Vue d'artiste de l'impact géant qui aurait donné naissance à Phobos et Deimos et au Bassin boréal. L'impacteur devait faire environ le tiers de la taille de Mars dans le cadre de la simulation faite il y a quelques années et qui est donc aujourd'hui questionnée par une autre ne nécessitant pas un impacteur d'aussi grande taille. À cette époque, la Planète rouge était jeune et possédait peut-être une atmosphère plus épaisse et de l'eau liquide en surface. © Université Paris Diderot, Labex UnivEarthS

Sciences

Les lunes de Mars, Phobos et Deimos, seraient bien nées d'un impact

ActualitéClassé sous :Système solaire , mars , étude de Mars

De nouvelles simulations conduites par l'astrophysicienne Robin Canup, qui a aidé à accréditer le modèle de l'impact géant pour expliquer l'origine de la Lune, renforcent un scénario proposé pour expliquer l'origine des lunes de Mars. La Planète rouge serait ainsi entrée en collision avec un corps céleste de la taille de Vesta ou Cérès.

Les deux lunes de Mars n'ont été découvertes que dans la seconde moitié du XIXe siècle, plus précisément en 1877 et à quelques jours d'intervalle pendant le mois d'août, par l'astronome états-unien Asaph Hall. Leurs noms furent initialement suggérés à Hall par Henry Madan, professeur au collège d'Eton, d'après le livre XV de l'Iliade. Hall les appela donc Phobos et Deimos, c'est-à-dire les jumeaux que le dieu Arès (Mars dans la mythologie romaine) eût de la déesse Aphrodite, et qui sont donc des divinités mineures de la mythologie grecque, signifiant respectivement en grec la Peur et la Terreur. C'est anecdotique mais Kepler avait affirmé plus de deux siècles auparavant que la Planète rouge avait deux lunes. Pythagoricien et platonicien, il avait proposé une loi mathématique pour prédire l'occurrence des lunes planétaires en faisant remarquer que la Terre avait une lune et Jupiter quatre.

Les astronomes et spécialistes de la mécanique céleste sont, au moins depuis Laplace, à la recherche de modèles cosmogoniques expliquant l'origine des astres et ils se posent bien sûr des questions sur l'origine de Phobos et Deimos. C'est un problème que l'on peut commencer à aborder avec les lois de Newton mais qui nécessite aussi les méthodes et les théories de l'astrophysique et de la cosmochimie pour être résolu.

Une présentation de Phobos et Deimos. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Dreksler Astral

Phobos et Deimos, une composition et une origine problématique

Ainsi, il apparaît que Phobos et Deimos ont plus de ressemblance avec les astéroïdes qu'avec la lune de la Terre de par leurs petites tailles, entre 10 et 30 kilomètres environ, leurs formes irrégulières et l'aspect de leurs surfaces. Possédant un spectre bien particulier, on peut même les rapprocher des astéroïdes de type C ou D qui sont vraisemblablement les parents de certaines chondrites carbonées. (Il existe un débat à ce sujet, voir l'article ci-dessous).

Toutefois, les caractéristiques orbitales de Phobos et Deimos ne cadrent pas avec l'hypothèse qui en ferait des astéroïdes capturés par Mars. Elles cadrent bien avec celle qui en ferait des objets qui se seraient accrétés à partir d'un anneau de matière produit par une collision entre Mars et un corps céleste. Un scénario analogue à celui proposé pour expliquer l'origine de la Lune par une collision entre la Terre et une petite planète de la taille de Mars, baptisée Théia, a donc aussi été avancé (voir l'article ci-dessous également).

Ce scénario a lui aussi fait l'objet de simulations numériques, notamment il y a quelques années par des chercheurs français. Il a été revisité par des membres du Southwest Research Institute aux États-Unis qui viennent de publier un article dans Science Advances. L'équipe, qui a réalisé des simulations numériques plus puissantes, était menée par Robin Canup, l'astrophysicienne qui s'est fait un nom au début des années 2000 à l'aide de simulations numériques qui ont renforcé l'hypothèse de la collision géante expliquant la formation de la Lune. Elle s'est depuis spécialisée dans des simulations analogues en cosmogonie, par exemple pour rendre compte de Charon, la lune de Pluton.

Un extrait des nouvelles simulations de la formation de Phobos et Deimos. Les couleurs indiquent des températures élevées en kelvins à cause de l'impact. © Southwest Research Institute

MMX, une mission martienne pour tester l'hypothèse de l'impact

Selon Robin Canup, les nouvelles simulations rendent particulièrement bien compte des caractéristiques de Phobos et Deimos (la très faible inclinaison et excentricité orbitale des orbites des deux satellites), si l'on imagine un impact avec un corps céleste de moins grande taille qu'initialement considérée. Il suffirait d'une collision entre Mars et un objet dont la taille serait comprise entre celle de Vesta et Cérès, c'est-à-dire entre 500 et 1.000 kilomètres de diamètre environ. Mais cela implique que les deux lunes soient formées pour l'essentiel de matériaux issus de Mars, ce qui ne collerait pas vraiment avec la signature spectrale de Phobos et Deimos. On peut cependant expliquer ce paradoxe en faisant intervenir l'érosion spatiale avec le vent solaire ou tout simplement en admettant que les chercheurs français ont raison. Ils ont remis en cause les signatures spectrales des deux lunes qui seraient en fait compatibles avec celles de Mars.

