Source: The Conversation – in French – By Francis Rocard, Planétologue, Responsable des programmes d’exploration du Système solaire, Centre national d’études spatiales (CNES)
L’ESSENTIEL
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Mercure est la planète la plus proche du Soleil. À cause de l’attraction gravitationnelle de notre étoile, géante à côté de Mercure, il est difficile de s’insérer en orbite autour d’elle.
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La sonde BepiColombo doit réaliser cette prouesse en novembre 2026. De là, elle pourra étudier l’intérieur de la planète, sa surface et son champ magnétique.
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De quoi répondre à des questions qui résistent depuis longtemps à la science.
Mercure est visible à l’œil nu le soir juste après le coucher du Soleil ou le matin juste avant son lever. Elle était déjà observée par les Assyriens 1 400 ans avant notre ère, et ce sont les Grecs anciens, vers 350 avant notre ère, qui comprirent que « l’étoile du matin » et « l’étoile du soir » étaient en réalité le même objet : une planète.
Celle-ci, la plus proche du Soleil, est à la fois difficile d’accès et pleine de mystères. En novembre, la mission européenne BepiColombo va s’insérer en orbite de Mercure après huit ans de voyage interplanétaire. Cette mission, la plus ambitieuse jamais envoyée vers Mercure, est constituée de deux satellites. Le Mercury Planetary Orbiter (MPO) occupera une orbite basse altitude (entre 480 et 1 500 kilomètres) pour avoir une bonne résolution spatiale de la surface et étudier l’intérieur de la planète. Mio, sous responsabilité japonaise, se focalisera sur sa magnétosphère et son environnement ionisé depuis une orbite haute et très elliptique (entre 580 et 11 640 kilomètres) pour explorer in situ sa magnétosphère jusqu’à de grandes distances.
Ces objectifs scientifiques très vastes couvrent l’ensemble des composantes de la planète – intérieur, surface, exosphère, magnétosphère – et reflètent la diversité des questions qui se sont posées depuis que les humains étudient Mercure. Plongeons dans l’histoire de l’astronomie pour comprendre les défis que doit relever BepiColombo.
Mystère numéro 1 : une orbite singulière
Les premières observations au télescope réalisées par Galilée, Gassendi, Schröter ont produit des cartes imprécises. Vers 1880, Schiaparelli affirme que Mercure est en « rotation synchrone », c’est-à-dire qu’elle montrerait toujours la même face au Soleil.
Cette affirmation ne sera démentie que près d’un siècle plus tard avec les premières observations faites depuis le radiotélescope d’Arecibo : à partir de ces observations radars, en 1965, Guiseppe Colombo, un astronome italien, démontrait que Mercure effectue en réalité trois rotations sur elle-même pendant qu’elle accomplit deux révolutions autour du soleil.
Cette résonance n’est possible qu’avec un fort effet de marée dû à la proximité du Soleil associé à une orbite très elliptique. L’orbite de Mercure est ainsi très singulière dans le Système solaire, même si d’autres nombreux objets (lunes, astéroïdes) sont figés dans des résonances diverses.
Mystère numéro 2 : une planète qui semble ivre et son fugace acolyte
En 1859, Urbain Le Verrier observe que la lente rotation de l’orbite de Mercure, ce que l’on appelle la « précession du périhélie », ne peut pas être expliquée par la mécanique de Newton. Fort de sa prédiction de la présence de Neptune pour expliquer l’orbite d’Uranus, Le Verrier propose qu’une planète intérieure, qu’il appellera Vulcain, explique l’anomalie de l’orbite de Mercure. Or, Vulcain a été longtemps cherchée, jamais trouvée.
Il faudra attendre la relativité générale d’Einstein, en 1915, pour trouver l’explication (le calcul de la précession du périhélie obtenu par les équations d’Einstein donne la valeur mesurée). Cette découverte est un immense succès – une des validations expérimentales de la théorie d’Einstein. Ce résultat a été présenté le 18 novembre 1915 à l’Académie des sciences de Prusse.
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Mercure, Einstein, et la relativité générale (2)
De Mariner 10 à BepiColombo, ou pourquoi se mettre en orbite de Mercure est si délicat
L’exploration spatiale de Mercure débute avec la sonde Mariner 10, lancée en 1974. La difficulté est que l’énergie nécessaire pour atteindre la planète est énorme. En effet, en plus de l’énergie nécessaire pour quitter l’orbite terrestre, il est impératif de freiner la sonde afin de se rapprocher de Mercure sans tomber vers le Soleil.
Cette énergie est dépensée pour ralentir aux environs de Mercure – on l’exprime comme une variation de vitesse qui vaut entre 13 kilomètres par seconde et 15 kilomètres par seconde suivant les trajectoires (ces vitesses sont importantes : on peut comparer ces vitesses à la vitesse de libération de 11,2 kilomètres par seconde pour quitter l’attraction terrestre).
L’énergie totale à embarquer (accélération et freinage) est très importante, encore supérieure aux énergies nécessaires pour quitter le Système solaire, qu’avaient utilisées les sondes Pioneer 10 et 11 ou Voyager 1 et 2, dans les années 1970.
Pour réduire la quantité d’énergie à dépenser, Guiseppe Colombo propose de survoler Vénus sur le chemin vers Mercure, afin de profiter d’une « assistance gravitationnelle ». En effet, lors d’un survol rapproché d’une planète par une sonde, cette dernière peut gagner de la vitesse (ou en perdre, suivant la géométrie du survol) sans consommation de carburant. Cette manœuvre doit permettre de perdre de la vitesse sans utiliser de carburant. Cette idée novatrice a été utilisée pour la première fois par Mariner 10 en 1974 et est maintenant couramment utilisée par beaucoup de sondes planétaires.
