SEIS (acronimo di Seismic Experiment for Interior Structure) è un sismometro di alta precisione, uno dei principali strumenti scientifici trasportato dalla sonda InSight per misurare l’attività sismica di Marte, insieme ad altri due: HP³ per misurare il flusso di calore interno e RISE per le variazioni della velocità di rotazione.

L’installazione di un sismometro su un altro pianeta del sistema solare è un’impresa storica, condotta dal Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA, insieme al Centre National d’Etudes Spatiales (CNES) e all’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) in Francia e altri istituti europei, tra cui la Scuola Politecnica Federale di Zurigo. Una collaborazione internazionale dunque, che ha nel nove il suo numero magico: i primi sismometri sulla Terra furono installati nel 1889, sono approdati sulla Luna nel 1969 con la missione Apollo e proprio all’inizio del 2019 potremo ricevere i primi dati delle onde sismiche rilevate da SEIS sul pianeta Marte.

Tra le 43 missioni realizzate fino a oggi per esplorare Marte, va ricordato che sismometri furono già inviati sul pianeta rosso con le missioni Viking nel 1975 e Mars96 nel 1996. Per quanto riguarda Viking, due sismometri furono installati sul ponte di atterraggio della sonda spaziale ma purtroppo non fornirono dati utili: il primo non ha mai funzionato per problemi tecnici, il secondo registrò solo le vibrazioni prodotte dal vento sulla sonda. La sonda Mars96 invece, non è mai arrivata sul pianeta, perché esplose poco dopo il lancio.

Sismologi, astrofisici e ingegneri lavorano quindi da tempo alla questa sfida. Hanno dovuto aspettare nuove finestre temporali (ogni 28 mesi si apre una finestra di due mesi per lanciare dalla Terra una sonda che raggiunga Marte) e superare i complessi criteri di selezione della NASA per ottenere il supporto ad una nuova missione scientifica.

Nuovi traguardi tecnologici

«Inviare un sismometro su Marte è stata un’operazione molto delicata», dichiara a France Inter Philippe Laudet, ingegnere e astrofisico del CNES, tra i protagonisti della missione controllata dai laboratori del JPL di Pasadena in California, «perché per la prima volta gli strumenti sono stati collocati direttamente sul suolo del pianeta rosso grazie a un braccio automatico».

Questa è una “primizia” tecnologica di una missione che comportava numerosi rischi, sia in fase di atterraggio (o, più precisamente, di ammartaggio) che di installazione e poi di avviamento dello strumento in un ambiente estremamente ostile, con temperature al suolo che fluttuano dai -120 °C durante la notte ai +20 °C durante il giorno.

Per l’équipe internazionale che ha preparato la missione sono stati mesi di attesa, dal lancio del razzo Atlas 5 dalla base di Vandenberg in California lo scorso 5 maggio fino ai “sette minuti di terrore” (come vengono solitamente indicati dagli esperti della NASA) che hanno preceduto l’ammartaggio della sonda InSight lo scorso 26 novembre (Scienza in rete ne ha parlato qui). Oggi gli scienziati e ingegneri sono stati ripagati di anni di lavoro e sono esaltati dal successo della missione che ha visto il compimento di due operazioni particolarmente complesse. La prima è stata l’ammartaggio della sonda in una delle aree prescelte dagli astrofisici planetari, vicino all’equatore, su un terreno piatto e morbido, ideale per accogliere la sonda. Si tratta di un successo misurato ma sicuramente non scontato, se consideriamo la velocità di ingresso nell’atmosfera marziana a diverse centinaia di chilometri al secondo e del pochissimo tempo a disposizione (meno di sette minuti) per effettuare le manovre di ammartaggio. L’area era rappresentata da un’ellisse larga 24 chilometri per 100 chilometri di lunghezza, con la possibilità che la sonda arrivasse su terreni più ardui, rocciosi e meno adatti allo scopo della missione. Appena la sonda InSight è arrivata sul suolo di Marte, il primo pensiero degli ingegneri e sismologi è stato di mettere in funzione il sismometro e verificare che lo strumento sia sopravvissuto all’atterraggio prima ancora di spostarlo sulla superficie di Marte.

La seconda operazione, avvenuta ventidue giorni dopo, il 19 dicembre, è stata di attivare IDA (acronimo di Instrument Deployment Arm), il braccio robotico, grazie alla programmazione di una lunga sequenza di istruzioni attraverso cui il sismometro, scrupolosamente inglobato in una capsula di titanio di un peso complessivo di 9,5 chili, è stato depositato sulla superficie del pianeta a circa due metri di distanza dalla sonda.

Conoscere la struttura interna di Marte

«Avere un sismometro installato sulla superficie di Marte è come avere un telefono all’orecchio», commenta Philippe Lognonné, sismologo dell’IPGP nonché uno dei responsabili scientifici di SEIS. Mentre oggi si conosce, in gran parte grazie al progresso scientifico e tecnologico della sismologia, la struttura interna della Terra, si sa ancora ben poco di Marte.

