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Mercure, le messager des dieux

Inbtroduction (I)

La première planète qui gravite autour du Soleil est une petite boule semblable à la Lune d'un diamètre évalué à 4878 km. Elle orbite sur une orbite légèrement excentrique (e=0.2056) l'éloignant entre 0.3075 et 0.4667 UA du Soleil, soit une distance moyenne de 58 millions de kilomètres du Soleil. Mercure boucle son orbite en 88 jours. Se déplaçant rapidement devant la sphère céleste, les Grecs l'ont baptisée "le messager des Dieux".

Les échos radars effectués grâce au radiotélescope d'Arecibo (Porto-Rico) confirment que Mercure tourne sur elle-même en 58.6 jours, ne présentant qu'une très faible inclinaison orbitale d'à peine 2'. Le jour solaire[1] dure 175.9 jours contre 24 heures sur Terre. Ces valeurs indiquent également que l'orbite de Mercure est en résonance 3:2 avec sa période orbitale : sa période de révolution vaut 1.5 fois sa période de rotation et la moitié du jour solaire. Paradoxe du langage, cela signifie que sur Mercure les journées sont interminables, et pour être précis elles durent deux fois plus longtemps que l'année ! Cette rotation excessivement lente semble avoir eu des conséquences sur la structure et la force de son champ magnétique sur lequel nous reviendrons.

Compositage en haute résolution de la surface de Mercure réalisé à partir de photographies prises par la sonde spatiale Messenger entre 2008 et 2009. Document NASA/JUAPL/Messenger.

A l'intention des astronomes amateurs, Mercure est visible à l'aube ou au crépuscule telle une étoile brillante d'une magnitude apparente variant entre environ +5.8 et -2.1 et un diamètre apparent variant respectivement entre environ 4.5" lors des conjonctions et 13" lors des oppositions, époque à laquelle elle présente un beau croissant lumineux mais dont la taille demeure 5 fois plus petit que celui de Vénus et 4 fois inférieur au diamètre de Jupiter.

Mercure reflète très peu la lumière du Soleil et présente un albedo de 0.06, en fait le plus faible de toute les planètes. En théorie, Mercure brille presque autant que Jupiter mais à l'époque des conjonctions, elle est quasiment impossible à observer et devient un défi à photographier car elle se situe alors à 4° du Soleil et présente un croissant excessivement fin (Ø 10.07", 1 % d'illumination comme ce fut le cas le 15 janvier 2016 à 19h24 TU). Même en temps normal, du fait qu'elle ne s'éloigne pas à plus de 18 à 28.3° du Soleil lors des élongations inférieures, son observation est difficile car elle est souvent noyée dans l'éclat du Soleil. Les photos reprises dans la galerie des chefs-d'oeuvre ont été prises en fin de matinée. Dans ces conditions, on ne sera pas étonné d'apprendre que pratiquement personne n'est parvenu à photographier le croissant de Mercure. Les seules photos que nous possédons de cette phase ont été enregistrées par les sondes spatiales.

Images amateurs

A gauche, Mercure photographiée par Stefano Quaresima avec un télescope Meade LX200 ACF 16 de 400 mm de diamètre le 4 mars 2016 à 9h54 TU. Il s'agit de l'empilement de... 200000 images prises à 850 nm (IR) au moyen d'une caméra CCD i-Nova MagZero PLA-Mx. Le globe est à 90% illuminé et mesure 5.1" de diamètre. A droite, image obtenue par Roland Christen avec un télescope Astro-Physics Maksutov-Cassegrain de 250 mm f/29.2 équipé d'une caméra CCD Starlight Xpress HX-516. Empilement de 6 images en binning 2x2. Le globe mesure 6.8" de diamètre.

Mercure reste donc un objet difficile à photographier qui avantage les télescopes de plus de 200 mm de diamètre offrant une longue focale afin d'augmenter le grossissement et équipé d'un filtre à contraste orange, bleu ciel ou infrarouge (par ex. Schott de 850 nm).

