Pianeta Marte: i primi terremoti mai rilevati

Se, dopo la Terra, Marte è di gran lunga il pianeta più studiato del sistema solare, solo la sua superficie comincia a esserci familiare: non sappiamo quasi nulla di quello che c'è sotto. Come tutti pianeti terrestri, il pianeta rosso ha una struttura interna composta da tre strati: crosta, mantello e nucleo. Ma la nostra conoscenza dello spessore, dello stato (solido o liquido), della densità e della composizione di questi involucri è molto approssimativa. Tuttavia, la struttura interna è fondamentale per comprendere l'origine e l'evoluzione geologica di un corpo planetario, così come il suo potenziale per ospitare gli esseri viventi.

Objectif Mars: cosa cerchiamo? / Università di Parigi.

La Missione InSight dalla NASA è stato inviato su Marte per risolvere l'enigma delle sue profondità, con una risorsa principale, un sismometro ultrasensibile e ultraresistente di origine francese, SEIS. Dopo un atterraggio con fanfara il 26 novembre 2018, quindi la rimozione e installazione del sismometro al livello del suolo polveroso della Piana di Elysium tra dicembre e febbraio 2019, lo strumento ha ascoltato l'attività sismica marziana. Un anno dopo, i primi risultati, pubblicato in Natura, sono tanto spettacolari quanto inaspettati.

Da Viking a InSight, quarant'anni di attesa per il primo sismometro marziano

Il primo tentativo di svelare i misteri dell'interno del Pianeta Rosso attraverso la sismologia avvenne già nel 1976, con i lander americani Viking, i primi a raggiungere intatta la superficie di Marte. Se questa missione era stata uno dei maggiori successi della conquista spaziale, i sismologi erano rimasti affamati: il sismometro del lander Viking 1 non poteva essere messo in servizio, e tra il 1976 e il 1978, quello del Viking 2 registrò solo i sobbalzi causati da i ripetuti assalti del vento sulla struttura della sonda.

Quarant'anni dopo, la prima cosa che il sismometro SEIS ha misurato su Marte, quando è stato messo in funzione sul ponte InSight, sono stati anche... i venti. Con i suoi pannelli solari, il lander è anche due volte più sensibile alle raffiche delle sonde Viking. Ma questa volta avevamo pianificato tutto. La costruzione di questo strumento, frutto di vent'anni di ricerca, ci era stata affidata dalla NASA perché, all'epoca, eravamo l'unica squadra al mondo con le competenze necessarie.

Grazie al suo braccio robotico, ea differenza di Viking, la sonda InSight è stata in grado di far cadere il suo sismometro direttamente sul terreno, quindi coprirlo con uno scudo termico e antivento diabolicamente efficace. In questa configurazione il rumore provocato dal vento riesce ad essere ridotto di un fattore fino a 1000. Gli effetti di questa operazione ad alto rischio che durò due mesi furono sbalorditivi: quando lo strumento, i piedi piantati nella polvere ocra, fu riacceso sotto la sua campana, ha aperto ai planetologi una finestra verso un dominio di frequenze e vibrazioni fino ad allora sconosciuto e inaccessibile.

Il sismometro SEIS, sotto il suo scudo termico e antivento bianco, fotografato sulla superficie di Marte dalla telecamera ICC del lander InSight (NASA/JPL-Caltech).
NASA

Molto rapidamente, l'analisi dei primi dati ha mostrato che il periodo più favorevole per le osservazioni era la sera, da qualche parte tra il tramonto e la mezzanotte (nelle ore marziane). A questo punto, l'ambiente marziano diventa incredibilmente calmo e il livello di rumore, che interferisce con le misurazioni, precipita. La piana di Elysium è quindi così tranquilla e pacifica che i sismologi possono rilevare minuscoli tremori della superficie, corrispondenti a spostamenti equivalenti al diametro di un atomo, ed esplorare liberamente bande di frequenza sature di segnali parassiti sulla terra.

