Mission BepiColombo : en route pour la planète Mercure

Mer­cure, l’une des quatre pla­nètes tel­lu­riques de notre Sys­tème solaire, est la pla­nète la plus petite, la plus proche du Soleil et la seule avec la Terre à dis­po­ser d’un champ magné­tique. Pour­tant, en rai­son de sa proxi­mi­té avec le Soleil et de sa vitesse, Mer­cure est aus­si la moins étu­diée de toutes les planètes.

Après les deux sondes amé­ri­caines de la NASA, MARINER 10 (1973–1975) et MESSENGER (2004–2015), la mis­sion Bepi­Co­lom­bo est la troi­sième mis­sion à explo­rer la sur­face et l’environnement de Mer­cure. Bepi­Co­lom­bo appor­te­ra un nou­vel éclai­rage sur la struc­ture et la dyna­mique interne de la pla­nète, sur la manière dont son champ magné­tique est géné­ré et sur ses inter­ac­tions avec le Soleil et le vent solaire. Grâce à des études com­pa­ra­tives, la mis­sion amé­lio­re­ra éga­le­ment la connais­sance de notre pla­nète, par exemple en ce qui concerne le cou­plage entre l’environnement ter­restre et le milieu interplanétaire.

Bepi­Co­lom­bo vise éga­le­ment à son­der les carac­té­ris­tiques et la com­po­si­tion chi­mique de la sur­face de Mer­cure, ain­si que la pré­sence de glace d’eau située dans les cra­tères polaires, qui sont per­pé­tuel­le­ment dans l’ombre. En effet, en rai­son de l’inclinaison extrê­me­ment faible de l’axe de rota­tion de la pla­nète, les fonds de cra­tères météo­ri­tiques aux pôles ne reçoivent aucune lumière solaire directe. En fin de compte, les obser­va­tions de Bepi­Co­lom­bo nous aide­ront à mieux com­prendre com­ment notre sys­tème solaire s’est for­mé et com­ment les pla­nètes proches de leur étoile mère évoluent.

Bepi­Co­lom­bo est la pre­mière mis­sion euro­péenne à des­ti­na­tion de Mer­cure. Elle a été déve­lop­pée par l’A­gence Spa­tiale Euro­péenne (ESA) conjoin­te­ment avec l’A­gence d’exploration aéro­spa­tiale japo­naise (JAXA). Il s’agit éga­le­ment de la pre­mière mis­sion pla­né­taire com­por­tant deux orbi­teurs (sans comp­ter les satel­lites orbi­tant la Terre) : la sonde pla­né­taire MPO (Mer­cu­ry Pla­ne­ta­ry Orbi­ter) sous la res­pon­sa­bi­li­té de l’ESA, est un satel­lite sta­bi­li­sé sur trois axes qui orbi­te­ra près de Mer­cure et étu­die­ra la sur­face, la com­po­si­tion géo­lo­gique et l’exo­sphère (atmo­sphère fine) de la pla­nète ; la sonde magné­to­sphé­rique MMO (Mer­cu­ry Magne­tos­phe­ric Orbi­ter) rebap­ti­sée « Mio » sous la res­pon­sa­bi­li­té de la JAXA, est en rota­tion et orbi­te­ra à une plus grande dis­tance, dans la magné­to­sphère de Mer­cure – la région de l’es­pace autour de la pla­nète qui est domi­née par son champ magnétique. 

Mio effec­tue­ra des mesures in situ du champ magné­tique, du champ élec­trique et des par­ti­cules (ions et élec­trons) dans l’environnement her­méen, mais aus­si dans l’héliosphère interne. Les posi­tions dif­fé­rentes des deux orbi­teurs per­met­tront pour la pre­mière fois de faire des obser­va­tions sous deux angles dis­tincts et de suivre à la fois spa­tia­le­ment et tem­po­rel­le­ment le cou­plage entre le vent solaire et la magné­to­sphère de Mer­cure, les échanges entre la magné­to­sphère et son exo­sphère, et les pro­ces­sus de transport. 

Arri­vée près de Mer­cure, Bepi­Co­lom­bo sera sou­mis à un envi­ron­ne­ment radia­tif si intense que le satel­lite subi­ra des tem­pé­ra­tures de plus de 350 °C.