Structure interne

Etant une planète tellurique, Mercure est totalement sphérique. Sa structure solide empêcha l'aplatissement des régions polaires. Toutefois dans une étude publiée en 2016 dans Nature Geoscience, l'analyse des données transmises par la sonde spatiale Mariner 10[2] en 1974 et plus récemment par Messenger qui photographia Mercure de 2008 à 2015 a permis à l'équipe de Tom Watters du Musée National de l'Air et de l'Espace de Washington de confirmer que la surface de Mercure se contracte, rejoignant ainsi la Terre parmi les planètes présentant une activité tectonique.

Mercure révèle une grande abondance en fer qui représente 75 % de sa masse. En se basant sur sa densité (5.4) et les mesures de sa gravité calculée à partir de la trace radio de la sonde spatiale Messenger, il semble que le noyau de Mercure occupe entre 42-55 % de son volume (contre 17 % pour la Terre), ce qui représente au maximum 85 % du rayon de la planète. Il forme une boule de fer plus grande que la Lune encore partiellement liquide. Au-dessus, un manteau ferreux pauvre en silicates d'environ 500-700 km d'épaisseur fait la jonction avec l'écorce.

A voir : Modèle topographique de Mercure, NASA/USGS

A gauche, structure interne de Mercure. Au centre, modèle topographique de la surface de Mercure (voir l'animation ci-dessus). A droite, des graben (dépressions linéaires étroites) associés à de petits escarpements (les flèches inférieures) et de petites lignes de dépressions de quelques dizaines de mètres de largeur (les flèches supérieures et dans l'encadrement) révélant le soulèvement et la déformation de l'écorce sous l'effet de la pression interne. Documents T.Lombry, NASA/JHUAPL/Carnegie Inst./USGS/U.Az. et NASA/JHUAPL.

Il est très difficile de déterminer l'origine de l'omniprésence du fer sur Mercure. Certains modèles informatiques indiquent qu'une collision catastrophique avec un astéroïde aurait pu vaporiser le manteau rocheux de Mercure, laissant son coeur à nu. C'est la seule hypothèse qui puisse à ce jour expliquer sa structure particulière.

Conditions physiques en surface

Quelles sont les conditions de température et de pression à la surface de Mercure ? Trop peu massive, Mercure n'a pas su conserver son atmosphère. Elle présente une faible pression atmosphérique à peine mesurable de 2x10-9 mb, provoquée par le vent solaire et par un dégazage du sol, gaz composé d'argon et de néon. On a également détecté des traces de potassium et de sodium dont l'origine est probablement interplanétaire.

Sans atmosphère, Mercure subit d'importants écarts de température entre le jour et la nuit. A midi face au Soleil, le sol peut atteindre 430°C pour une température moyenne de 169°C, tandis qu'à quelques pas derrière le terminateur - la ligne qui délimite le jour de la nuit - la température plonge à -193°C, un écart de 600° deux fois plus important que sur la Lune ! Cette différence considérable avec la Lune vient du fait qu'à la distance de Mercure, le côté faisant face au Soleil reçoit dix fois plus d'énergie que la Lune et 6.6 fois plus que la Terre. Sur Mercure l'irradiance solaire est de 9126.6 W/m2.

A gauche, une illustration de 1958 faisant partie d'un ensemble de 88 cartes sur l'espace proposées avec des chewing-gum. Cette carte évoque le grand contraste de température qu'on trouve sur Mercure et ce n'est pas exagéré (pour rappel, un oeuf cuit à partir de 65°C, notamment dans une poêle exposée au Soleil des Tropiques). A droite, les températures minimales et maximales relevées sur Mercure. Document anonyme et T.Lombry.

