La glace de Mercure toujours mieux caractérisée

Des données radar depuis la Terre puis des mesures en orbite par la sonde MESSENGER avaient révélé il y a près de 10 ans que les cratères des pôles de Mercure abritaient de la glace d'eau quasi pure. Aujourd'hui, des chercheurs ont analysé de près plusieurs cratères de Mercure qui offrent des régions ombragées en permanence, avec le radiotélescope d'Arecibo peu de temps avant qu'il ne s'effondre. Il y a bien de la glace d'eau dans plusieurs cratères de Mercure et on peut même mesurer sa pureté. Leur étude est publiée dans The Planetary Science Journal.

La durée de vie du neutron mesurée autour de Mercure et Vénus

Quelle est la durée de vie du neutron ? Cette question peut paraître simple au premier abord, mais les deux méthodes expérimentales qui ont été développées pour la mesurer ne trouvent pas la même valeur : il y a 9 secondes d'écart, ce qui est considérable du fait des incertitudes respectives des deux types de mesures. Mais des physiciens viennent de démontrer la faisabilité d'une troisième méthode, indépendante des deux autres, pour mesurer la durée de vie du neutron : en détectant en orbite les neutrons qui sont émis par Mercure ou Vénus, issus de réactions de rayons cosmiques. Une étude parue dans le nouveau journal en open access Physical Review Research. 

Le mouvement de Mercure pour sonder les lois physiques fondamentales

Toutes les planètes de notre système solaire sont en train de s'éloigner du Soleil. Pour la Terre, au rythme de 1,5 cm par an. La cause de ce phénomène est que le Soleil perd de la masse, comme des mesures de la sonde MESSENGER autour de Mercure viennent de le démontrer, en même temps qu'elle a vérifié des paramètres physiques fondamentaux.

Nouvelles détections de glace au pôle nord de Mercure

La température extrême régnant à la surface de Mercure (plus de 400° C) paraît improbable pour y trouver de la glace d'eau, mais de nombreux indices, mesures indirectes ou directes, ont montré depuis une trentaine d'année que de la glace peut se cacher au fond de cratères qui ne sont jamais exposés au rayonnement solaire. Trois nouveaux cratères viennent d'être identifiés avec un contenu qui ressemble très fortement à de la glace, ce qui laisse penser qu'elle pourrait être encore plus présente sur Mercure que ce que les spécialistes imaginaient.

Comment observer le passage de Mercure devant le Soleil

Lundi 9 mai, Mercure passe devant le Soleil. Ce phénomène assez rare se reproduira en 2019 puis en 2032. Il sera observable durant toute l'après-midi à partir de 13h05, heure à laquelle Mercure entre sur le disque solaire, jusqu'au coucher de notre étoile.

ATTENTION! NE REGARDEZ JAMAIS LE SOLEIL DIRECTEMENT AVEC DES JUMELLES, VOUS VOUS BRULERIEZ LES YEUX! 

La seule méthode à utiliser si vous ne possédez pas de filtre spécial solaire (en vente dans les magasins d'astronomie), c'est de projeter l'image du soleil sur une feuille blanche.

Pour ce faire, placez vos jumelles en direction du soleil (MAIS NE REGARDEZ PAS DEDANS) et repérez le rond de lumière qui se forme sur le sol (vous pouvez vous aider en mettant votre main en sortie des jumelles pour suivre le rond de lumière intense). Boucher l'un des deux objectifs de manière à ne projeter qu'une seule image.

Placez une feuille blanche à une distance suffisante pour que le disque solaire forme un rond de 10 à 20 cm (la largeur d'une feuille A4 au maximum) sur la feuille. Il suffit de reculer les jumelles pour faire grossir le disque solaire sur la feuille...

Mercure formera un petit rond noir, vraiment petit... Pour vous rendre compte de ce à quoi il faut s'attendre, regardez cette simulation effectuée avec Stellarium, avec une accélération du temps : 

Bon ciel, et bonne observation ! 

Le très ancien champ magnétique de Mercure

Même si la sonde américaine MESSENGER a terminé sa mission il y a quelques semaines en s’écrasant sur Mercure, les données qu’elle a recueillies ces dernières années continuent à être exploitées et analysées. C’est le cas par exemple encore aujourd’hui avec la publication d’une étude concluant à l’existence d’un champ magnétique très ancien sur Mercure.

