Image d'en-tête : Le globe de Mercure vu par MESSENGER, 29 novembre 2011. NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Carnegie Institution of Washington, PIA15160. Domaine public NASA.
Mercure est la planète la plus proche du Soleil. Depuis sa surface, notre étoile paraîtrait plus de trois fois plus grande que depuis la Terre, et sa lumière jusqu'à sept fois plus intense.
Et il y a de la glace dessus.
Pas un peu de givre transitoire : de la glace d'eau, stable, en quantité, au fond de cratères polaires.
Cet article ne raconte pas seulement ce paradoxe. Il raconte comment on l'a établi, parce que sur Mercure, la manière de savoir est plus instructive que ce qu'on sait.
Une journée qui dure deux ans
Commençons par ce qui déroute le plus, et qui n'a rien à voir avec la glace.
Mercure est la planète la plus rapide en orbite : elle boucle son tour du Soleil en quatre-vingt-huit jours terrestres, à près de cinquante kilomètres par seconde. Et pourtant, elle a la journée la plus lente du système solaire.
Elle tourne sur elle-même en cinquante-neuf jours, mais sa course orbitale, très rapide, décale sans cesse la direction du Soleil. Résultat : un jour solaire complet, un cycle jour-nuit, y dure cent soixante-seize jours terrestres, soit un peu plus de deux années mercuriennes.
Plus étrange encore. Quand Mercure passe au plus près du Soleil et va le plus vite, sa vitesse orbitale l'emporte brièvement sur sa rotation. Depuis certaines régions de sa surface, le Soleil du matin se lève brièvement, se couche, puis se relève. Et le phénomène se produit à l'envers au coucher, ailleurs sur la planète.
Dernier renversement d'idée reçue : la planète la plus proche du Soleil n'est pas la plus chaude du système solaire. C'est Vénus, à cause de son atmosphère dense.
Un axe droit à trois centièmes de degré près
Venons-en à la glace, et d'abord à la condition qui la rend possible.
Sur Terre, notre axe est penché de vingt-trois degrés et demi. C'est ce qui donne les saisons, et c'est aussi ce qui fait qu'au pôle, la lumière finit toujours par arriver, ne serait-ce que six mois par an.
Sur Mercure, l'axe est presque parfaitement droit. Les mesures radar les plus précises, faites depuis la Terre à trente-cinq époques entre 2002 et 2012, donnent une inclinaison de deux minutes d'arc environ, soit à peine plus de trois centièmes de degré.
(Une note pour les lecteurs attentifs : les fiches de vulgarisation donnent souvent « deux degrés », ce qui est soixante fois trop. La valeur mesurée est bien de deux minutes d'arc.)
Conséquence directe : le Soleil reste rasant aux pôles, en permanence, et au fond de certains cratères polaires, l'ombre ne bouge pas. Elle n'a pas bougé depuis des milliards d'années. Ces fonds restent en permanence hors d'atteinte directe du Soleil dans la configuration actuelle de Mercure, et comptent parmi les endroits les plus froids du système solaire.
Sur la planète où le Soleil paraît trois fois plus gros que chez nous.
Comment on a fini par voir cette glace
Voici la chaîne complète, et elle s'étale sur vingt-trois ans.
1991 : un écho radar là où il ne devrait pas y en avoir
Tout commence sans sonde, depuis la Terre. En 1991, une observation radar où l'antenne de Goldstone émet et où les antennes du Very Large Array reçoivent révèle, au pôle nord de Mercure, un écho anormalement brillant. La glace d'eau, en effet, renvoie les ondes radar d'une manière très particulière, que la roche nue n'imite pas.
La même année, des observations menées depuis Arecibo confirment ce pic et révèlent en plus une tache brillante au pôle sud. Puis, en retraitant ces données, on descend à une résolution de quinze kilomètres : assez fine pour constater que les anomalies sont concentrées dans des taches de la taille de cratères, dont beaucoup correspondent à des cratères polaires connus.
À ce stade, on a un soupçon très fort. On n'a pas de preuve.
2012 : trois raisonnements indépendants qui convergent
Il faudra la sonde MESSENGER, et surtout trois lignes de preuve indépendantes, publiées le même jour.
D'abord, le spectromètre à neutrons repère un excès d'hydrogène au pôle nord : une couche enfouie, sous dix à vingt centimètres de matériau plus pauvre, dont la teneur en hydrogène correspond à celle d'une glace d'eau presque pure. (Précision qui compte : l'instrument mesure de l'hydrogène. La glace, elle, en est déduite.)