Bien que la température moyenne sur Mercure soit très élevée, cela n'empêche pas qu'il puisse y avoir des températures glaciales dans les zones à l'abri du Soleil. En effet, comme on le voit ci-dessous, les relevés radars réalisés en 1991 et 1999 grâce radiotélescope d'Arecibo en bande UHF (70 cm de longueur d'onde ou 428.3 MHz) et bande S (12.6 cm de longueur d'onde ou 2.38 GHz) de la région du pôle Nord de Mercure montrent que certains cratères (en jaune) réfléchissent fortement le rayonnement, la principale raison étant la présence probable de glace. Cette donnée fut confirmée entre 2011 et 2015 grâce aux mesures du spectromère à neutrons de la sonde spatiale Messenger qui releva des émissions neutroniques produites par le dégagement de neutrons de la surface de Mercure suite à l'impact des rayons cosmiques. Bien que l'analyse de ces données soit complexe, la vitesse de ces neutrons varie en présence d'hydrogène, et c'est justement ce phénomène qu'ont observé les planétologues dans la région du pôle Nord de Mercure (en rouge).

On a ainsi pu montrer que dépressions et les cratères les plus profonds de Mercure, abrités en permanence du rayonnement solaire contiennent de la glace d'eau. Cette glace est enfouie à quelque dizaine de centimètres sous la surface et la couche glacée pourrait présenter une épaisseur de 20 mètres. Selon une étude publiée en 2017 par David J. Lawrence de l'Université Johns Hopkins et son équipe, elle représentrait une masse comprise entre 100 milliards et 1000 milliards de tonnes de glace (maximum de 3x1015 kg).

A gauche, relevé radar du pôle Nord de Mercure réalisé depuis Arecibo en bande S (2.38 GHz) en 1999. La résolution est de 1.5 km. Les zones brillantes réfléchissant fortement les ondes correspondent à des cratères contenant de la glace. A droite, la combinaison des relevés radars d'Arecibo (jaune) et des relevés neutroniques de la sonde Messenger (rouge) superposés à la carte du pôle Nord de Mercure revèlent les endroits abrité du Soleil et contenant de la glace d'eau. Documents J.Harmon et al./AIC/JPL et NASA/JHUAPL.

Cette découverte a soulevé de nouvelles questions parmi lequelles comment s'est formée cette matière organique sombre et que contient-elle et d'où provient cette glace d'eau. Elle apparaît dans des cratères intrinsèquement sombres mais d'autres sont clairs. On suppose que la surface est localement recouverte de matière carbonée, la même que celle qu'on retrouve sur les comètes (et certains astéroïdes) qui par ailleurs contiennent également de l'eau glacée. Des études préliminaires suggèrent que cette glace pourrrait être remontée en surface à travers des fissures dans le sol de la planète.

La surface de Mercure

Comme le montre la photographie ci-dessus à droite, cette activité interne est bien visible au niveau des petits graben, c'est-à-dire des petites dépressions linéaires associées à de petits escarpements et dans les dépressions de quelques dizaines de mètres qui se forment sous l'effet du soulèvement de l'écorce et restent apparentes malgré le bombardement météoritique permanent. Cette activité est compatible avec l'existence d'un champ magnétique global et le lent refroissement de son noyau (voir plus bas). Par conséquent, il est possible qu'il existe une activité sismique sur Mercure mais elle n'a pas encore été détectée.

Mercure photographiée sous différentes phases entre 2008 et 2009 par la sonde spatiale Messenger. Les couleurs naturelles correspondent à la combinaison des canaux monochromes proche IR (1000 nm), rouge profond (700 nm) et bleu-violet (430 nm). Les couleurs de la dernière image ont été légèrement accentuées pour faire ressortir la nature des différents terrains. La résolution est d'environ 450 m/pixel. Documents NASA/Messenger et NASA/JUAPL/Messenger.

Les photographies de Mercure réalisés par la sonde spatiale Mariner 10 avaient une résolution de 50 mètres mais la sonde n'avait pas eu le temps de photographier toute la surface. La sonde Messenger cartographia la planète dans différents rayonnements avec une résolution de 10 mètres. Messenger se crasha finalement sur la surface de Mercure le 28 avril 2015 à la vitesse de 3890 km/h, créant elle-même un cratère.