Nell'insolita e sconcertante pienezza della notte marziana, cominciarono ad apparire sugli spettrogrammi i primi terremoti. Il primo terremoto mai registrato sul Pianeta Rosso si è verificato il 7 aprile 2019 (nel calendario della missione era Sol 128; un giorno marziano si chiama Sol, e il primo Sol, Sol 0, corrispondente allo sbarco). E con lui è nata una nuova disciplina: la sismologia marziana.

Tra le 17:00 e la mezzanotte, SEIS beneficia di condizioni eccezionali per ascoltare l'attività sismica di Marte (IPGP / Nicolas Sarter).
IPGP

I primi terremoti

Il terremoto di terra 128 fu, tuttavia, molto timido. Classificati come terremoti ad alta frequenza, la maggior parte della sua energia vibrazionale si trovava al di sopra di 1 Hz (cioè una vibrazione al secondo). La sua intensità era così bassa che il suo epicentro non poteva essere localizzato sulla grande mappa del mondo di Marte. Tuttavia, ha dimostrato che il pianeta rosso era effettivamente sismicamente attivo. Questo terremoto è stato anche il primo di una serie molto lunga. Tra i circa 300 eventi rilevati fino ad oggi, quelli ad alta frequenza sono infatti i più numerosi.

Rimangono un mistero anche le scosse ad alta frequenza: il loro numero continua ad aumentare nel corso dei mesi, il che significa che possono essere legate a un fenomeno ciclico, che comporta riscaldamento stagionale e perturbazioni superficiali (frane, frane), o al corso di Marte nella sua orbita. Inoltre, la maggior parte non sarebbe rilevabile se non fosse intensificata da una strana risonanza situata a 2,4 Hz. Il sismometro SEIS infatti cattura continuamente un insieme di vibrazioni, che si ripetono 2,4 volte al secondo, e che acquistano forza quando un'alta frequenza evento si verifica. Di origine sconosciuta, questo fenomeno funge da amplificatore sismico naturale, per la gioia dei sismologi.

Ci sono però anche terremoti più interessanti dei terremoti ad alta frequenza: sono terremoti a bassa frequenza (il cui contenuto energetico si trova questa volta al di sotto del valore di soglia di 1 Hz, cioè una vibrazione al secondo). Molto più rari, questi ultimi sono anche più potenti, e proverrebbero da zone molto più profonde. Se i terremoti ad alta frequenza sembrano confinati alla crosta marziana, i terremoti a bassa frequenza potrebbero avere origine sia nella crosta che nel mantello.

Diagramma che illustra le diverse categorie di onde sismiche generate da un terremoto (IPGP / David Ducros).
IPGP

Della manciata di terremoti a bassa frequenza visti finora, quello di terra 173 (23 maggio 2019) rimarrà sicuramente nei libri di storia della scienza. Con una rispettabile magnitudine di 3,6, ha permesso per la prima volta ai sismologi di puntare con precisione l'arrivo del fronte d'onda P (onde di espansione-compressione così denominate perché arrivano prima sulle stazioni sismiche), poi quelle onde di taglio S (meno rapide, di solito arriva secondo).

Il puntamento delle onde P e S ha permesso di determinare la distanza del terremoto: circa 1600 chilometri dalla sonda InSight. Lo studio della polarizzazione dei treni d'onda ha poi permesso di effettuare un'operazione solitamente molto delicata quando è in funzione un solo sismometro, e non un numero elevato: la stima dell'azimut, cioè la direzione dell'epicentro da nord. Gli scienziati hanno poi scoperto che il terremoto 173 aveva avuto origine a 1600 chilometri a est di InSight, in un'area della superficie marziana nota come Cerberus Fossae.