Ensuite, l'altimètre laser, qui avait alors tiré plus de dix millions d'impulsions, mesure pour la première fois la réflectance des dépôts polaires. Les anomalies apparaissent sur les pentes exposées vers le pôle, et exactement aux mêmes endroits que les échos radar.
Enfin, des modèles thermiques construits sur la topographie réelle mesurée par cet altimètre prédisent où la glace peut être stable. La carte prédite et la carte des échos radar se superposent.
Trois instruments, trois raisonnements, une seule conclusion. Le responsable scientifique de la mission a résumé la chose ainsi : après plus de vingt ans de délibération, le jury a rendu un verdict unanime.
2014 : on la photographie
Dernière étape, et c'est presque de la virtuosité.
MESSENGER a obtenu les premières images optiques de cette glace, en exploitant les très faibles niveaux de lumière diffusée par les parois éclairées des cratères. Cible : Prokofiev, le plus grand cratère du pôle nord à héberger du matériau radar-brillant.
Et l'image a livré un détail inattendu : les dépôts présentent des bordures nettes. Une glace exposée depuis des milliards d'années aurait des contours diffus. Des bordures franches signifient que ces dépôts sont géologiquement jeunes, soit livrés récemment, soit renouvelés par un processus encore en cours.
Une planète qui a rétréci, et le chiffre n'est pas tranché
Deuxième bizarrerie, et elle se voit à l'œil sur les images.
En refroidissant, l'intérieur de Mercure s'est contracté. Mais sa croûte, elle, ne pouvait pas se contracter d'autant : elle s'est retrouvée trop grande pour ce qu'elle enveloppait. Alors elle s'est plissée, comme une peau.
Il en reste des falaises (les astronomes disent des escarpements lobés). Enterprise Rupes, le plus grand, mesure environ mille kilomètres de long, une longueur comparable à celle de la faille de San Andreas, pour plus de trois kilomètres de relief.
Comment on passe d'une falaise à une planète
Le raisonnement mérite d'être détaillé, parce qu'il est représentatif de toute la géologie planétaire.
Chaque escarpement est la trace en surface d'une faille inverse : un bloc de croûte est monté sur un autre. On mesure le relief de la falaise, on suppose un angle de pendage pour la faille (vingt-cinq à trente-cinq degrés, d'après les chevauchements terrestres qui servent d'analogues) et on en déduit de combien les deux blocs se sont chevauchés.
On établit ensuite une relation entre la longueur d'une faille et son déplacement, on l'extrapole à toutes les structures cartographiées, et on somme. On obtient une déformation totale, donc une réduction de rayon.
Et c'est là que les équipes se séparent
Une équipe a cartographié près de six mille rides et escarpements, et en a tiré une contraction du rayon comprise entre 4,7 et 7,1 kilomètres selon l'angle de pendage supposé : c'est le fameux chiffre de « sept kilomètres » que reprennent les articles de presse, alors qu'il est le haut d'une fourchette.
Une autre équipe a refait la cartographie en n'attribuant qu'une seule faille principale par relief, au lieu de plusieurs, et obtient pas plus d'un à deux kilomètres.
L'écart entre les deux est d'un facteur cinq, et il ne vient pas des données : il vient de la façon de les lire. Le désaccord est ouvert.
Retenons donc ceci : Mercure a rétréci, c'est certain ; de combien exactement, c'est encore en débat. C'est une conclusion moins spectaculaire, et bien plus honnête.
Et elle bouge toujours
Pendant les dix-huit derniers mois de sa mission, MESSENGER a été abaissée sur son orbite. Elle a alors révélé quelque chose que personne n'attendait : de petits escarpements. Moins de dix kilomètres de long, quelques dizaines de mètres de relief.
Le raisonnement qui suit est superbe de simplicité. Ces reliefs sont si petits que le bombardement météoritique continu les aurait effacés s'ils étaient anciens. Puisqu'ils sont encore là, c'est qu'ils sont jeunes.
Donc Mercure se contracte encore. Donc de nouvelles failles s'y forment probablement aujourd'hui. Le géologue qui a mené ces travaux le formule ainsi : découvrir ces petits escarpements, c'est comme trouver la pousse d'un arbre qu'on croyait éteint depuis longtemps.
Conséquence : Mercure rejoint la Terre parmi les planètes tectoniquement actives du système solaire. Et elle devrait connaître des séismes, que de futurs sismomètres pourraient enregistrer.
Un panthéon des arts, gravé dans la roche
Reste une particularité qui ne doit rien à la physique.
