Lancement de BepiColombo vers Mercure. © ESA
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L’atmosphère primitive de Mercure aurait-elle eu un impact sur la composition globale de la planète ?

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Une équipe de chercheurs de l'université de Berne a cherché à modéliser l'atmosphère primitive de Mercure, créée par l'évaporation de l'océan de magma de la jeune planète. L'échappement de cette atmosphère vers l'espace, via divers processus, aurait pu avoir un impact sur la composition globale de la planète.

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Mercure est une planète plutôt atypique : avec un rayon de 2.440 kilomètres, c'est la plus petite planète du Système solaire, et également la plus proche du Soleil. Elle a la particularité d'être en résonance spin-orbite 3:2, signifiant qu'elle tourne sur son axe trois fois toutes les deux révolutions autour du Soleil. Ainsi, sa température en surface varie de 430 °C sur le côté jour, à -170 °C pour la face nocturne. Bien que l'on considère souvent que Mercure soit entièrement dépourvue d'atmosphère, il y a encore des traces d'une atmosphère extrêmement ténue (la Nasa estime que la pression à la surface est de l'ordre de 10-15 Pa, soit presque négligeable), qui serait continuellement perdue vers l'espace et réapprovisionnée par des sources internes.

Une atmosphère beaucoup plus dense dans les premiers instants de vie de la planète ?

Mais, d'après une nouvelle étude réalisée par des chercheurs de l'université de Berne, l'atmosphère de Mercure aurait pu être bien plus dense dans les phases primitives de l'histoire de la planète. Leur modèle suggère que Mercure avait un océan de magma à sa surface au début de sa formation, qui se serait évaporé sous l'effet des températures extrêmement élevées.  

L'existence de cet océan de magma n'est pas vraiment débattue : c'est en effet un phénomène assez commun dans les premières phases de vie d'une planète, car elle est soumise à des impacts d'accrétion vers la fin de sa formation qui, combinés à la désintégration de ses éléments radioactifs, libèrent de grandes quantités d'énergie, et faisant fondre la surface de la planète. En raison des températures extrêmes qui régnaient à cette époque (les modèles indiquent une température de surface pouvant atteindre 2.400 Kelvins), une partie de cet océan se serait évaporée pour former une atmosphère. Dans leur modèle, l'équipe de chercheurs étudie séparément les comportements des éléments volatils, comme le dioxyde de carbone, l'hydrogène ou encore l'eau, des comportements d'éléments moins volatils tels que le silicium, le sodium ou encore le fer : en effet, ces derniers ne peuvent exister sous forme gazeuse (comme le monoxyde de silicium, SiO) qu'à des températures extrêmement élevées.

Une perte de l’atmosphère à l’origine d’une perte en masse de Mercure ?

L'équipe a ensuite cherché à déterminer l'effet de l'évaporation de l'océan vers l'atmosphère, et de l'échappement de cette atmosphère, soit vers l'espace, soit vers la planète, sur la perte de masse globale du système. Ils pointent du doigt trois grands mécanismes : l'effet du vent solaire sur l'atmosphère, l'échappement hydrodynamique (photoévaporation d'espèces atmosphériques à partir de photons solaires de très hautes énergies), et la photo-ionisation (production d'ions sous l'effet des photons). 

Les différents processus amenant à une perte de masse, en fonction des différentes couches atmosphériques. « Rp » correspond au rayon de la planète, « z_exo » à l'altitude de l'exobase, « z_hom » à l'altitude de l'homopause, et « z_abs » à l'altitude d'absorption. © Noah Jäggi et al 2021 Planet, Sci

Dans leurs deux modèles - l'un avec une atmosphère composée d'éléments volatils, l'autre avec une atmosphère composée d'éléments non volatils -, les scientifiques ont été surpris d'observer que les pertes de masse totales dues à l'échappement de l'atmosphère étaient très semblables (entre 1 et 4 milliards de kilogrammes par seconde). En considérant que l'océan magma ne contribuait plus à la production d'atmosphère à partir du moment où il cristallisait (soit à environ 1.500 K), l'équipe en a déduit une échelle temporelle du modèle inférieure à une dizaine de milliers d'années, et donc une masse totale perdue représentant environ 0,3 % de la masse initiale de Mercure, soit un peu plus de deux kilomètres de croûte.

Il s'avère alors que bien que l'existence fortement éphémère de cette atmosphère ait réellement eu un effet sur la masse de la planète, elle ne semble en revanche pas avoir impacté la composition globale de Mercure. Les scientifiques espéraient d'ailleurs expliquer avec leur modèle les concentrations assez élevées de sodium (non volatil) à la surface de la planète, et suspectent désormais que ces concentrations aient été héritées de l'environnement d'accrétion de Mercure très proche du Soleil.

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