Connu depuis l'antiquité, Mercure n'a pas encore livré tous ses secrets. La mission internationale BepiColombo, lancement prévu dans les prochains jours, étudiera la surface de la planète et comparera son champ magnétique avec celui de la Terre.

En dehors de la Terre, Mercure est la seule planète terrestre avec son propre champ magnétique, et pourtant, il n'a été visité que par deux missions spatiales jusqu'à présent. Ce n'est en effet pas une tâche facile :parce qu'il est si proche du Soleil, un vaisseau spatial qui rate le faible champ gravitationnel de la planète Swift plongera inévitablement vers la surface solaire, chauffé à un feu 5, 500°C.

Les agences spatiales européenne et japonaise, ESA et JAXA, ont donc travaillé en étroite collaboration pour assurer le succès de BepiColombo. La mission, qui comprend deux orbiteurs, est prévu de décoller de Kourou, Guyane Française, dans la nuit du 19 au 20 octobre à bord d'une fusée Ariane 5. Après un voyage de sept ans et deux survols de Vénus pour bénéficier d'une assistance gravitationnelle, il inspectera ensuite la surface de Mercure, atmosphère, et magnétosphère pendant deux ans, jusqu'en 2027.

De Mariner à Bepi

Dans les années 1970, lors d'une mission principalement centrée sur Vénus, le vaisseau spatial américain Mariner 10 a effectué trois survols de Mercure. L'un des chercheurs impliqués était professeur à l'Université de Padoue, Italie, appelé Giuseppe "Bepi" Colombo. Le nouveau vaisseau spatial, la toute première collaboration entre l'ESA et la JAXA, a été nommé d'après lui.

Pendant les brefs survols, Mariner 10 a pu cartographier la moitié de Mercure et détecter son champ magnétique. Bien qu'il soit beaucoup plus faible que celui de la Terre, cela montre que le noyau de la planète est toujours actif. Mariner 10 a également confirmé la présence d'une exosphère, une atmosphère extrêmement ténue s'étendant jusqu'à de très hautes altitudes.

Plusieurs années plus tard, La NASA a lancé le vaisseau spatial MESSENGER. Placé en orbite autour de Mercure en mars 2011, il s'est écrasé sur sa surface en avril 2015 lorsqu'il a manqué de carburant. Il a confirmé les observations de Mariner 10 et a effectué d'autres cartographies et relevés de la surface. En particulier, MESSENGER a découvert des preuves non seulement de l'activité volcanique et de la tectonique des plaques, mais aussi de glace d'eau :en raison de l'inclinaison axiale extrêmement faible de Mercure, aucune lumière directe du soleil n'atteint jamais le fond des cratères d'impact aux pôles.

"Bien que MESSENGER transportait un magnétomètre et un équipement pour mesurer les ions et les particules énergétiques, la mission principale du vaisseau spatial était d'arpenter la planète, sa fine atmosphère et sa surface, " explique Dominique Delcourt, Chercheur CNRS et directeur du LPC2E, en charge du spectromètre de masse ionique à bord de l'orbiteur de conception japonaise de BepiColombo, MMO. "En présence d'un champ magnétique intrinsèque, une cavité magnétique se forme dans l'espace. C'est ce qu'on appelle la magnétosphère, où se déroulent de nombreux processus de transport et d'accélération de particules."

Une mission, Deux orbiteurs

La mission BepiColombo comprend deux orbiteurs transportant une charge utile scientifique de près de 100 kilogrammes. Le premier, MPO (Bépi), sera dédié à la cartographie complète de la planète et à l'étude de sa surface, structure interne, et exosphère, tandis que la seconde, MMO (renommé Mio), étudiera son environnement magnétique. Une fois à destination, Mio sortira en premier, suivi de Bepi, qui sera placé sur l'orbite la plus basse jamais atteinte autour de Mercure.

Delcourt est optimiste :« Cette gamme élargie d'instruments nous permettra non seulement de faire de nouvelles découvertes, mais aussi revoir les données de MESSENGER. En combinant les observations des deux orbiteurs, nous serons également en mesure d'effectuer ce que l'on pourrait appeler des mesures stéréoscopiques, quelque chose qui était auparavant impossible."

