Une vue d'artiste de la sonde Messenger cartographiant Mercure. © Nasa

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Mercure : son noyau ressemblerait à celui de la Terre

ActualitéClassé sous :Astronomie , mercure , noyau liquide

On pensait que Mercure possédait un noyau liquide fait d'un alliage de fer et de nickel pour l'essentiel. Mais les analyses des données de la mission Messenger montrent qu'une partie est solide comme dans le cas de la graine sur Terre.

Avant l'arrivée en 2011 de la sonde Messenger (pour MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Randing), Mercure était l'une des planètes les moins bien connues du Système solaire. Auparavant, seule la sonde Mariner 10, en 1974 et en 1975, avait fait une étude rapprochée de la planète. Cela n'avait pas empêché les planétologues de l'époque de constater que, d'une part, Mercure devait posséder un important noyau ferreux occupant les trois quarts de la planète et d'autre part, qu'un champ magnétique semblable à celui de la Terre, mais cent fois plus faible, était généré par la petite planète.

Que Mercure soit plus riche en éléments lourds et réfractaires que la Terre n'est pas une surprise en soi. C'est ce que prédisent les modèles de formation du Système solaire faisant intervenir un gradient chimique contrôlé par la température décroissante au fur et à mesure que l'on s'éloigne du Soleil. Malgré tout, un tel noyau ferreux laisse à penser que, comme pour le cas de la Terre, il s'est peut-être produit une collision avec une petite planète, ajoutant son propre noyau ferreux à celui de la jeune Mercure.

En revanche, à cause de sa petite taille, Mercure ne devait pas retenir assez de chaleur pour provoquer la fusion d'au moins une partie de son noyau. Il faut en effet nécessairement les mouvements d'un fluide chargé pour induire par effet dynamo le champ magnétique observé. Les calculs indiquaient un noyau complètement solide, ce qui semblait ne pas être le cas. Il y a une dizaine d'années, comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous, l'existence d'un noyau effectivement liquide avait pu être démontrée.

Aujourd'hui, les planétologues apportent un bémol à cette conclusion dans un article publié dans Geophysical Research Letters. Tout comme dans le cas de la Terre, comme l'a montré la première, la géophysicienne danoise Inge Lehman, le cœur de Mercure possède aussi une graine solide.

Une illustration de l'intérieur de Mercure basée sur de nouvelles recherches montrant que la planète possède un noyau interne solide. © Antonio Genova

La mécanique céleste, une clé de la détermination de la structure des planètes

La stratégie déployée pour atteindre cette conclusion repose en partie sur la même idée qui avait conduit à la découverte d'un noyau fluide. Il faut mesurer la vitesse de rotation d'une planète et déterminer son axe de rotation. Il se trouve qu'ils changent dans le temps selon des lois qui ont été découvertes en se basant sur les travaux du mathématicien suisse Euler -- on lui doit en l'occurrence des équations décrivant les mouvements de rotation des corps solides, voire élastiques, via une quantité que l'on appelle le moment d'inertie.

On se rend compte alors que la distribution et les mouvements des masses à l'intérieur d'un objet comme la Terre affectent sa rotation. Influencée par les forces de gravité de la Lune et du Soleil, la Terre va répondre en modifiant sa rotation en fonction de sa structure interne et de la présence de ses océans et de son atmosphère. Au XIXe siècle, une célèbre controverse a jailli sur le caractère fluide ou non de l'intérieur de la Terre et sur le fait qu'il fallait ou non considérer celui-ci comme un solide indéformable ou, au minimum, comme un corps élastique. Laplace, Kelvin et Poincaré se sont penchés sur ces questions et il y eut, finalement, d'importants travaux à ce sujet, auxquels sont associés les noms de Chandler, Newcomb et Love.

La gravimétrie, une fenêtre sur l'intérieur des planètes

Cela a permis d'obtenir une des méthodes utilisées pour déterminer la structure des planètes dans le Système solaire. S'ajoute à cette méthode, celle qui consiste à cartographier aussi précisément que possible le champ de gravité des planètes en déterminant les mouvements d'une sonde effectuant des survols rapprochés.

En effet, la sonde est alors sensible à des sortes de bosses et de creux dans le champ de gravité, bosses et creux qui sont le reflet des distributions des masses dans un corps céleste. Ce type d'étude par gravimétrie a été appliqué depuis longtemps à la Terre avec des satellites et, plus récemment, avec la mission Grail dans le cas de la Lune. En combinant ces deux méthodes, on peut affiner les valeurs des paramètres décrivant un modèle réaliste de l'intérieur d'une planète, et les ajuster de manière à reproduire les mouvements observés. Pour Mercure, il s'agissait donc de variations de sa vitesse de rotation, de changements de son axe de rotation et des mouvements de Messenger en orbite.

