Cette image de Mercure a été créée en utilisant l'infrarouge, des filtres rouges et violets qui capturent les longueurs d'onde à la fois visibles et invisibles à l'œil humain; les couleurs montrées ici ne sont que légèrement différentes de ce que l'œil humain verrait. Crédit :NASA/Université Johns Hopkins APL/Institut Carnegie de Washington
Mercure est petit, rapide et proche du soleil, rendant le monde rocheux difficile à visiter. Une seule sonde a déjà fait le tour de la planète et a collecté suffisamment de données pour renseigner les scientifiques sur la chimie et le paysage de la surface de Mercure. Apprendre ce qu'il y a sous la surface, cependant, nécessite une estimation minutieuse.
Après la fin de la mission de la sonde en 2015, les scientifiques planétaires ont estimé que la croûte de Mercure avait une épaisseur d'environ 35 km. Un scientifique de l'Université de l'Arizona n'est pas d'accord.
En utilisant les formules mathématiques les plus récentes, Le scientifique associé du Laboratoire lunaire et planétaire, Michael Sori, estime que la croûte mercurielle n'a que 16 miles d'épaisseur et est plus dense que l'aluminium. Son étude, "Un Mince, Croûte dense pour Mercure, " sera publié le 1er mai dans Lettres des sciences de la Terre et des planètes et est actuellement disponible en ligne.
Sori a déterminé la densité de la croûte de Mercure en utilisant les données recueillies par la surface de Mercure, Vaisseau spatial Space Environment and Geochemistry Ranging (MESSENGER). Il a créé son estimation en utilisant une formule développée par Isamu Matsuyama, professeur au Laboratoire Lunaire et Planétaire, et Douglas Hemingway, scientifique de l'Université de Californie à Berkeley.
L'estimation de Sori soutient la théorie selon laquelle la croûte de Mercure s'est formée en grande partie par l'activité volcanique. Comprendre comment la croûte s'est formée peut permettre aux scientifiques de comprendre la formation de l'ensemble de la planète étrangement structurée.
« Des planètes telluriques, Mercure a le plus gros noyau par rapport à sa taille, " dit Sori.
Le noyau de Mercure occuperait 60% du volume total de la planète. En comparaison, Le noyau de la Terre occupe environ 15 % de son volume. Pourquoi le noyau de Mercure est-il si gros ?
"Peut-être qu'elle s'est formée plus près d'une planète normale et peut-être qu'une grande partie de la croûte et du manteau ont été arrachées par des impacts géants, " dit Sori. " Une autre idée est que peut-être, quand vous vous formez si près du soleil, les vents solaires emportent une grande partie de la roche et vous obtenez très tôt une grande taille de noyau. Il n'y a pas encore de réponse sur laquelle tout le monde est d'accord."
Le travail de Sori peut aider à orienter les scientifiques dans la bonne direction. Déjà, il a résolu un problème concernant les roches de la croûte de Mercure.
Le United States Gelogic Survey a publié cette carte topographique de Mercure en 2016. Les plus hautes altitudes sont colorées en rouge, et les altitudes les plus basses sont colorées en bleu foncé.
Les roches mystérieuses de Mercure
Quand les planètes et la lune de la Terre se sont formées, leurs croûtes sont nées de leurs manteaux, la couche entre le noyau et la croûte d'une planète qui suinte et s'écoule au cours de millions d'années. Le volume de la croûte d'une planète représente le pourcentage de manteau qui a été transformé en roches.
Avant l'étude de Sori, les estimations de l'épaisseur de la croûte de Mercure ont conduit les scientifiques à croire que 11 pour cent du manteau original de la planète avait été transformé en roches dans la croûte. Pour la lune de la Terre - le corps céleste le plus proche en taille de Mercure - le nombre est inférieur, près de 7 pour cent.
« Les deux corps ont formé leurs croûtes de manières très différentes, ce n'était donc pas nécessairement alarmant qu'ils n'aient pas exactement le même pourcentage de roches dans leur croûte, " dit Sori.
La croûte lunaire s'est formée lorsque des minéraux moins denses ont flotté à la surface d'un océan de roche liquide qui est devenu le manteau du corps. Au sommet de l'océan de magma, les minéraux flottants de la lune se sont refroidis et durcis en une "croûte de flottation". Des éons d'éruptions volcaniques ont recouvert la surface de Mercure et créé sa "croûte magmatique".
Expliquer pourquoi Mercure a créé plus de roches que la lune était un mystère scientifique que personne n'avait résolu. Maintenant, l'affaire peut être fermée, comme l'étude de Sori place le pourcentage de roches dans la croûte de Mercure à 7 pour cent. Mercure n'est pas meilleur que la lune pour faire des roches.
Sori a résolu le mystère en estimant la profondeur et la densité de la croûte, ce qui signifiait qu'il devait découvrir quel type d'isostasie soutenait la croûte de Mercure.