MESSENGER (Mercury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging), était dotée d’un magnétomètre permettant de mesurer le champ magnétique. Ce sont les données de cet instrument que l’équipe de Catherine Johnson de l’université de Colombie Britannique à Vancouver, ont exploité pour étudier le champ magnétique issu de la croûte de Mercure.  En regardant de près le champ magnétique mesuré quand MESSENGER n’était qu’à seulement 150 km d’altitude, les chercheurs démontrent l’existence d’une magnétisation rémanante de la croûte de Mercure, qui signe l’existence d’un champ magnétique global produit par un processus de type dynamo apparaissant dans les couches externes du cœur fluide de la planète, et qu’il devait déjà exister il y a 3,7 milliards d’années.

Vue d'artiste de Messenger (NASA/Johns Hopkins University)

Il faut se rappeler que Mercure est la seule planète tellurique, avec la Terre, à posséder un champ magnétique issu d’un phénomène de dynamo interne. Ce champ est beaucoup plus faible que le nôtre, son intensité ne dépassant pas 1% de celle du champ magnétique terrestre. Il a la particularité d’être de symétrie axiale, mais asymétrique vis-à-vis de l’équateur, indiquant une asymétrie nord-sud dans la dynamo interne.

On connaît l’existence de ce champ magnétique depuis quelques décennies, depuis que l’on envoie des sondes autour de Mercure, mais sans pouvoir savoir si ce champ à toujours existé ou depuis combien de temps il existe. C’est justement à cette question que Johnson et ses collègues viennent de répondre, ce qui permet par ailleurs de mieux connaître l’évolution interne de la planète.

Pour savoir que le champ magnétique de Mercure existait déjà il y plus de 3 milliards d’années, les planétologues ont utilisé une astuce qui est fondée sur l’existence de roches magnétisées dans la croûte de Mercure. Ces roches ont acquis leur aimantation lorsqu’elles étaient en fusion et qu’elles se sont refroidies : en cristallisant, les particules ferriques ont conservé l’orientation qu’elles avaient naturellement prises en présence du champ magnétique externe. Ces roches magnétisées produisent leur propre champ magnétique, qui est au départ aligné avec le champ magnétique environnant. La subtilité qu’ont su exploiter les chercheurs est que ces roches dans leur longue durée de vie ont subi diverses altérations, comme des activités tectoniques, des réchauffements, ou encore des chocs ou des réactions chimiques, altérant de fait leur aimantation et donc l’intensité ou la direction du champ magnétique interne produit. Toutes ses variations en intensité, en direction, ou bien en épaisseur ou profondeur de couches rocheuses produisent au final des anomalies magnétiques qui peuvent être détectées à 150 km d’altitude par le magnétomètre très sensible de MESSENGER.

Entre 2011 et 2014, aucune anomalie magnétique n’a pu être mesurée par la sonde, ce n’est qu’à partir d’avril 2014 que MESSENGER est descendu sur une orbite à moins de 200 km d’altitude et a commencé à mesurer des variations anormales du champ magnétique. Ces variations ont une intensité très faible, de l’ordre de quelques dizaines de nanoteslas, mais suffisent à conclure clairement à l’existence d’un champ magnétique à l’époque très reculée de la cristallisation des couches rocheuses étudiées.

Les astronomes ont depuis de nombreuses années construit des modèles thermiques de Mercure. Parmi les deux processus pouvant être à l’origine de l’apparition d’un phénomène de dynamo, l’un a pris fin il y a 3,9 milliards d’années et le second a débuté il y a 3,7 milliards d’années. Le premier est la phase de refroidissement superadiabatique du cœur liquide, et le second la formation des couches internes du cœur, associée à des effets de refroidissement et de convection.

Les planétologues en concluent donc que le champ magnétique de Mercure a, dans tous les cas, au moins 3,7 milliards d’années, et qu’il existait potentiellement encore plus tôt.

Source :

Low-altitude magnetic field measurements by MESSENGER reveal Mercury’s ancient crustal field

Catherine Johnson et al.

Science Vol. 348 no. 6237 pp. 892-895 (22 May 2015)

Comment MESSENGER a Trouvé de l'Eau sur Mercure

Est-ce une grande nouvelle ? De la glace d'eau sur Mercure, la planète la plus brûlante du système solaire, rendez-vous compte! Il n'y a en fait rien d'étonnant à trouver de la glace sur une planète si chaude. 

