La mission InSight de la NASA, lancée le 5 Mai 2018, doit poser à la surface de Mars le 26 novembre 2018 un atterrisseur géophysique pour améliorer notre connaissance sur les processus se déroulant durant la formation et l'évolution des planètes telluriques. Un des objectifs principaux de cette mission est de contraindre l'état liquide ou solide, et la taille du noyau de la planète. Pour cela, il est prévu d'utiliser le sismomètre SEIS afin de mesurer les variations de gravité locale dont les amplitudes sont liées à la structure interne de la planète. En effet, Mars se déforme sous l'effet des marées solides induites par sa lune principale Phobos, dont l'harmonique principale est situé autour de 5h33min. Ces déformations entraîne des variations de gravité qui peuvent être mesurées par SEIS. Cependant, ce signal gravimétrique est extrêmement faible, et les différentes sources de bruits telles que le bruit thermique ou le bruit de pression donnent un rapport signal sur bruit très défavorable.
L'objectif de cette thèse est, à partir de différents modèles de structure internes possibles de Mars, de modéliser le signal utile de la marée de Phobos ainsi que les bruits visibles par l'instrument SEIS, et de concevoir une stratégie permettant de récupérer ce signal utile dans des données simulées. Pour cela, des modèles de l'instrument SEIS ont été réalisés et vérifiés durant des campagnes de tests au CNES avec l'aide de l'IPGP (Institut du Physique du Globe de Paris), et des modèles de bruits théoriques ont été établis à partir de tests de performance réalisés au CNES et à Lockheed Martin entre autres. L'utilisation des modèles de Mars pour en déduire les variations de gravité générées par la marée de Phobos s'est faite avec l'aide de l'Observatoire Royal de Belgique. Pour la première fois, une méthode de calibration active in-situ a été conçue pour le sismomètre SEIS, et devrait permettre de récupérer le gain absolu de l'instrument à la fréquence de la marée de Phobos. La méthode d'inversion des données simulées a été établie en utilisant la technique des matched filters, technique utilisée en astronomie dans le cadre des ondes gravitationnelles, ou encore dans le cas des signaux GPS et des signaux radar, et les premiers résultats montrent qu'il devrait être possible de contraindre l'état du noyau, et même la taille du noyau à 120 km près en utilisant les modèles a priori de Mars.
En plus de l'effet de Phobos sur Mars, la thèse s'est intéressée à la problématique réciproque de la détermination de la structure interne des astéroïdes, similaires à Phobos, sous l'effet de forces de marée d'un corps attracteur. Dans ce cadre, un code d'éléments finis a été réalisé pour permettre de calculer le champ de gravité d'astéroïdes irréguliers non sphériques à la structure interne variable. Le code a été validé avec des modèles théoriques avec une précision meilleure que 2%. Une application à l'astéroïde Eros dont le champ de gravité est connu a été réalisée, avec des résultats actuels meilleurs que les modèles surfaciques couramment utilisés. Les premières bases pour le calcul des déformations de marée au sein d'un astéroïde par éléments finis ont également été établies, avec une première validation dans le cas de la Terre sous l'effet de la Lune. Les déformations statiques de la Terre ont ainsi été calculées avec moins de 2% d'écart avec les solutions analytiques. |
The InSight mission, part of the NASA Discovery Program, has been launched on 2018, May the 5th and should arrive at the surface of Mars on 2018, November the 26th. It will place a geophysical lander on Mars to advance our knowledge on the processes occurring during the formation and evolution of terrestrial planets. One of the main objectives of this missions is to constrain the state (liquid or solid) and the size of the Martian core. To do so, the SEIS seismometer can be used to measure the local gravity variations, whose amplitudes depend on the internal structure of the planet. Indeed, Mars is subject to tidal stress from its main moon Phobos, which causes solid deformations at its surface with a main harmonic at 5h33min. These deformations generate gravity variations that can be measured by SEIS. However, this gravimetric signal is extremely weak, and because of the different high noise sources such as thermal noise and pressure noise, the signal-to-noise ratio is very low.
This PhD thesis aims at modeling the Phobos tide signal using several possible Martian internal structure model together with other visible signals, such as the noise signals seen by the SEIS instrument, in order to design a strategy to recover the Phobos tide signal from simulated data. For this purpose, models of the SEIS instrument have been realized and validated during test campaigns at CNES (the French space agency) with the help of IPGP (Institut de Physique du Globe de Paris), and theoretical noise models have been established from performance tests notably at CNES and at Lockheed Martin. The forward problem using Martian models to deduce the gravity variations generated by the Phobos tide has been solved in collaboration with the Royal Observatory of Belgium. For the first time, an active calibration in-situ has been designed for the SEIS seismometer and should recover the absolute gain of the instrument at the Phobos tide frequency. The inversion of simulated data has been realized using matched filters, a signal processing technique used in gravitational wave astronomy or also for GPS and radar signals. First results show that it should be possible to constrain the state of the core, but possibly also the size of the core within 120 km using a priori models of Mars.
Besides the effect of Phobos on Mars, this PhD thesis studied the reciprocal problem of the determination of the internal structure of asteroids, bodies similar to Phobos, under tidal forces from a main attractor. In this context, a finite element code has been created in order to calculate the gravity field of irregular, non spherical asteroids with variable internal structures. This code has been validated on theoretical models with an accuracy better than 2%. An application of the code has been made on asteroid Eros, whose gravity field is known, with current results better than the polyhedron model commonly used. A first approach on tidal displacements inside an asteroid using the finite element method is in progress, with a first validation on the Earth-Moon system. The static displacements of the Earth due to the Moon tides have been calculated with less than 2% error with respect to the analytic solutions. |