Une vue de la surface de Mercure prise par la sonde Messenger. © Nasa, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Carnegie Institution of Washington

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Comment de la glace peut-elle se former sur Mercure ?

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Tout comme la Lune, Mercure possède des cratères polaires perpétuellement dans l'ombre où de la glace se trouve piégée. La démonstration en a été apportée par les mesures de la sonde Messenger, mais les chercheurs avaient du mal à comprendre pourquoi le signal observé était plus net que sur notre satellite naturel. Deux chimistes ont peut-être trouvé la clé de l'énigme.

Comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous, la sonde Mariner 10 a été la première à réaliser des survols rapprochés de la planète Mercure en 1974 et 1975. Il faudra attendre 2011 pour qu'une autre sonde fasse de même en se mettant d'ailleurs en plus en orbite autour de Mercure. Il s'agissait de la mission Messenger de la Nasa, et l'ESA se prépare à prendre la relève depuis le lancement de la sonde BepiColombo.

Les photos prises par Mariner et Messenger ont montré que la surface de Mercure ressemblait beaucoup à celle de la Lune. Or, on pense que dans le fond de certains cratères de notre satellite, situés non loin de ses pôles, il existe des zones dans la nuit depuis des millions voire des milliards d'années. Les températures y sont donc très basses, ce qui permettrait à de la vapeur d'eau de se transformer en glace directement par condensation. On a donc cherché cette glace sur la Lune et la sonde indienne Chandrayaan-1, en particulier, semble en avoir trouvé. D'où viendrait cette eau ? Des nombreuses comètes qui sont entrées en collision avec la Lune depuis des milliards d'années mais aussi de certains astéroïdes qui ont aussi apporté de l'eau sur Terre.

Une nouvelle mission appelée BepiColombo est en voyage pour aller étudier la planète Mercure, l'une des contrées les plus étranges de notre Système solaire. Des scientifiques européens notamment tentent d'en percer les mystères. © European Space Agency, ESA

On s'attendait donc à en trouver sur Mercure dans le fond de certains cratères également aux pôles et pour les mêmes raisons. Et de fait, il y a presque 30 ans, toujours comme l'expliquait Futura précédemment, une étude conjointe menée avec les radiotélescopes d'Arecibo, de Goldstone et du Very Large Array (VLA) avait montré que des régions des pôles de Mercure possédaient une réflectivité radar anormale, mais qui s'expliquait bien avec la présence de glace d'eau. La sonde Messenger allait confirmer cette présence mais en même temps rendre les planétologues perplexes. Il y avait un peu plus de glace que celle estimée sur la Lune. Surtout, le signal de sa présence dans les cratères de Mercure était beaucoup plus net et convaincant.

De l'eau produite indirectement par le vent solaire

Mais pourquoi une telle différence alors que les deux corps célestes ont des caractéristiques comparables ? Selon Thomas Orlando et Brant Jones de la Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry (États-Unis) et comme ils l'expliquent dans un article à paraître dans Astrophysical Journal Letters, tout vient de la combinaison des différences de températures extrêmes entre le jour et la nuit sur Mercure avec le bombardement cosmique des protons du vent solaire.

On sait que certains minéraux dans le sol à la surface de Mercure, tout comme celui de la Lune, contiennent ce qu'on appelle des groupes hydroxyles (OH-), qui sont dans le cas présent générés principalement par les protons du vent solaire. Plusieurs minéraux sur Terre contiennent de tels ions, par exemple la ringwoodite du manteau de notre Planète qui est composée à 1,5 % d'eau sous forme d'ions OH- piégés dans sa structure cristalline.

Selon les deux chercheurs, la température moyenne de jour sur Mercure étant d'environ 400 °C, les études qu'ils ont menées dans un simulateur des conditions sur Mercure montrent que contrairement au cas de la Lune, beaucoup de groupes OH- sont libérés et peuvent se combiner pour donner des molécules d'eau. La vapeur flotte au-dessus de Mercure, une partie des molécules est dissociée par le rayonnement UV solaire mais une autre peut rejoindre les pôles et ainsi peut se condenser dans les régions froides de Mercure où la température peut descendre à -200 °C.

Selon Brant Jones : « Nous supposons que la quantité totale qui deviendrait de la glace serait de 10 milliards de tonnes sur une période d'environ 3 millions d'années ».

Sur cette photo d'un pôle de Mercure, on a représenté en jaune les zones où le radiotélescope d'Arecibo avait détecté des signatures de la présence de glace. La sonde Messenger en a apporté de nouvelles preuves. © Nasa, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Carnegie Institution of Washington
  • Tout comme la Lune, Mercure possède des cratères polaires perpétuellement dans l’ombre où de la glace se trouve piégée. La démonstration en a été apportée par les mesures de la sonde Messenger.
  • Une partie de cette glace ne viendrait pas des comètes tombées sur Mercure mais de la planète elle-même.
  • Certains minéraux dans le sol, à la surface de Mercure, contiennent ce qu'on appelle des groupes hydroxyles (OH-), qui sont dans le cas présent générés principalement par les protons du vent solaire.
  • La température moyenne de jour sur Mercure étant d’environ 400 °C, beaucoup de groupes OH- seraient libérés et se combineraient pour donner des molécules d’eau. Une partie de cette vapeur peut rejoindre les pôles et ainsi peut se condenser dans les régions froides de Mercure où la température peut descendre à -200 °C.
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Pour en savoir plus

Messenger le prouve, il y a bien de la glace sur Mercure !