Bepi­Co­lom­bo emporte deux autres modules : le module de trans­fert MTM (Mer­cu­ry Trans­fer Module), qui uti­lise la tech­no­lo­gie de pro­pul­sion solaire-élec­trique néces­saire au voyage Terre-Mer­cure, et le bou­clier ther­mique MOSIF (Mer­cu­ry Magne­tos­phe­ric Orbi­ter’s Sun­shield and Inter­face Struc­ture) ins­tal­lé sur le des­sus de la sonde pour pro­té­ger Mio du flux ther­mique et du rayon­ne­ment infra­rouge pen­dant la phase de croi­sière. Arri­vée près de Mer­cure, Bepi­Co­lom­bo sera sou­mis à un envi­ron­ne­ment radia­tif si intense que le satel­lite subi­ra des tem­pé­ra­tures de plus de 350 °C – une tem­pé­ra­ture suf­fi­sam­ment éle­vée pour faire fondre n’importe quel com­po­sant ou ins­tru­ment de la sonde. Pour se pro­té­ger de ces tem­pé­ra­tures, un sys­tème de contrôle ther­mique a été spé­cia­le­ment conçu pour la mis­sion afin que les maté­riaux puissent résis­ter sans dégra­da­tion au rayon­ne­ment ultra­vio­let très intense et au flux de par­ti­cules char­gées du vent solaire.

La mis­sion Bepi­Co­lom­bo a été lan­cée en octobre 2018 depuis Kou­rou en Guyane et sera insé­rée en orbite autour de Mer­cure en décembre 2025. « Cette inser­tion est extrê­me­ment dif­fi­cile car la pla­nète est proche du Soleil et le vais­seau spa­tial risque d’être ‘aspi­ré’ par son attrac­tion gra­vi­ta­tion­nelle. Le défi n’est donc pas d’y aller mais plu­tôt de bien viser Mer­cure. » explique Lina Hadid, char­gée de recherche CNRS au sein du Labo­ra­toire de Phy­sique des Plas­mas (LPP¹). Il faut de fait frei­ner consi­dé­ra­ble­ment le vais­seau spa­tial dans l’héliosphère interne pour évi­ter qu’il soit atti­ré par le Soleil. C’est un vrai défi de méca­nique spatiale ! 

Mal­gré sa pro­pul­sion ionique-élec­trique inno­vante et effi­cace, il est qua­si­ment impos­sible pour une mis­sion de plu­sieurs tonnes de se pla­cer en orbite autour de Mer­cure par le seul frei­nage. « Pour sur­mon­ter ce pro­blème, Bepi­Co­lom­bo effec­tue plu­sieurs sur­vols d’autres pla­nètes qui lui per­mettent de modi­fier sa tra­jec­toire : c’est le prin­cipe de l’assistance gra­vi­ta­tion­nelle et c’est la rai­son pour laquelle la phase de croi­sière de Bepi­Co­lom­bo est très longue [sept ans, ndlr]) ! » rajoute Lina Hadid. « Pen­dant cette phase de croi­sière, la sonde béné­fice ain­si de neuf ‘coups de pouce’ four­nis par trois pla­nètes : la Terre (1x), Vénus (2x) et Mer­cure (6x). Chaque sur­vol per­met à Bepi­Co­lom­bo de res­ser­rer sa tra­jec­toire, qui fini­ra par se confondre avec celle de Mer­cure en décembre 2025. »

Bepi­Co­lom­bo a sur­vo­lé Mer­cure pour la pre­mière fois en octobre 2021 et pour la seconde fois en juin 2022, pas­sant à moins de 200 km de sa sur­face (une alti­tude jamais atteinte ni par MARINER 10 ni par MESSENGER). Ce fai­sant, ses camé­ras ont pho­to­gra­phié la sur­face cra­té­ri­sée de la pla­nète. Depuis son départ, la sonde a éga­le­ment sur­vo­lé la Terre une fois en avril 2020, et Vénus à deux reprises, en octobre 2020 et en août 2021.

« Pen­dant la longue croi­sière de Bepi­Co­lom­bo, tous les ins­tru­ments ne sont pas allu­més. Nous ne pou­vons donc pas effec­tuer autant de mesures que nous le sou­hai­te­rions. », déplore Lina Hadid. « Cepen­dant, par­mi ceux qui sont opé­ra­tion­nels pen­dant les sur­vols, il y a un spec­tro­mètre de masse ionique à bord de Mio appe­lé Mass Spec­trum Ana­ly­ser (MSA), que nous avons déve­lop­pé au LPP et auquel je par­ti­cipe. Ce spec­tro­mètre mesu­re­ra la com­po­si­tion ionique (par­ti­cules char­gées) autour de Mer­cure. » Bien que l’instrument FIPS à bord de MESSENGER l’ait déjà fait, il n’a pas été en mesure d’i­den­ti­fier les ions lourds (typi­que­ment, l’oxygène et au-delà) avec une grande pré­ci­sion en masse. De plus, le champ de vision de cet ins­tru­ment était très limité. 