En effet, Mercure, bien que très proche du Soleil, possède la caractéristique d'avoir son axe de rotation presque parfaitement orthogonal à son plan de révolution autour du soleil. Un cratère un peu profond situé au niveau de l'un des pôles voit donc son fond rester perpétuellement dans l'ombre. 

MESSENGER et Mercure (vue d'artiste)

Qui plus est, Mercure, à cause de sa taille et sa position près du Soleil, ne possède aucune atmosphère, ce qui fait qu'il n'y a aucune convection possible : la chaleur produite sur la surface éclairée ne peut se propager que par conduction dans la croûte, et elle ne dégage pas de chaleur interne.

La possibilité de l'existence de glace d'eau aux poles de Mercure pour ces raisons avait été inférée depuis longtemps, et c'est en 1992 déjà que des mesures radars par le radiotélescope d'Arecibo, avaient montré des signes de dépôts de glace au pôle Nord de Mercure.

La sonde MESSENGER (MErcury Surface, Space Environment Geochemistry and Ranging) actuellement en orbite autour de Mercure vient juste de confirmer les données antérieures avec une méthode différente, ce qui permet d'affirmer maintenant qu'il s'agit bien de composés fortement hydrogénés qui se trouvent au pôle nord mercurien.

Quelle technique a utilisé MESSENGER (et surtout les scientifiques qui sont derrière ce projet) pour détecter des petites quantités d'eau en survolant Mercure à plusieurs milliers de kilomètres ? C'est ce que vais tenter de vous expliquer. 

Pôle Nord de Mercure, en jaune : présence de glace d'eau (NASA)

MESSENGER est équipé d'un instrument de mesure nucléaire qu'on appelle un Spectromètre Neutronique. Ce spectromètre compte le nombre de neutrons qui arrivent au niveau de la sonde en provenance de la planète, en les classant en fonction de leur énergie. Les neutrons sont classés en familles en fonction de leur énergie cinétique, on parle de neutrons froids (E< 0,005 eV), de neutrons thermiques (0,005< E < 0,5 eV), de neutrons épithermiques (0,5 eV < E < 10 keV), de neutrons intermédiaires (10 keV < E < 1 MeV) et de neutrons rapides (E > 1 MeV).

Le spectromètre neutronique embarqué sur MESSENGER est à la pointe technologique de ce qui se fait dans le domaine, il permet de mesurer à la fois trois plages d'énergies de neutrons : thermiques, épithermiques et rapides. Il est constitué d'une sorte de sandwich de trois scintillateurs : deux verres dopés au Lithium, qui permettent de détecter et séparer les neutrons thermiques et épithermiques, et un scintillateur plastique dopé au Bore entouré d'une coque de gadolinium, qui permet de mesurer les neutrons épithermiques (de manière redondante et indépendante des deux premiers scintillateurs) ainsi que les neutrons rapides après avoir été ralentis dans la matrice plastique.

Des neutrons proviennent naturellement de la surface de Mercure. Ils sont produits notamment par des réactions du rayonnement cosmique (essentiellement venant du soleil proche) dans la croûte de Mercure, jusqu'à une petite profondeur.

Ces neutrons cosmogéniques peuvent avoir une énergie assez élevée, ce sont  principalement des neutrons rapides et ils arrivent sur MESSENGER environ à un taux de 10 par seconde. 

Production de neutrons sur Mercure par les rayons cosmiques (I.G. Mitrofanov et al.)

Et ce qui fait ralentir les neutrons, en leur faisant perdre de l'énergie cinétique, ce sont des collisions avec les noyaux d'atome qu'ils rencontrent sur leur passage. Et vous devinez quoi ? L'atome qui a le plus grand pouvoir de diffusion (de ralentissement) sur les neutrons, c'est l'hydrogène !

Mesurer le nombre de neutrons qui ont été ralentis permet ainsi d'évaluer la quantité d'hydrogène présente. C'est aussi simple que ça. Le spectromètre neutronique de MESSENGER enregistre ainsi le nombre de neutrons dans chaque gamme d'énergie en fonction des zones qu'il survole, et à partir des données spectrales (le nombre de coups détectés dans les scintillateurs en fonction de l'énergie), on peut fabriquer une cartographie de l'hydrogène sur la surface de Mercure.

Le lien entre hydrogène et eau est relativement aisé à faire ensuite, la molécule d'eau, (comportant deux atomes d'hydrogène) étant la forme chimique hydrogénée la plus probable sur ce type de planète.