Détermination de la densité et de la profondeur
La forme la plus naturelle à prendre pour un corps planétaire est une sphère lisse, où tous les points de la surface sont à égale distance du noyau de la planète. Isostasie décrit comment les montagnes, les vallées et les collines sont soutenues et empêchées de s'aplatir en plaines lisses.
Il existe deux principaux types d'isostasie :Pratt et Airy. Les deux se concentrent sur l'équilibrage des masses de tranches de taille égale de la planète. Si la masse d'une tranche est bien supérieure à la masse d'une tranche voisine, le manteau de la planète va suinter, déplacer la croûte dessus jusqu'à ce que les masses de chaque tranche soient égales.
Bien que Mercure puisse sembler terne à l'œil humain, différents minéraux apparaissent dans un arc-en-ciel de couleurs sur cette image du vaisseau spatial MESSENGER de la NASA. Crédit :NASA/Université Johns Hopkins APL/Institution Carnegie de Washington
L'isostasie de Pratt indique que la croûte d'une planète varie en densité. Une tranche de la planète qui contient une montagne a la même masse qu'une tranche qui contient un terrain plat, car la croûte qui fait la montagne est moins dense que la croûte qui fait le plat. Dans tous les points de la planète, le fond de la croûte flotte uniformément sur le manteau.
Jusqu'à ce que Sori termine ses études, aucun scientifique n'avait expliqué pourquoi l'isostasie de Pratt soutiendrait ou non le paysage de Mercure. Pour le tester, Sori avait besoin de relier la densité de la planète à sa topographie. Les scientifiques avaient déjà construit une carte topographique de Mercure en utilisant les données de MESSENGER, mais une carte de densité n'existait pas. Sori a donc créé le sien en utilisant les données de MESSENGER sur les éléments trouvés à la surface de Mercure.
"Nous savons quels minéraux forment habituellement les roches, et nous savons quels éléments chacun de ces minéraux contient. Nous pouvons diviser intelligemment toutes les abondances chimiques en une liste de minéraux, " Sori a dit du processus qu'il a utilisé pour déterminer l'emplacement et l'abondance des minéraux à la surface. " Nous connaissons les densités de chacun de ces minéraux. Nous les additionnons tous, et nous obtenons une carte de densité."
Sori a ensuite comparé sa carte de densité avec la carte topographique. Si l'isostasie de Pratt pouvait expliquer le paysage de Mercure, Sori s'attendait à trouver des minéraux à haute densité dans les cratères et des minéraux à faible densité dans les montagnes; cependant, il n'a trouvé aucune relation de ce genre. Sur Mercure, les minéraux de haute et basse densité se trouvent aussi bien dans les montagnes que dans les cratères.
Avec l'isostasie de Pratt réfutée, Sori considérait l'isostasie aérienne, qui a été utilisé pour faire des estimations de l'épaisseur de la croûte de Mercure. L'isostasie aérienne indique que la profondeur de la croûte d'une planète varie en fonction de la topographie.
"Si vous voyez une montagne à la surface, il peut être soutenu par une racine en dessous, " Sori a dit, le comparant à un iceberg flottant sur l'eau.
La pointe d'un iceberg est soutenue par une masse de glace qui dépasse profondément sous l'eau. L'iceberg contient la même masse que l'eau qu'il déplace. De la même manière, une montagne et sa racine contiendront la même masse que le matériau du manteau déplacé. Dans les cratères, la croûte est fine, et le manteau est plus près de la surface. Un coin de la planète contenant une montagne aurait la même masse qu'un coin contenant un cratère.
« Ces arguments fonctionnent en deux dimensions, mais quand on tient compte de la géométrie sphérique, la formule ne fonctionne pas exactement, " dit Sori.
La formule récemment développée par Matsuyama et Hemingway, bien que, fonctionne pour les corps sphériques comme les planètes. Au lieu d'équilibrer les masses de la croûte et du manteau, la formule équilibre la pression exercée par la croûte sur le manteau, fournissant une estimation plus précise de l'épaisseur de la croûte.
Sori a utilisé ses estimations de la densité de la croûte et la formule de Hemingway et Matsuyama pour trouver l'épaisseur de la croûte. Sori is confident his estimate of Mercury's crustal thickness in its northern hemisphere will not be disproven, even if new data about Mercury is collected. He does not share this confidence about Mercury's crustal density.
MESSENGER collected much more data on the northern hemisphere than the southern, and Sori predicts the average density of the planet's surface will change when density data is collected over the entire planet. He already sees the need for a follow-up study in the future.
The next mission to Mercury will arrive at the planet in 2025. In the meantime, scientists will continue to use MESSENGER data and mathematical formulas to learn everything they can about the first rock from the sun.
