environ un vingtième du manteau martien. Une fusion locale et modérée n'en fournit sans doute pas autant, sauf si la convection, ce lent brassage interne de la roche, a rassemblé du liquide venu de vastes régions. Ensuite, le dosage : parmi les liquides testés, seul celui issu d'environ 5 % de roche fondue est au moins aussi lourd que le manteau qui l'entoure. Plus la fusion avance, plus le fer se dilue dans le liquide, qui s'allège. Et enfin, la composition : avec 15 % d'oxyde de fer dans le manteau au lieu de 18 %, le liquide serait moins riche en fer, donc moins dense, et la couche aurait moins de chances de se stabiliser.
Les auteurs de l'étude restent prudents. Selon eux, leurs expériences fournissent « un cadre de physique minérale plausible » à cette couche (c'est en tout cas notre traduction), c'est-à-dire une explication cohérente avec le comportement des minéraux sous très forte pression, mais pas une preuve. Les données d'InSight, elles, se prêtent à d'autres lectures. Le ralentissement des ondes pourrait aussi venir d'irrégularités du manteau qui les dispersent. Autre limite : les ralentissements mesurés en laboratoire, avec des ultrasons qui ne se comparent pas directement aux ondes sismiques, sont trop faibles pour expliquer l'anomalie, ce qui évoque plutôt de vastes zones riches en liquide. Pour le CNRS, c'est pourtant la première fois depuis la fin d'InSight qu'on parvient à « lever une partie du mystère ». Selon l'étude, de telles couches de magma riches en fer pourraient être courantes et durables sur les corps rocheux dits « différenciés », dont la matière s'est séparée en un noyau, un manteau et une croûte, avec des conséquences de premier ordre sur leur évolution thermique, chimique et sur les mouvements de leur intérieur.
Au fond de Mars, de la roche fondue et lourde de fer pourrait donc glisser vers le noyau et s'y accumuler, mais seules de nouvelles mesures diront si c'est bien ce qui s'y passe.