Le colpe di Cerberus Fossae

Questa vasta regione striata di immense faglie era stata a lungo individuata dall'orbita dai sismologi. Molti indizi infatti suggerivano che il luogo fosse stato molto recentemente - meno di 10 milioni di anni - sede di attività tettonica e vulcanica. Il ritrovamento, su alcuni pendii ripidi, di tracce freschissime lasciate dalla caduta di pesanti massi, ha suggerito addirittura che qui il terreno non avesse mai veramente smesso di tremare. Se le analisi effettuate sui dati forniti dal SEIS sono confermate, i sismologi hanno ragione: Cerberus Fossae è nientemeno che la prima zona sismica attiva mai scoperta sul Pianeta Rosso.

Una faglia nell'area di Cerberus Fossae, osservata dalla potente telecamera della sonda americana Mars Reconnaissance Orbiter.
NASA / JPL / Università dell'Arizona

Poiché la felicità non arriva mai da sola, durante il sol 235 (26 luglio 2019), il SEIS ha rilevato un secondo terremoto di bassa frequenza il cui epicentro è stato localizzato anche nel settore di Cerberus Fossae. Con una magnitudo equivalente a quella del suolo 173, il terremoto del suolo 235 ha permesso anche agli scienziati di osservare per la prima volta una scossa di assestamento: 35 minuti dopo il terremoto principale, il sismometro ha registrato un nuovo evento, fratello gemello del primo.

Il velo si alza sulla struttura interna di Marte

Grazie a due significativi terremoti sui suoli 173 e 235, i geofisici sono stati in grado di iniziare a sondare l'interno di Marte, e in particolare la crosta superiore. Analizzando come certe onde P si convertono in onde S quando incontrano delle discontinuità, hanno rivelato la presenza di uno strato spesso circa 10 km, costituito da materiale vulcanico alterato e danneggiato. Al di sotto di quest'ultime si trovano rocce più sane e compatte, fino al mantello.

Per sondare il seminterrato del suo sito di atterraggio, i sismologi della missione InSight si affidano a tre tecniche: risonanza della culla di supporto del sismometro, onde generate dall'interramento del penetratore HP3 nel terreno e infine vortici di polvere di passaggio (IPGP / Nicolas Sarter).
IPGP

Più vicino alla superficie, per caratterizzare il sito di atterraggio, gli scienziati di InSight hanno implementato tre tecniche di suono innovative. Studiando la risonanza dei tre piedi conici del sismometro, sono stati prima in grado di determinare l'elasticità di uno strato di terreno indurito dello spessore di pochi centimetri, chiamato duricrust. Ascoltando le migliaia di scossoni provocati dal penetratore HP3 nel tentativo di affondare sotto la superficie, è stato poi possibile stimare lo spessore e alcune proprietà fisiche della regolite posta sotto l'armatura di duricrust. Infine, grazie ai turbini di polvere che attraversano in gran numero le pianure di Elysium, e che sollevano impercettibilmente il terreno risucchiandolo lungo il loro percorso, SEIS ha potuto contemplare ciò che c'è sotto i suoi piedi, fino a circa 10 metri e stimare lo spessore della parte debolmente consolidata che non sembra superare i 3 metri.

Verso la struttura profonda di Marte

Se i risultati di questo primo anno di studio sono decisamente molto incoraggianti, i sismologi marziani non sono però allo stremo. Certo, non c'è più alcun dubbio che Marte sia un pianeta sismicamente attivo, ma dei circa 300 eventi individuati finora, la maggior parte sono di bassa intensità, e quindi insufficienti a raggiungere gli strati più profondi del pianeta. Fino ad ora, inoltre, i terremoti marziani non generano onde di superficie, comprese quelle capaci di fare un giro completo del pianeta, e che avrebbero dovuto consentire ai sismologi di misurare la velocità su una distanza molto buona nota: la circonferenza di Marte!