Article de Laurent Sacco publié le 03/12/2012

Tout comme la Lune, Mercure possède des cratères polaires perpétuellement dans l'ombre où de la glace pourrait se trouver piégée. Voilà 20 ans, des observations conduites notamment avec le radiotélescope d'Arecibo laissaient penser que c'était bien le cas. La démonstration vient d'être apportée par les mesures de la sonde Messenger.

La sonde Mariner 10 avait été la première à réaliser des survols rapprochés de la planète Mercure de 1974 à 1975. Malheureusement, elle n'avait pas examiné toute la surface de la planète et avait délaissé notamment les pôles, laissant sans réponse une question que l'on se posait déjà pour les cratères situés aux pôles de la Lune.

Bien que la température en plein Soleil à l'équateur sur Mercure (700 kelvins) soit suffisante pour faire fondre l'étain et le zinc, elle devrait chuter considérablement dans l'ombre des cratères. Or, du fait de la faible inclinaison de son axe de rotation par rapport à son orbite, les pôles de Mercure devaient posséder des cratères dont les fonds sont plongés dans l'ombre depuis peut-être des milliards d'années.

De la glace sur Mercure trahie par des ondes radars 

Les calculs indiquaient depuis longtemps que de la glace d'eau provenant des impacts des comètes et des micrométéorites sur la surface de Mercure pouvait se trouver piégée dans ces cratères et y rester stable, sans se sublimer, malgré l'absence d'atmosphère.

La sonde Messenger en train de dresser une carte en fausses couleurs de la surface de Mercure. Elle a effectué un survol complet de la planète. © Nasa, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Carnegie Institution of Washington

Voilà plus de 20 ans, une étude conjointe menée avec les radiotélescopes d'Arecibo, de Goldstone et du Very Large Array (VLA) avait montré que des régions des pôles de Mercure possédaient une réflectivité anormale mais qui s'expliquerait avec la présence de glace d'eau. Pour en avoir le cœur net, il fallait retourner sur Mercure, et c'est ce qui a été accompli grâce au lancement de la sonde Messenger en 2004.

En orbite autour de Mercure depuis 2011, elle a rendu possible une cartographie de toute la surface de la planète et surtout un survol de ses pôles. Ce qui a permis d'utiliser plusieurs instruments aptes à résoudre l'énigme des régions brillantes détectées au radar par le radiotélescope d'Arecibo. Les planétologues ont ainsi constaté que ces zones se trouvaient effectivement associées à des fonds de cratères perpétuellement dans l'ombre depuis des temps immémoriaux.

Sur cette carte en fausses couleurs du champ des températures au pôle nord de Mercure, on voit clairement les fonds de cratères où la température est inférieure à -100 °C (zones bleues et mauves). C'est dans ces cratères que l'on a détecté de la glace d'eau. © Nasa, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Carnegie Institution of Washington

Des millions de flashs laser dans le domaine de l'infrarouge proche émis en direction de la surface de Mercure par le Mercury Laser Altimeter (MLA) de Messenger ont permis d'enfoncer le clou. Tout d'abord, ces flashs ont servi à dresser une carte de la topographie de Mercure, laquelle a permis de déduire le champ des températures de surface de la planète. Ensuite, les flashs ont confirmé l'existence de zones anormalement brillantes précisément là où une signature de la présence de glace en surface avait été obtenue avec les ondes radar.

Des neutrons révèlent la présence d'eau sur Mercure

Mais c'est la mesure du flux de neutrons en provenance de la surface des pôles qui a probablement levé les derniers doutes quant à la présence de glace. En effet, le bombardement des rayons cosmiques provoque en réaction l'émission de neutrons par les atomes de la croûte de Mercure.

Sur ces illustrations, on voit le principe de la détection de la glace (ice) au fond des cratères de Mercure. Les rayons cosmiques (cosmic rays) génèrent un flux de neutrons dans la croûte de Mercure. Ce flux est amoindri par une couche de glace et de matériaux organiques en surface. © Nasa, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Carnegie Institution of Washington

Or, les atomes d'hydrogène agissent comme des sortes de filtres pour le flux de neutrons issu de la croûte provoqué par les rayons cosmiques. Remarquablement, il est possible d'utiliser les mesures des caractéristiques de ce flux, plus précisément sa diminution d'intensité, pour en déduire non seulement la présence d'une couche de glace ou de molécules organiques riches en atomes d'hydrogène, mais aussi l'épaisseur de ces couches.

Des couches de glace et de matériaux organiques aux pôles

En joignant les mesures des flux de neutrons aux mesures précédentes, les chercheurs de la Nasa ont finalement déterminé qu'aux zones brillantes détectées à Arecibo correspondaient bien des couches de glace, parfois recouvertes par quelques dizaines de centimètres de matériaux moins brillants et moins riches en hydrogène, agissant comme des isolants thermiques.

Aussi paradoxal que cela puisse paraître, il y a bien de la glace sur Mercure, la planète la plus proche du Soleil. Trois articles publiés dans Science le prouvent désormais...

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