BepiColombo : les révélations de la mission Mercure

La mis­sion spa­tiale Bepi­Co­lom­bo¹ arri­ve­ra en 2026 à sa des­ti­na­tion, Mer­cure, la plus petite pla­nète de notre sys­tème solaire et la plus proche voi­sine du Soleil. Au cours de son périple de 7,9 mil­liards de kilo­mètres, elle pas­se­ra plu­sieurs fois à proxi­mi­té de la pla­nète pour ajus­ter sa vitesse et sa tra­jec­toire afin d’être « cap­tu­rée » sur son orbite le moment venu.

Le champ magné­tique intrin­sèque de Mer­cure est faible, avec une force dipo­laire près de 100 fois infé­rieure à celle de la Terre. Cepen­dant, l’exis­tence d’un champ magné­tique, même faible, sur Mer­cure, est en soi sur­pre­nante. Ce der­nier est néan­moins suf­fi­sam­ment puis­sant pour dévier le vent solaire – un flux de par­ti­cules, char­gées prin­ci­pa­le­ment d’électrons et de pro­tons, éjec­tées de la haute atmo­sphère du Soleil (autre­ment dit de sa cou­ronne). Ce « bou­clier », ou cette magné­to­sphère, est simi­laire à la magné­to­sphère ter­restre. La dif­fé­rence est que les pro­ces­sus fon­da­men­taux qui libèrent du plas­ma et de l’éner­gie se pro­duisent beau­coup plus rapi­de­ment dans la magné­to­sphère de Mercure.

Mer­cure a déjà été sur­vo­lée à plu­sieurs reprises. La pre­mière mis­sion, Mari­ner 10², a effec­tué trois sur­vols et a décou­vert des traces d’a­tomes lourds près de son exo­sphère – une atmo­sphère fine com­po­sée d’a­tomes et de molé­cules qui ont été expul­sés de la sur­face de la pla­nète. Plus tard, des téles­copes ter­restres ont détec­té à dis­tance une sélec­tion d’ions, dont le sodium (Na+), le potas­sium (K+) et le cal­cium (Ca⁺), qui pro­viennent pro­ba­ble­ment aus­si de la pla­nète elle-même.

Mais c’est la mis­sion MESSENGER³ qui a réel­le­ment chan­gé notre vision de Mer­cure. Elle a notam­ment per­mis d’ob­te­nir de nom­breuses infor­ma­tions impor­tantes sur le plas­ma ionique de sa magné­to­sphère. Ce plas­ma est un gaz chaud ioni­sé conte­nant des ions d’hy­dro­gène et d’hé­lium (II) (He²⁺), pro­ve­nant du vent solaire et d’es­pèces plus lourdes comme du He⁺, du O⁺  et du Na+.

MESSENGER n’a cepen­dant car­to­gra­phié que 45 % de la sur­face de la pla­nète et a donc lais­sé de nom­breuses ques­tions en sus­pens. Et notam­ment com­ment la magné­to­sphère de la pla­nète inter­agit avec le vent solaire.

Les cher­cheurs pré­sentent aujourd’­hui les résul­tats du troi­sième sur­vol de Mer­cure par Bepi­Co­lom­bo, qui a eu lieu le 19 juin 2023, et en par­ti­cu­lier les résul­tats pro­ve­nant de la suite ins­tru­men­tale MPPE (Mer­cu­ry Plas­ma Par­ticle Expe­riment). Ceux-ci étaient actifs sur le Mer­cu­ry Magne­tos­phe­ric Orbi­ter (Mio), l’orbiteur sous la res­pon­sa­bi­li­té du Japan Aeros­pace Explo­ra­tion Agen­cy (JAXA). Mio est l’un des deux orbi­teurs scien­ti­fiques qui seront cap­tu­rés dans l’or­bite de Mer­cure en 2026, l’autre étant le Mer­cu­ry Pla­ne­ta­ry Orbi­ter (MPO), diri­gé par l’A­gence spa­tiale euro­péenne (ESA). Ensemble, ces deux sondes spa­tiales four­ni­ront une image com­plète de l’en­vi­ron­ne­ment autour de Mercure.