Struttura generale del pianeta Marte. Dal centro verso l'esterno: anima metallica, mantello, crosta e infine atmosfera (IPGP / David Ducros).
IPGP

Anche un altro fenomeno, dovuto all'immensa fratturazione della crosta, disturba fortemente le misurazioni. Sottoposta al continuo martellamento degli asteroidi in caduta per lunghissimi periodi di tempo, la crosta marziana è infatti intensamente frantumata e fessurata. Quando devono attraversarlo, poco prima di entrare nel SEIS, le onde sismiche si riverberano in tutte le direzioni. Costretti a percorrere distanze maggiori, alcuni treni wave sono in ritardo e arrivano in stazione contemporaneamente ad altri che hanno seguito percorsi diversi.

Le conseguenze di un tale fenomeno sono formidabili per il SEIS: quando si verifica un terremoto, invece di sentire molto chiaramente il breve crack della rottura dei materiali rocciosi (le onde sismiche che si propagano nel terreno con leggi vicine a quelle del suono), lo strumento una successione di echi, che si protraggono nel tempo per diverse decine di minuti. Su Marte, questo fenomeno sembra intermedio tra quanto osservato sulla Terra e sulla Luna, aprendo entrambe le prospettive di un approccio comparativo nella sismologia planetaria, ma creando anche molte sfide per gli scienziati responsabili di spiegare al meglio questi nuovi dati.

Cerberus Fossae è la prima zona sismica attiva mai scoperta su Marte. Situata a circa 1 chilometri a est della sonda InSight, questa immensa ed estesa struttura tettonica è stata l'epicentro di due grandi tremori durante i suoli 600 (173 maggio 23) e 2019 (235 luglio 26) (IPGP / SEIS Team).
IPGP

Marte è sempre stato un pianeta difficile da avvicinare, che richiede perseveranza e sforzi incessanti da parte dei suoi esploratori, prima di accettare finalmente di rivelare i suoi segreti. Per il momento si può indagare solo la crosta superiore, e sulla prima mappa della sismicità marziana sono appuntati solo tre terremoti: quelli dei suoli 173 e 235, nonché un altro, rilevato durante il suolo 183 (3 giugno 2019) e collocato per ora accanto all'enigmatica struttura di Orcus Patera (una depressione ellittica che potrebbe essere un cratere da impatto o un vulcano). Ad eccezione di questa tripletta, tutte le altre sono disposte su grandi cerchi, posti a distanze variabili dal carrello InSight, senza che sia possibile assegnare loro un azimut, cioè una direzione.

Instancabilmente, attraverso SEIS, i sismologi continuano quindi ad ascoltare l'attività sismica marziana. Ogni giorno, ora sperano di vedere sugli spettrogrammi la traccia del primo grande terremoto marziano. Quella che permetterà finalmente di attraversare il Moho, questa discontinuità che separa la crosta dal mantello. Quello che finalmente raggiungerà, migliaia di chilometri sotto la superficie, il nucleo metallico, il cuore del pianeta rosso.The Conversation

SEIS, un'avventura spaziale. In questa serie web in cinque parti prodotta dall'Università di Parigi, scopri il lavoro di ingegneri e ricercatori IPGP sul sismometro SEIS della missione NASA/InSight.

Filippo Labrot, responsabile della comunicazione SEIS / InSight, Istituto di fisica del globo di Parigi (IPGP); Carlo Yana, SEIS Operations Project Manager per la missione InSight, Centro nazionale per gli studi spaziali (CNES) et Philippe Lognonne, Professore di Geofisica e Planetologia, Istituto di fisica del globo di Parigi (IPGP)

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto licenza Creative Commons. Leggi ilarticolo originale.

© Info Chrétienne - Breve riproduzione parziale autorizzata seguita da un link "Leggi di più" a questa pagina.

SUPPORTA INFO CRISTIANI

Info Chrétienne essendo un servizio stampa online riconosciuto dal Ministero della Cultura, la tua donazione è fiscalmente deducibile fino al 66%.