L'orbiteur MMO effectuera une rotation en seulement quatre secondes, permettant à ses instruments de pointer dans toutes les directions de l'espace à la recherche de particules neutres ou ionisées et d'ondes électromagnétiques. Avec une résolution plus élevée que l'instrument MESSENGER, le spectromètre ionique MSA, développé au LPP[6] en collaboration avec des équipes japonaises et allemandes, peut distinguer des atomes lourds à une seule unité de masse atomique, comme le potassium et le calcium.

« Ces mesures vont nous permettre de caractériser la matière planétaire éjectée, " dit Delcourt. " Suite au bombardement de météorites et au vent solaire, la matière est éjectée de la surface de Mercure. Il peut alors être ionisé par le rayonnement ultraviolet du Soleil, et transportés et accélérés autour de la planète." En étudiant ces ions, il sera possible d'analyser la composition de la surface sans avoir à se poser dessus.

Un champ magnétique modèle

Le champ magnétique de Mercure est également un modèle générique intéressant. L'observation d'une magnétosphère plus petite que la nôtre devrait améliorer notre compréhension du comportement de la matière neutre et ionisée dans l'espace. A si peu de distance du Soleil, la densité du vent solaire signifie qu'il a un plus grand impact sur la planète. Un autre facteur intéressant est que l'orbite hautement elliptique de Mercure provoque des variations cycliques importantes de cette exposition. Par conséquent, Les divers instruments scientifiques de BepiColombo sont susceptibles d'être extrêmement occupés. Six d'entre eux ont été conçus avec la participation de huit laboratoires du CNRS, dont le LPC2E, le SAI, IPGP, l'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), le LAM, LATMOS, LESIA et LPP.

Au LATMOS, Éric Quemerais est le scientifique principal de PHEBUS. Ce spectromètre ultraviolet balaye des fréquences allant de 50 à 320 nanomètres, ainsi que quelques lignes utilisées pour détecter le calcium et le potassium.

Analyser la surface de Mercure

« Nous couvrons une gamme spectrale plus large qui comprend des éléments invisibles pour MESSENGER, comme l'hélium, soufre, calcium ionisé, dihydrogène, etc., " explique Quemerais. " Grâce à un meilleur rapport signal/bruit, nous avons aussi une limite de détection améliorée." Et alors que le spectromètre américain était aligné avec sa sonde, PHEBUS a un mécanisme de pointage indépendant. Cela lui permet de choisir sa direction et offre une meilleure couverture spatiale et temporelle en orbite. "L'exosphère donne une idée de la composition de la surface de Mercure et de ses couches les plus externes, » ajoute Quemerais. « Par exemple, nous savons que nous détecterons le calcium et le sodium, mais on s'attend aussi à trouver du magnésium, potassium, et de l'oxygène, dont la présence n'a pas encore été systématiquement confirmée."

Un autre avantage de la lumière ultraviolette est qu'elle réfléchit la glace d'une manière différente, ce qui signifie que PHEBUS pourra repérer toute glace d'eau présente. "Cette technique a déjà été employée sur la Lune, " dit Quemerais. " Nous utiliserons ces changements dans la quantité de lumière réfléchie pour cartographier les deux pôles de Mercure. " En raison de son orbite spécifique, sélectionné pour sonder le pôle Nord, MESSENGER n'a pu cartographier que la moitié de la planète.

BepiColombo promet ainsi de fournir à la communauté scientifique une mine de nouvelles données. En juin 2020 à Orléans (centre de la France), Delcourt organisera la prochaine grande conférence consacrée à la Swift Planet. "Bien sûr, BepiColombo n'aura pas atteint sa destination d'ici là, mais nous pourrons néanmoins utiliser les données de MESSENGER, " explique-t-il. Nul doute que les scientifiques d'alors auront leur dévolu sur Vénus, que Bepi Colombo va passer, propulsé en route vers Mercure, sa destination finale.