Mariner 10, malgré ce passage par Vénus, mettra cinq mois seulement pour atteindre Mercure… alors que BepiColombo fera le même trajet en huit ans (BepiColombo devait faire cette croisière en sept ans, mais des anomalies sur les moteurs ioniques ont contraint les opérateurs de l’ESA à retarder la date d’arrivée d’un an).
La différence de durée vient de ce que Mariner 10 est conçue pour réaliser un survol de Mercure et peut donc arriver à grande vitesse, alors que BepiColombo doit se mettre en orbite, ce qui nécessite de freiner encore davantage en réalisant pas moins de neuf assistances gravitationnelles : un survol de la Terre, deux de Vénus et six de Mercure elle-même.
Au final, Mariner 10 réalisera trois survols de Mercure entre mars 1974 et mars 1975 avant d’être à court de carburant. La géométrie des survols étant imposée par la trajectoire, Mariner 10 a observé seulement le côté éclairé de la planète et en a cartographié seulement 45 %.
Mercure vue de près : mystère numéro 3, le champ magnétique
Mariner 10 découvre une planète fortement cratérisée, qui ressemble par certains aspects à notre Lune. La principale découverte qui a beaucoup surpris les scientifiques à l’époque est la présence d’un champ magnétique. En effet, la rotation lente de Mercure sur elle-même semblait incompatible d’un effet dynamo interne qui puisse engendrer un champ magnétique. Pourtant, alors que le champ magnétique de Mercure a une intensité de 1 % de celui de la Terre, il est suffisant pour dévier le vent solaire.
En 1992, l’antenne de communication de 70 mètres de Goldstone, en Californie, utilisée en mode radar, va sonder les pôles de Mercure. Des échos intenses sont identifiés en provenance de fonds de cratères perpétuellement à l’ombre, donc dans un froid glacial, et interprétés comme étant dus à la présence de glaces piégées dans ces cratères. Comme sur la Lune, la présence de glaces est attribuée à des impacts de comètes qui sont très riches en glace d’eau, celle-ci allant se piéger dans les cratères froids lors de l’impact, de la même façon que votre congélateur se charge en glace issue de la vapeur d’eau atmosphérique. La mission BepiColombo devra confirmer cette interprétation.
Trois décennies après Mariner 10, en 2004, la Nasa envoie Messenger, le premier orbiteur de Mercure, qui va étudier la planète entre 2011 et 2015.
Cette mission démontre que le champ magnétique est dû à un effet dynamo provenant de la rotation et de la convection d’un noyau de fer liquide. La mesure de la densité de la planète, très importante, révèle que celle-ci est constituée d’un très gros noyau, représentant 57 % du volume de la planète (en comparaison, le noyau terrestre ne représente que 17 % de son volume), et recouverte d’un manteau de 400 kilomètres d’épaisseur et d’une croûte d’environ 35 kilomètres.
Une hypothèse expliquant les petites tailles relatives de la croûte et du manteau, par rapport à ceux de la Terre, est que Mercure aurait subi une collision avec un planétésimal (c’est-à-dire un petit corps solide constitué de poussières et de gaz qui s’est aggloméré lors de la formation d’un système planétaire) qui aurait arraché une partie du manteau et de la croûte. Cette hypothèse devra être confirmée par la sonde BepiColombo.
Mystère numéro 4 : des rides et des cavités à la surface
Une autre découverte attribuée à Messenger est la présence de nombreuses rides pouvant atteindre 1 000 kilomètres de long pour 3 kilomètres de hauteur. Également présentes sur la Lune, ces rides sont plus nombreuses et plus importantes sur Mercure. On pense que, lorsque la planète s’est refroidie tout au long des 4,5 milliards d’années de son existence (comme le reste du Système solaire), elle s’est contractée, déformant la surface et produisant des rides. On estime que Mercure s’est ainsi contractée de 3 à 10 kilomètres depuis sa formation.
Par ailleurs, de mystérieux trous dans la surface, appelés « hollows », sont observés par Messenger en divers endroits de la planète. Leur présence n’est pas bien comprise. Une interprétation possible est que la planète dégaze par endroit produisant ces cavités. Alors que sa gravité ne lui permet pas de conserver une atmosphère stable, Mercure possède en effet une exosphère, découverte par Mariner 10, c’est-à-dire un équilibre dynamique entre des gaz provenant de la surface par dégazage ou apportés par le vent solaire dont les composants sont renouvelés en permanence.
Les questions auxquelles BepiColombo va contribuer à répondre
En somme, BepiColombo devra apporter des réponses à de nombreuses questions, dont certaines, après ce détour historique, vous sembleront familières :
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Quelle est l’origine de la structure interne de la planète avec un noyau hypertrophié ?
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Quelles sont l’origine et la composition des glaces de certains cratères aux pôles ?
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Par quel mécanisme Mercure entretient-elle son champ magnétique ?
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Quel est le mécanisme de formation des « hollows » ?
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Quelle est l’histoire de l’activité volcanique de la planète ?
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Quelles sont la composition et la dynamique de l’exosphère ?
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La dynamique de l’orbite de Mercure est-elle expliquée par la relativité générale ?
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Comment le vent solaire interagit-il avec la magnétosphère ?
Francis Rocard ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.
– ref. Les mystères de Mercure, ou comment la sonde BepiColombo va étudier la planète la plus proche du Soleil (sans tomber dedans) – https://theconversation.com/les-mysteres-de-mercure-ou-comment-la-sonde-bepicolombo-va-etudier-la-planete-la-plus-proche-du-soleil-sans-tomber-dedans-294525