Comme on le voit ci-dessous, les photographies révèlent une étonnante ressemblance avec la surface de la Lune. On distingue des cratères de toutes tailles, des collines et des vallées, des fractures, des bassins peu accidentés et des régions très bouleversées. On retrouve sur Mercure les mêmes formations que sur la Lune, les mêmes cratères "à rayons" composés de chaînes de débris ou ayant un pic central, des cratères jeunes et d'autres érodés par les impacts météoritiques.

La surface de Mercure photographiée par la sonde spatiale Messenger entre 2008 et 2015. A gauche, le cratère Kuiper de 62 km de diamètre. Il ressemble en de nombreux points (pics, remparts) aux cratères lunaires Copernic ou Tycho. Au centre, une plaine volcanique située dans l'hémisphère Nord en couleurs accentées (images RGB à 430 et 1000 nm). Dans la partie inférieure droite se trouve le cratère d'impact Mendelssohn de 291 km de diamètre qui fut vraisemblablement comblé par de la lave. Dans la partie inférieure gauche, on distingue également des crêtes formées lors du refroidissement de la lave. A droite, la surface de Mercure également reproduite en couleurs accentuées. La résolution atteint 500 mètres par pixel. Ci-dessous à gauche, une triple chaîne de cratelets dans un cratère d'impact. Au centre, un étonnant double bassin d'impact (l'image s'étend sur 160 km) qui s'est visiblement rempli de lave. Il semble avoir la même origine que le cratère Rachmaninoff. A droite, le bassin de Caloris photographié par Mariner 10. Il mesure 1300 km de diamètre et est entouré de montagnes concentriques qui s'élèvent jusqu'à 2000 m d'altitude. Documents NASA/Mariner 10, NASA/Messenger et NASA/JHUAPL/CIW.

La montagne la plus élevée culmine à 4480 m au dessus du niveau moyen et se situe juste au sud de l'équateur dans l'un des bassins les plus anciens de Mercure. La région la plus basse se situe à 5380 m sous le niveau moyen; il s'agit du bassin de Rachmaninoff, une structure d'impact présentant un curieux double anneau abritant vraisemblablement les dépôts volcaniques les plus récents de la planète. A côté de ces extrêmes, on trouve également des failles qui peuvent s'étendre sur 550 km.

Alors que la surface lunaire compte au moins cinq bassins mesurant plus de 500 km de diamètre, la surface de Mercure ne contient que deux grandes formations : le cratère Rembrandt qui mesure 700 km de diamètre et le bassin de Caloris qui s'étend sur 1300 km. Sinon, la taille moyenne des cratères est inférieure à 20 km.

Mosaïque de photographies obliques de la formation rocheuse au centre du cratère Abedin sur Mercure dont voici une vue générale prise à 22800 km d'altitude. Le fond de ce cratère de 116 km de diamètre situé à 61.7° N et 349.3° E présente une structure complexe d'éjectas solidifiés de roches ayant été liquifées suite à un impact. L'agrandissement montre également de grandes fissures au fond du cratère qui se sont formées au cours du refroidissement. La légère dépression située entre les pics au centre du cratère pourrait être d'origine volcanique. En effet, des images colorisées montrent que cette dépression est entourée de matière rougeâtre qu'on retrouve dans d'autres sites de Mercure présentant un volcanisme explosif. Document NASA/JHUAPL.

Nous verrons danns le prochain chapitre le champ magnétique de Mercure, les prochaines missions spatiales vers la planète la plus proche du Soleil et dirons quelques mots sur les transits de Mercure, un phénomène assez rare pour être mentionné.

Deuxième partie

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[1] Le jour solaire est l'intervalle le temps qui sépare deux passages du Soleil au méridien en un point donné d'une planète.

[2]Concernant les résultats de la mission Mariner 10 vers Vénus et Mercure, lire National Geographic, 147, Jun.1975, p858. Concernant Messenger, le JHUAPL a décrit les "TOP 10 Science Results" de la mission sous forme vidéo.


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