Une autre conséquence de l'hypothèse de la collision est que Phobos et Deimos devraient être très pauvres en eau puisqu'ils proviendraient de matériaux chauffés à hautes températures par cette collision. Pour véritablement trancher entre les hypothèses, il faudrait bien mieux connaître la composition des deux lunes.

Et c'est précisément ce que se propose de faire la mission MMX (Martian Moons Exploration), notamment en ramenant sur Terre un échantillon d'au moins dix grammes du sol de Phobos, prélevé à une profondeur d'au moins deux centimètres sous la surface.

Phobos, un sombre satellite qui passe devant Mars. Il ressemble, mais c'est contestable et contesté, aux météorites à chondrites carbonées qui proviennent des régions les plus éloignées de la ceinture d’astéroïdes. Ce qui laisse à penser qu’il ne se serait alors pas formé en même temps que Mars, ni à partir des mêmes matériaux. © G. Neukum (FU Berlin) et al., Mars Express, DLR, ESA
  • La très faible inclinaison et excentricité orbitale des orbites de Phobos et Deimos s'expliquent mal si l'on suppose que ces lunes sont des anciens astéroïdes capturés par Mars. Pourtant leur composition, qui reste malgré tout incertaine et sujette à débat, plaide peut-être en ce sens.
  • Phobos et Deimos pourraient s'être formées comme la Lune, par accrétion de matériaux arrachés à Mars par un impact avec une planète naine selon des simulations numériques.
  • La mission MMX de la Jaxa et du Cnes, se proposant de ramener sur Terre des échantillons de Phobos, permettra peut-être de trancher entre ces deux hypothèses.
Pour en savoir plus

Les lunes de Mars, Phobos et Deimos, seraient nées d'un impact géant

Article du Cnrs publié le le 04/07/2016

Phobos et Deimos, les deux lunes de Mars, ne peuvent être des astéroïdes capturés, conclut une équipe d'astronomes, qui ajoute leur origine ne peut provenir que d'un impact géant. C'est bien cela ! confirme une seconde équipe, dont les simulations numériques démontrent que ces satellites ont pu se former à partir des débris d'une collision titanesque entre Mars et un embryon de planète trois fois plus petit.

L'origine des deux lunes de Mars, Phobos et Deimos, restait un mystère. Par leur petite taille et leur forme irrégulière, elles ressemblent beaucoup à des astéroïdes, mais les astronomes ne comprennent pas comment la Planète rouge aurait pu les capturer pour en faire des satellites en orbite presque circulaire, dans son plan équatorial.

Selon une théorie concurrente, Mars aurait subi à la fin de sa formation un impact géant avec un embryon de planète... Mais pourquoi les débris d'un tel impact auraient-ils formé deux petits satellites plutôt qu'une énorme lune, comme celle de la Terre ?

Une troisième possibilité serait que les satellites Phobos et Deimos se soient formés en même temps que Mars, ce qui impliquerait qu'ils aient la même composition que leur planète. Cependant, leur faible densité semble contredire cette hypothèse. Aujourd'hui, deux études indépendantes viennent conforter la théorie de l'impact géant.

Une grosse lune et une dizaine de petites issues d'une collision

Dans l'une d'elles, une équipe de recherche belgo-franco-japonaise propose, pour la première fois, un scénario complet et cohérent de formation de Phobos et Deimos, qui seraient nés des suites d'une collision entre Mars et un corps primordial trois fois plus petit, 100 à 800 millions d'années après le début de la formation de la planète.

Selon les chercheurs, les débris de cette collision auraient créé un disque très étendu autour de Mars, formé d'une partie interne dense, composée de matière en fusion, et d'une partie externe très fine, majoritairement gazeuse. Dans la partie interne de ce disque se serait d'abord développée une lune 1.000 fois plus massive que Phobos, aujourd'hui disparue. Les perturbations gravitationnelles créées dans le disque externe par cet astre massif auraient catalysé l'assemblage de débris pour former d'autres petites lunes (une dizaine) plus lointaines.

Au bout de quelques milliers d'années, la planète Mars se serait alors retrouvée entourée d'un cortège d'une dizaine de petits satellites et d'une énorme lune. Plusieurs millions d'années plus tard, une fois le disque de débris dissipé, les effets de marée avec Mars auraient fait retomber sur la planète la plupart de ces satellites, dont la très grosse lune. Seules ont subsisté les deux petites lunes les plus lointaines, Phobos et Deimos (voir schéma ci-dessous).