Les sur­vols sont très rapides et tra­versent la magné­to­sphère de Mer­cure en envi­ron une demi-heure (ter­restre), pas­sant du cré­pus­cule sur la pla­nète à son aube. Lors du troi­sième sur­vol, la sonde spa­tiale a pu s’ap­pro­cher jus­qu’à 235 km au-des­sus de la sur­face cra­té­ri­sée de Mer­cure. Au cours de ce sur­vol, Mio a carac­té­ri­sé la nature des par­ti­cules pré­sentes dans la magné­to­sphère et la façon dont elles se déplacent. « Ces mesures nous per­mettent de tra­cer clai­re­ment le pay­sage magné­to­sphé­rique pen­dant la brève assis­tance gra­vi­ta­tion­nelle », explique Lina Hadid, qui est actuel­le­ment char­gée de recherche au CNRS et tra­vaille au Labo­ra­toire de Phy­sique des Plas­mas (LPP) à l’École poly­tech­nique (IP Paris). Lina Hadid est la res­pon­sable scien­ti­fique de l’un des ins­tru­ments du consor­tium MPPE, le spec­tro­mètre de masse ionique (MSA), dont la par­tie optique a été déve­lop­pée au LPP. Elle et ses col­lègues ont publié leurs der­niers résul­tats dans Nature, Com­mu­ni­ca­tions Phy­sics.

Les cher­cheurs affirment avoir obser­vé des « fron­tières » telles que « l’onde de choc » sépa­rant le vent solaire et la magné­to­sphère de Mer­cure, ain­si que d’autres régions comme le feuillet de plas­ma, qui est une région d’ions plus éner­gé­tique, et plus dense, située au centre de la queue magné­tique. « Ces deux résul­tats étaient quand même atten­dus », explique Lina Hadid.

« Pour­tant, il y a eu beau­coup de nou­velles sur­prises », ajoute-t-elle. Par exemple, une couche aux basses lati­tudes (Low Lati­tude Boun­da­ry Layer), défi­nie par une région de plas­ma tur­bu­lent à la limite de la magné­to­sphère. Cette couche contient des par­ti­cules avec une gamme d’éner­gies allant jusqu’à 40 keV/e, beau­coup plus large que celles jamais obser­vées aupa­ra­vant sur Mercure.

Un autre résul­tat impor­tant : l’ob­ser­va­tion d’ions hydro­gène chauds éner­gé­tiques (H⁺) pié­gés à basse lati­tude et près du plan équa­to­rial de Mer­cure, avec des éner­gies d’en­vi­ron 20 keV/e. Selon Lina Hadid et ses col­lègues, ce résul­tat ne peut s’ex­pli­quer que par la pré­sence d’un cou­rant annu­laire (cou­rant élec­trique por­té par des par­ti­cules char­gées pié­gées dans la magné­to­sphère), mais d’autres obser­va­tions et ana­lyses seront néces­saires pour le confir­mer ou l’in­fir­mer. S’il est confir­mé, ce cou­rant annu­laire sera simi­laire à celui de la Terre, qui se trouve à des dizaines de mil­liers de kilo­mètres de sa surface.

Enfin, Mio a éga­le­ment détec­té des ions plas­ma « froids » d’oxy­gène, de sodium avec des signa­tures de pré­sence de potas­sium dont l’éner­gie est infé­rieure à 50 eV/e lors­qu’il s’est dépla­cé dans l’ombre noc­turne de la pla­nète. Ces ions pro­viennent de la pla­nète elle-même et ont pro­ba­ble­ment été éjec­tés lorsque des micro­mé­téo­rites ont heur­té sa sur­face ou lors d’in­te­rac­tions avec le vent solaire.

Selon les cher­cheurs, ces nou­veaux résul­tats per­met­tront de mieux com­prendre com­ment le vent solaire inter­agit avec les magné­to­sphères des pla­nètes en géné­ral. Sur Terre, il est impor­tant de com­prendre ce phé­no­mène, car les par­ti­cules char­gées du vent solaire per­turbent la magné­to­sphère de notre pla­nète lors­qu’elles entrent en col­li­sion avec elle. Ces per­tur­ba­tions, connues sous le nom de « météo­ro­lo­gie spa­tiale », peuvent endom­ma­ger les satel­lites, affec­ter les tech­no­lo­gies de com­mu­ni­ca­tion et les signaux GPS, et même pro­vo­quer des pannes d’élec­tri­ci­té au sol ou en altitude.

Bepi­Co­lom­bo a effec­tué avec suc­cès son qua­trième sur­vol en sep­tembre 2024 et s’est appro­chée au plus près de la pla­nète, à envi­ron 165 km de sa sur­face. À cette occa­sion, elle a cap­tu­ré les meilleures images de cer­tains des plus grands cra­tères d’im­pact sur Mer­cure. Elle a effec­tué un cin­quième et un sixième sur­vol de la pla­nète, res­pec­ti­ve­ment le 1^er décembre et le 8 jan­vier 2025. La mis­sion est pré­vue pour durer jus­qu’en 2029…

Isabelle Dumé