Si pensa che Marte abbia una struttura simile a quella terrestre, con un nucleo centrale, un mantello e una crosta esterna. Le precedenti missioni spaziali, tra cui Curiosity (di cui Scienza in rete ha parlato qui), hanno permesso di analizzare la superficie e la composizione chimica dei materiali che la compongono ma non la sua struttura più profonda, che ora sarà accessibile mediante l’analisi dei segnali sismici. SEIS permetterà infatti di effettuare un'“ecografia” del pianeta, registrando le onde sismiche provocate da terremoti prodotti nella crosta marziana o dall’impatto sulla superficie di un meteorite, così come si fa in medicina con le onde acustiche. Con questa tecnica si potranno ricostruire immagini dell’interno del pianeta, per capirne non solo struttura e composizione ma anche la storia.

In effetti, all’origine Marte era molto simile alla Terra. Dallo studio del sistema solare e dalle prime analisi di rocce effettuate, sappiamo che aveva un campo magnetico, vi avvenivano eruzioni vulcaniche, era presente l’acqua sulla sua superficie; tutti fenomeni presenti fino a un miliardo di anni dopo l’origine del pianeta e che oggi non si manifestano più, rendendo la superficie del pianeta rosso un vero e proprio deserto glaciale. Cosa è successo di talmente catastrofico da interrompere la dinamica attiva del pianeta circa 3,5 miliardi di anni fa?

E’ proprio dallo studio della struttura interna del pianeta che potremo, forse, capirlo. A parte la registrazione di eventuali marte-moti, sismi prodotti da fratture interne, i sismologi prevedono di captare con SEIS le onde causate da diverse sorgenti esterne per studiare il pianeta. La prima potenziale “sorgente sismica” è quella provocata dagli impatti al suolo di meteoriti che provengono dalla cintura di asteroidi, evidenziati dai numerosi crateri recenti rilevati dalle immagini prese delle sonde Global Surveyor e Reconnaissance Orbiter. La seconda sorgente sismica potrebbe essere associata a eruzioni vulcaniche, anche se poco probabili, o quanto meno a movimenti magmatici in profondità. Un’altra possibilità è rappresentata dalla circolazione atmosferica attorno al pianeta, che produce una vibrazione sismica continua di bassa intensità (rumore sismico), chiamato dai geofisici “hum”, rilevabile da strumenti sensibili ai segnali di bassa frequenza e molto utili per l‘esplorazione del mantello marziano. Inoltre, la superficie di Marte è soggetta a deformazioni mareali, provocate dai due satelliti che l’accompagnano nella sua traiettoria intorno al Sole, come quelle prodotte dalla Luna sulla Terra. In particolare Phobos, il satellite più voluminoso, provoca deformazioni del suolo misurabili dai sismometri che potrebbero fornire informazioni rilevanti sul nucleo del pianeta rosso.

Se tutte queste sorgenti sismiche sono di natura “passiva”, in quanto non prodotte dall’uomo, si prevede di rilevare anche le onde da sorgenti “artificiali” provocate dalla penetrazione nel suolo di HP³, l’altro strumento di InSight destinato a misurare il calore. Le vibrazioni provocate dalla sua penetrazione nel suolo potrebbero aiutare a capire la composizione dei terreni superficiali sottostanti.

Dagli studi sul pianeta, è noto che il tasso di sismicità è di molto inferiore a quello della Terra. I sismologi prevedono di osservare in un anno qualche evento con magnitudo intorno a 5,5; una decina intorno a 4,5 e centinaia intorno a 3,5. Inoltre ci si aspetta di registrare l’impatto di circa 20 meteoriti all’anno. Sebbene le magnitudo di questi eventi siano modeste, le onde sismiche prodotte sono tuttavia capaci di propagarsi attraverso l’intero pianeta, il cui diametro è circa la metà rispetto a quello della Terra. Il compito di acquisizione dei segnali è stato affidato al Servizio sismico svizzero della Scuola Politecnica Federale di Zurigo, che li catalogherà e li renderà disponibili alla comunità scientifica. Saranno pertanto utilizzate diverse tipologie e diverse frequenze di onde sismiche per studiare le tre sezioni profonde del pianeta:

• lo spessore e le discontinuità della crosta marziana, osservando e analizzando la velocità di progressione delle onde a diverse frequenze e la loro conversione al passaggio di strati di composizione diverse
• il mantello marziano, in particolare quello superiore fino a 600 chilometri, attraverso le onde sismiche di volume
• il nucleo centrale dove le onde di volume si rifletteranno per tornare alla superficie

Eppure c’è ancora molta strada da fare prima che la prima stazione geofisica su Marte sia operativa. Dovremo pazientare ancora qualche settimana per ascoltare il “suono” sismico del pianeta rosso. Gli ingegneri devono livellare lo strumento sul piano orizzontale, per poi misurare il rumore di fondo del sito e calibrare i sensori a larga banda. Solo allora il cavo TSB, cordone ombelicale con la sonda InSight, potrà essere ritirato prima di coprire il sismometro con un imponente scudo di protezione termica e dal vento marziano. Solo allora potremo ascoltare finalmente Marte cercando si carpirne i segreti.

Fonti

Intervista a Philippe Laudet (CNES, Francia), di Agnès Faivre. La Une de la Science, France Inter, 26 Dicembre 2018

To Mars! Domecio Giardini, ETH Zurigo. Golden Lecture in onore di Paolo Gasparini, Università degli Studi di Napoli Federico II, 30 Novembre 2017

Sito dell’esperimento Seismic Experiment for Interior Structure

Sito dell’IPGP-Institut de Physique du Globe de Paris