Chronologie des évènements qui auraient donné naissance à Phobos et Deimos. 1. (en haut à gauche) : Mars est percutée par une protoplanète trois fois plus petite. Un disque de débris se forme en quelques heures. 2. Les briques élémentaires de Phobos et Deimos (grains de taille inférieure au micromètre) se condensent directement à partir du gaz dans la partie externe du disque. 3. Le disque de débris produit rapidement une lune proche de Mars, qui s'éloigne et propage ses deux zones d'influence comme des vagues. 4. Ce processus provoque en quelques millénaires l'accrétion des débris plus éloignés en deux petites lunes, Phobos et Deimos. 5. Sous l'effet des marées soulevées par Mars, la grosse lune retombe sur la planète en quelques millions d'années. 6. Les satellites Phobos et Deimos, moins massifs, rejoignent leur position actuelle dans les milliards d'années qui suivent. © Antony Trinh, Observatoire Royal de Belgique

La composition de Phobos et Deimos corrobore le scénario

À cause de la diversité des phénomènes physiques mis en jeu, aucune simulation numérique n'est capable de modéliser l'ensemble du processus. L'équipe de Pascal Rosenblatt et Sébastien Charnoz a dû alors combiner trois simulations de pointe successives pour rendre compte de la physique de l'impact géant, de la dynamique des débris issus de l'impact et de leur assemblage pour former des satellites, et enfin de l'évolution à long terme de ces satellites.

Dans l'autre étude (à paraître dans The Astrophysical Journal), des chercheurs du Laboratoire d'astrophysique de Marseille (CNRS, université d'Aix-Marseille) excluent la possibilité d'une capture, sur la base d'arguments statistiques et en se fondant sur la diversité de composition des astéroïdes. De plus, ils montrent que la signature lumineuse émise par Phobos et Deimos est incompatible avec celle du matériau primordial qui aurait pu former Mars (des météorites de la classe des chondrites ordinaires, des chondrites à enstatite ou des angrites). Ils s'attachent donc au scénario de l'impact. Ils déduisent de cette signature lumineuse que les satellites sont composés de poussières fines (de taille inférieure au micromètre).

Or, d'après ces chercheurs, la très petite taille des grains à la surface de Phobos et Deimos ne peut pas être expliquée uniquement comme la conséquence d'une érosion due au bombardement par les poussières interplanétaires. Cela signifie que les satellites sont composés dès l'origine de grains très fins, qui ne peuvent se former que par condensation du gaz dans la zone externe du disque de débris (et non à partir du magma présent dans la zone interne). C'est un point sur lequel s'accordent les deux études. Par ailleurs, une formation des lunes de Mars à partir de ces grains très fins pourrait être responsable d'une forte porosité interne, ce qui expliquerait leur densité étonnamment faible.

Un scénario de la formation des lunes de Mars. © Université Paris Diderot / Labex UnivEarthS

Une explication de la dichotomie martienne

La théorie de l'impact géant, corroborée par ces deux études indépendantes, pourrait expliquer pourquoi l'hémisphère nord de Mars a une altitude plus basse que le sud : le bassin boréal est sans doute la trace d'un impact géant, comme celui qui a donné naissance in fine à Phobos et Deimos. Elle permet aussi de comprendre pourquoi Mars a deux satellites et non un seul comme notre Lune, également née d'un impact géant. Ce travail suggère que les systèmes de satellites formés dépendent de la vitesse de rotation de la planète, puisqu'à l'époque la Terre tournait très vite sur elle-même (en moins de quatre heures) alors que Mars tournait six fois plus lentement.

De nouvelles observations permettront bientôt d'en savoir plus sur l'âge et la composition des lunes de Mars. En effet, l'Agence spatiale japonaise (Jaxa) a décidé de lancer en 2022 une mission, baptisée MMX pour Mars Moons Exploration, qui rapportera sur Terre en 2027, des échantillons de Phobos. Leur analyse pourra confirmer ou infirmer ce scénario. L'Agence spatiale européenne (Esa), en association avec l'Agence spatiale russe (Roscosmos), prévoit une mission similaire en 2024.

Ces travaux, fruit d'une collaboration entre des chercheurs de l'université Paris-Diderot et de l'Observatoire royal de Belgique, en collaboration avec le CNRS, l'université de Rennes 12 et l'institut japonais Elsi ont bénéficié du soutien de l'IPGP, du Labex UnivEarthS, d'ELSI, de l'université de Kobe et de l'Idex A*MIDEX. Les résultats viennent de paraître dans la revue Nature Geoscience.

Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour.

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !

Cela vous intéressera aussi

La lune Phobos vue sous 360°  Une animation montrant Phobos, la plus grosse des deux lunes de Mars (27 km dans sa dimension la plus grande). Elle combine des images saisies par la caméra à haute résolution HRSC de l'orbiteur Mars Express, de l’Esa. © Esa