Les analyses des données de la sonde ont nourri un ordinateur permettant de résoudre un problème inverse -- comme disent les géophysiciens --, c'est-à-dire de remonter aux caractéristiques de la source d'un signal à partir de celles du signal. Dans le cas présent, on sait désormais que Mercure possède un noyau solide en fer d'environ 2.000 kilomètres de large et qu'il constitue environ la moitié du noyau total de Mercure (de près de 4.000 kilomètres de diamètre). En comparaison, le noyau solide de la Terre est d'environ 2.400 kilomètres, occupant un peu plus du tiers du noyau entier de la planète bleue.

  • La mécanique des solides, qui peuvent être élastiques, est décrite par les équations d'Euler et ces équations mettent en relation, via le calcul du moment d'inertie d'un corps solide, sa structure interne et de possibles modifications de sa vitesse de rotation ainsi que de son axe de rotation.
  • On peut se servir de ces modifications mesurées pour avoir des renseignements sur la structure interne d'une planète, par exemple pour savoir si elle a un noyau fluide.
  • Les mesures du champ de gravité d'une planète, à l'aide des mouvements d'un satellite ou d'une sonde sur des orbites basses, permet aussi de caractériser l'intérieur d'une planète.
  • En utilisant les mesures de la sonde Messenger, on vient de démontrer que le noyau de Mercure comportait une partie liquide et une autre solide, comme pour la Terre.
Pour en savoir plus

Mercure possède bien un noyau liquide !

Article de Jean Etienne p

Des observations radioastronomiques viennent de résoudre un des mystères les plus tenaces du Système solaire : la planète Mercure possède bien un cœur liquide, et non un noyau solide riche en fer comme on le pensait jusqu'à présent.

Alors que les astrophysiciens étaient convaincus que Mercure était bien trop petite pour avoir un noyau liquide à l'instar de la Terre, ses faibles dimensions l'ayant amenée à refroidir rapidement malgré sa proximité au Soleil, c'est avec surprise qu'ils avaient constaté que la sonde Mariner 10 y avait détecté un faible champ magnétique lors de ses trois passages en 1974 et 1975.

Or, même si ce champ est approximativement 100 fois plus faible que celui de la Terre, il ne peut être engendré que par un cœur liquide dont la vitesse de rotation est légèrement différente de celle du reste de la planète. Restait à vérifier ce fait, et beaucoup de chercheurs estimaient que cela ne pourrait être mis en évidence avant le premier atterrissage d'une sonde sur le sol de Mercure.

Mais à partir de 2002, les astronomes ont commencé à diriger certaines antennes vers la planète, dont le radiotélescope de 70 mètres de Goldstone, en Californie. A 18 reprises durant les cinq dernières années, celui-ci a sondé Mercure, ses signaux étant reçus en retour 10 minutes plus tard, ainsi que par l'observatoire de Green Bank en Virginie occidentale. Ces données ont permis de définir la vitesse de rotation de Mercure avec une précision d'un millième de pourcent, et de mettre en évidence de faibles fluctuations incompatibles avec un noyau rocheux, mais explicables par l'influence d'un cœur liquide animé d'un mouvement propre. Cet effet a encore été confirmé par des observations radar obtenues depuis le radiotélescope géant (300 mètres de diamètre) d'Arecibo, à Porto Rico.

Le radiotélescope de Goldstone, en Californie, utilisé par le réseau DSN (Deep Space Network) du JPL. Crédit : JPL.

Mais la découverte d'un noyau liquide implique aussi la présence d'un élément plus léger que le fer, dont il est principalement constitué, afin d'en abaisser le point de fusion. Les astronomes pensent qu'il pourrait s'agir de soufre, ou encore d'autres produits chimiques, qui auraient pu se mélanger au matériau durant la formation de la planète.

"La composition chimique du noyau du mercure peut fournir des indices importants au sujet des processus engagés dans la formation des planètes," déclare Jean-Luc Margot, de l'université Cornell, Ithaca (USA). "Cette étape est fondamentale à la compréhension de la manière dont les planètes semblables à la nôtre, et donc potentiellement habitables, se forment et évoluent", poursuit-il.

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