Le spectromètre neutronique de MESSENGER (NASA)

Les mesures peuvent même fournir des informations très détaillées sur les épaisseurs de matière hydrogénée détectées.

Par exemple, les données analysées par l'équipe qui publie ce résultat dans Science aujourd’hui indiquent que la couche riche en hydrogène (qui serait de la glace d’eau pure) ferait plusieurs dizaines de centimètres, et serait située en dessous d'une autre couche de 10 à 20 centimètres qui, elle, ne contiendrait pas plus de 25% d'hydrogène.

Ensuite, par extrapolation, les planétologues calculent une masse totale de glace d'eau présente sur Mercure et arrivent à une valeur comprise entre 20 milliards et 1000 milliards de tonnes, ce qui est selon eux tout à fait cohérent avec ce qu'on attendrait par l'apport de comètes et d'astéroides venus s'écraser sur Mercure.

1000 milliards de tonnes (ou de mètres cubes, c'est équivalent) ne représente qu'un gros iceberg cubique de 10 km, pas grand chose à l'échelle d'une planète, même la plus petite de notre système solaire...

Référence :

Evidence for Water Ice Near Mercury's North Pole from MESSENGER Neutron Spectrometer Measurements

David J. Lawrence et al.

Science (November 29 2012)

Mercure, Planète de Fer !

On vient d'en apprendre un peu plus sur Mercure, cette petite (4878 km de diamètre) planète brûlante par sa proximité du Soleil. Une sonde est actuellement en train de tourner autour, de son petit nom MESSENGER. Et une équipe américaine a utilisé MESSENGER avec une méthode très particulière pour en déduire la nature de l'intérieur de la planète Mercure.

Cette méthode a consisté à suivre le plus précisément possible la trajectoire de la sonde au cours de ses orbites autour de la planète par suivi radio. Pour cela, les grandes oreilles de la NASA ont été déployées (le réseau Deep Space Network (DSN) écoutant ce qui se passe à 8 GHz en direction de Mercure).

Cartographie altimétrique de Mercure (NASA, Science)

De ces données de positions, les astrophysiciens ont recalculé le champ de gravitation de la planète produisant les mouvements observés. Ainsi, associées à des données connues sur la topologie et la rotation de Mercure, de grandes anomalies gravitationnelles ont pu être mises en évidence dans l'hémisphère Nord de la planète. Smith et al.  ont réussi à montrer que la croûte de Mercure était plus épaisse à l'équateur qu'aux pôles par exemple. 

Mieux : grâce à ces données, les chercheurs ont mesuré le moment d'inertie de la planète et surtout le rapport du moment d'inertie de la couche solide externe sur celui des couches internes. Ils en déduisent un modèle pour la distribution radiale de la densité de Mercure.

La découverte qu'ils ont faite est que le cœur de fer de Mercure semble bien plus gros que ce qu'on pensait généralement. Il représenterait 85% du rayon. Mercure est presque entièrement une planète de fer !

Ce gros noyau de fer serait en grande partie liquide, avec un cœur probablement solide. Il est entouré par une couche pas très épaisse de sulfure de fer…

Mais MESSENGER possède également à bord ses propres instruments de mesure pour étudier la surface de Mercure, et notamment un laser qui lui permet de mesurer l'altimétrie, c'est-à-dire le relief de la planète. L'hémisphère Nord de Mercure a été cartographié de cette manière et les résultats indiquent que Mercure est finalement très plate.

Son relief est par exemple bien moins accidenté que celui de Mars ou de la Lune. Les chercheurs de l'équipe de Maria Zuber du MIT ont montré que le bassin d'impact Caloris (1500 km de diamètre) a subi une lente élévation et montre une très faible pente quasi linéaire qui s'étend sur près de la moitié de la circonférence de Mercure aux latitudes moyennes…

Ces premiers résultats concernent principalement l'Hémisphère Nord de Mercure. On attend maintenant d'autres données concernant son hémisphère Sud, MESSENGER tourne en effet dans une orbite Nord-Sud depuis un an maintenant et les données affluent chaque jour... 

Sources :

Gravity Field and Internal Structure of Mercury from MESSENGER

David E. Smith et al.

Science 21 March 2012

What lies beneath Mercury's surface 

Nature 483, 513  (29 March 2012)

Topography of the Northern Hemisphere of Mercury from MESSENGER Laser Altimetry

Maria Zuber et al.

Science 21 March 2012