Mercure n'a pratiquement pas d'atmosphère. Il n'y a donc ni vent, ni pluie, ni ruissellement : rien qui efface. Chaque impact reçu depuis des milliards d'années est encore là, intact, à sa place.
Et ces cratères ont des noms, selon une règle de nomenclature qui n'appartient qu'à cette planète : on n'y baptise les cratères que d'après des artistes, des musiciens et des écrivains disparus.
Debussy y a le sien. Le chorégraphe Alvin Ailey aussi. L'auteur pour enfants Dr. Seuss également. Toute une planète tenue comme un panthéon des arts et, faute d'érosion, un panthéon qui ne s'effacera pas.
Ce que Mercure apprend sur la façon de savoir
Reprenons les trois démonstrations de cet article, parce qu'elles se ressemblent.
La glace : un écho radar anormal, puis un excès d'hydrogène, puis une réflectance, puis un modèle thermique, et c'est la convergence de méthodes indépendantes qui fait la preuve.
Le rétrécissement : on ne mesure pas un rayon, on mesure des failles et on en déduit une contraction, et le résultat dépend d'une hypothèse de lecture, ce qui explique que deux équipes sérieuses n'aient pas le même chiffre.
L'activité actuelle : on ne voit pas la planète bouger, on constate que certains reliefs sont trop petits pour être vieux.
Trois fois, la conclusion est arrachée par raisonnement à une planète que personne n'est allé voir de près. C'est cela, la véritable histoire de Mercure.
Les billes MesBilles liées à ce sujet
La bille Mercure est en verre dépoli noir : mat, sans reflet, elle ne laisse rien deviner. C'est cette surface fermée qui nous a donné le nom, et cet article.
Toutes nos billes sont vendues à l'unité.
Saviez-vous qu'il y avait de la glace sur la planète la plus proche du Soleil ? Dites-nous ce qui vous a le plus surpris, en bas de page.
Pour aller plus loin
- Johns Hopkins APL, les premières images optiques de la glace de Mercure, le cratère Prokofiev photographié par MESSENGER (en anglais)
- Smithsonian National Air and Space Museum, Mercure, planète tectoniquement active, les petits escarpements jeunes (en anglais)
Chez MesBilles
- L'Encyclopédie des billes, le vocabulaire, les tailles et les règles
- Toute la Gazette de MesBilles, notre blog éditorial événementiel
Sources
- NASA/JPL, NASA Spacecraft Finds New Mercury Water Ice Evidence (MESSENGER, 2012) : jpl.nasa.gov
- NASA Science, Mercury Facts (jour solaire, lever-coucher-lever, taille apparente du Soleil, planète la plus chaude, surface) : science.nasa.gov
- Johns Hopkins APL, MESSENGER Finds New Evidence for Water Ice at Mercury's Poles, 29 novembre 2012 (les trois lignes de preuve) : jhuapl.edu
- Johns Hopkins APL, MESSENGER Provides First Optical Images of Ice Near Mercury's North Pole, 15 octobre 2014 (cratère Prokofiev, bordures nettes) : jhuapl.edu
- J. K. Harmon, Arecibo Observatory, résumé LPI Mercury: Space Environment, Surface, and Interior, 2001 (radar Goldstone/VLA et Arecibo, 1991-1994) : lpi.usra.edu
- Margot, Peale, Solomon, Hauck et al., Journal of Geophysical Research: Planets 117, E00L09, 2012 (obliquité mesurée : 2,04 ± 0,08 minutes d'arc), copie auteur en accès libre : seti.ucla.edu
- Byrne, Klimczak, Şengör, Solomon, Watters, Hauck, The Global Contraction of Mercury, 45e LPSC, résumé 2525, 2014 (4,7 à 7,1 km selon le pendage) : www.hou.usra.edu
- Watters, Communications Earth & Environment, 2021, accès libre (contraction ≤ 2 km, méthode contestée) : pmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Smithsonian National Air and Space Museum, Mercury Joins Earth as a Tectonically Active Planet (petits escarpements jeunes, Enterprise Rupes) : airandspace.si.edu
- NASA, The Incredible Shrinking Mercury is Active After All : nasa.gov
L'œil MesBilles
Une surface mate qui ne laisse rien deviner, et une planète qu'on a comprise par raisonnement plus que par le regard : nos billes Mercure portent ce mystère-là.
Illustrations MesBilles : billes du catalogue, vendues à l'unité, photographiées et posées à côté des images citées. Chaque image extérieure porte son crédit complet sous elle.