Comment Mercure est-elle devenue plus petite ?

La planète la plus proche du Soleil a une particularité : elle est devenue plus petite qu’elle ne l’était lors de sa formation. C’est un phénomène inhabituel, qui s’est produit après le grand bombardement : Mercure a refroidi rapidement et sa surface s’est contractée. Mais à quel point exactement ? La question fait débat depuis des années et une nouvelle étude parue dans Nature Astronomy le 14 janvier 2021 relance les controverses.

Mais avant de rentrer dans le détail de cette étude, un petit historique de l’observation — finalement assez limitée — de Mercure s’impose. Il faut dire qu’aussi près du Soleil, les instruments sont soumis à rude épreuve et qu’une telle mission n’est pas facile à mettre en œuvre. La première sonde à l’avoir observé de près est Mariner 10, un engin de la Nasa parti survoler la planète à trois reprises entre 1974 et 1975. Il s’agissait d’une véritable prouesse à l’époque, puisqu’elle s’est servie de l’assistance gravitationnelle de Vénus et des vents solaires pour se propulser. Et ce fut un succès, car la sonde a ramené près de 3 000 photos et une cartographie de quasiment la moitié de la surface de Mercure. C’est à la suite de l’étude de ces documents que les scientifiques pensent que Mercure s’est contractée d’environ 1 ou 2 kilomètres lors du grand bombardement. Une déduction faite à partir de l’observation des crêtes à la surface, signe d’une compression ancienne.

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La planète fripée

Sur ce succès s’achève le programme Mariner et Mercure est un petit peu mise de côté. Faisons un bon d’une trentaine d’années dans le temps pour arriver en 2004. La sonde MESSENGER est lancée vers Mercure. Elle se place en orbite en 2011, une première, avec une manœuvre particulièrement difficile. En effet, à cause de son inclinaison, il est impossible de partir en ligne droite depuis la Terre, et le plus économique est d’utiliser un système complexe d’assistance gravitationnelle, ce qui était impossible avant les progrès techniques des années 1980.

L’objectif de MESSENGER : poursuivre la cartographie de la planète là où Mariner 10 s’était arrêtée. Prévue pour durer seulement un an, la mission orbitale se poursuit finalement jusqu’en 2015 et s’achève en beauté avec la sonde à court de carburant qui s’écrase à la surface de Mercure. Dans ce laps de temps, elle a pris des dizaines de milliers de photos, sans compter les analyses de la composition des sols, la découverte de glace d’eau à la surface, et évidemment, des nouvelles de cette histoire de compression.

Image composée de deux vues de Mercure lors de survols par MESSENGER.

Source : NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington/Smithsonian Institution

Les chercheurs ont alors conclu que le diamètre de Mercure n’avait pas diminué de 1 ou 2 kilomètres, mais bien de 4, voire 7 kilomètres ! Là encore, c’est l’étude des reliefs qui a permis d’arriver à ces résultats en modélisant le refroidissement du noyau.

Mais tout n’est pas si simple, et l’étude parue le 14 janvier dernier revient sur ces résultats, assurant que l’hypothèse développée par Mariner 10 est bien plus proche de la réalité. « L’hypothèse d’une super-contraction ne tient pas, assure le principal auteur Thomas Watters à Numerama. Nous pensons plutôt que Mercure a su garder une grande partie de sa chaleur d’origine après le grand bombardement. » Le chercheur de la Smithsonian Institution à Washington s’est pourtant bien servi des données de MESSENGER pour arriver à cette conclusion — les mêmes qui avaient émis l’hypothèse d’une contraction de 7 kilomètres.

« Ce qui a été analysé à l’époque inclut des mouvements tectoniques qui ont créé certaines caractéristiques qui ne sont pas dues à la contraction. » En d’autres termes, d’après l’auteur, les précédents chercheurs ont été victimes de faux positifs. Ils ont identifié des marques qu’ils ont attribuées à une diminution du diamètre de la planète alors qu’il ne s’agissait que du résultat d’un mouvement des plaques. « Avec cette mauvaise interprétation, résume l’auteur, il y a une importante surestimation de la compression. Nous pensons qu’une diminution supérieure à 2 kilomètres est hautement improbable. »

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Pour Alain Doressoundiram, astrophysicien à l’observatoire de Paris, qui n’a pas participé à l’étude, c’est un travail intéressant, mais qui manque de preuves : « Nous avons très peu de certitude à propos de Mercure. Ici, l’auteur se base sur les observations de la surface pour en déduire la structure interne, cela repose sur de nombreuses hypothèses pour l’instant invérifiables ».

Mercure est toujours chaude, mais pourquoi ?

Loin de n’être qu’une bataille de chiffres, ce débat sur le rapetissement de Mercure est crucial pour comprendre l’histoire de la planète. Si une partie des reliefs peut être expliquée par autre chose que la contraction, cela signifie que Mercure a conservé une partie de sa chaleur, suffisamment en tout cas pour que son noyau soit toujours liquide et que la planète soit restée active géologiquement. Ceci est également cohérent avec la présence d’un champ magnétique relativement fort, signe qu’un effet dynamo se joue au cœur du noyau métallique pas totalement solidifié.

Pour Thomas Watters, c’est un indice qui prouve que notre connaissance des petits corps rocheux n’est pas totalement bonne : « Nous pensons que les astres comme Mercure ou la Lune perdent très rapidement leur chaleur parce qu’ils sont trop petits pour conserver un effet dynamo. Mais ces observations contredisent ces conclusions, il peut toujours y avoir une activité longtemps après leur formation ». L’auteur avait d’ailleurs publié en 2019 un papier qui arrivait à peu près aux mêmes conclusions à propos de la Lune.

Un constat que partage Alain Doressoundiram : « Si Mercure ne s’est pas refroidie aussi vite qu’on le pense, c’est peut-être à cause d’un autre facteur inconnu, par exemple une couche de régolithe isolant, ou la présence de sulfure, mais c’est encore difficile d’en savoir plus ».

Vue d'artiste de la mission BepiColombo.

Source : ESA (photo recadrée)

Le mystère pourrait être levé d’ici quelques années. Cette étude arrive à point nommé puisqu’elle déblaye le terrain avant l’arrivée de la prochaine grosse mission sur place : BepiColombo. La sonde développée par l’agence spatiale européenne (ESA) et l’agence d’exploration aérospatiale japonaise (JAXA), doit placer deux orbiteurs d’ici fin 2025. Parmi les objectifs scientifiques de la mission, il y a justement l’histoire géologique de Mercure, celle de sa formation, et la composition du noyau.

« BepiColombo va faire ce que MESSENGER n’a pas pu réussir, détaille Alain Doressoundiram. Elle descendra beaucoup plus bas et enverra des images avec une plus grande résolution. Elle devrait lever le voile définitivement sur la structure interne de Mercure. » Actuellement, la sonde est toujours dans le voisinage de Vénus, elle doit se servir de son assistance gravitationnelle l’été prochain pour filer tout droit vers sa destination finale.