« Le spec­tro­mètre MSA nous per­met­tra d’identifier dif­fé­rentes espèces ioniques telles que le magné­sium (Mg⁺, masse ato­mique M = 24 u), le sili­cium (Si⁺, 28 u), l’oxygène molé­cu­laire (O2⁺, 32 u), le potas­sium (K⁺, 39 u) ou le cal­cium (Ca⁺, 40 u) avec une réso­lu­tion en masse inéga­lée sur une mis­sion spa­tiale. Un autre ins­tru­ment auquel le LPP a par­ti­ci­pé à bord de Mio est le flux­mètre magné­tique à double bande (DBSC) dédié à la mesure des champs magné­tiques à haute fré­quence (100 mHz-640 kHz). »

Les pre­miers sur­vols de Vénus et de Mer­cure nous ont per­mis de cor­ri­ger cer­tains pro­blèmes liés au logi­ciel de bord.

La phase de croi­sière est éga­le­ment un moment impor­tant pour véri­fier que tous les ins­tru­ments à bord des deux orbi­teurs fonc­tionnent cor­rec­te­ment. « Il est très impor­tant pour nous de bien éta­lon­ner les ins­tru­ments dans l’espace pour nous assu­rer qu’ils fonc­tionnent comme pré­vu ! Par exemple, pour MSA, les pre­miers sur­vols de Vénus et de Mer­cure nous ont per­mis de cor­ri­ger cer­tains pro­blèmes liés au logi­ciel de bord, et nous étions donc impa­tients de voir les mesures lors du deuxième sur­vol de Mer­cure en juin 2022 !  Et de fait, lors de ce deuxième sur­vol, MSA a révé­lé la pré­sence de pro­tons et d’hélium (He⁺) pla­né­taires éner­gé­tiques. Nous avons éga­le­ment obser­vé des ions lourds, mais avec une den­si­té plus faible que celle détec­tée pré­cé­dem­ment par MESSENGER. Nous ana­ly­sons actuel­le­ment ces don­nées pour mieux com­prendre la source de ces ions. En même temps, nous atten­dons avec impa­tience le pro­chain sur­vol de Mer­cure en juin 2023 ! »

Sou­li­gnons enfin que Bepi­Co­lom­bo pour­rait même être en mesure de confir­mer – ou d’in­fir­mer – la pré­sence d’eau gla­cée sur Mer­cure, un sujet inten­sé­ment débat­tu depuis de nom­breuses années. Dans les années 1990, les cher­cheurs ont décou­vert, grâce au radio­té­les­cope Are­ci­bo, qu’il existe des régions au nord de la pla­nète, à des lati­tudes éle­vées, qui pré­sentent une réflec­ti­vi­té lumi­neuse anor­ma­le­ment éle­vée. À l’aide de ses camé­ras embar­quées, la mis­sion MESSENGER a obser­vé que ces zones coïn­ci­daient avec la pré­sence de cra­tères d’impact à la sur­face de Mer­cure. L’axe de rota­tion de la pla­nète n’é­tant pra­ti­que­ment pas incli­né (contrai­re­ment à celui de la Terre), ces cra­tères sont per­pé­tuel­le­ment dans l’ombre. 

« La réflec­ti­vi­té éle­vée pour­rait ain­si résul­ter de la pré­sence d’eau gla­cée au fond de ces cra­tères – une conclu­sion sur­pre­nante puisque Mer­cure est si proche du Soleil et si chaude ! » explique Lina Hadid. « Si ce résul­tat est confir­mé, les rayons du Soleil n’auraient jamais atteint cette glace d’eau, qui s’est for­mée il y a des mil­liards d’an­nées et qui n’au­rait donc jamais fon­du ! »

Propos recueillis par Isabelle Dumé

Dates clés de la mission

• 20 octobre 2018 (01:45:28 UT) : Lan­ce­ment depuis le centre spa­tial guyanais
• 13 avril 2020 : Sur­vol de la Terre
• 16 oct. 2020 : Sur­vol de Vénus
• 11 août 2020 : Sur­vol de Vénus 
• 1^er octobre 2021 : Pre­mier sur­vol de Mercure
• 23 juin 2022 : Sur­vol de Mercure
• 20 juin 2023 : Sur­vol de Mercure
• 5 sep­tembre 2024 : Sur­vol de Mercure
• 2 décembre 2024 : Sur­vol de Mercure
• 9 jan­vier 2025 : Sur­vol de Mercure
• 5 déc. 2025 : Inser­tion en orbite autour de Mercure
• 1^er mai 2027 : Fin de la phase nomi­nale de la mission
• 1^er mai 2028 : Fin de l’extension de la mission

Réfé­rences

https://​www​.esa​.int/​S​p​a​c​e​_​i​n​_​M​e​m​b​e​r​_​S​t​a​t​e​s​/​F​r​a​n​c​e​/​L​a​n​c​e​m​e​n​t​_​d​e​_​B​e​p​i​C​o​l​o​m​b​o​_​v​e​r​s​_​M​e​rcure