« BepiColombo est désormais en route pour l’enfer de la planète Mercure »

Le 19 octobre 2018 au soir, la sonde BepiColombo s’est élancée vers une planète quasi inconnue du système solaire : Mercure. La mission la plus périlleuse jamais lancée par l’Agence spatiale européenne.

Attention, casse-tête ! Bepi Colombo « c’est la mission d’exploration la plus compliquée que l’Agence spatiale européenne (ESA) ait jamais organisée », confie Pierre Bousquet, planétologue au Centre national d’études spatiales (Cnes). Davantage encore, selon lui, que Rosetta qui avait pourtant tenu le monde en haleine en faisant atterrir un robot sur la comète « Tchouri » en 2014… Après plusieurs reports et vingt ans de préparation, la sonde BepiColombo, conçue par l’ESA en collaboration avec l’Agence spatiale japonaise (JAXA) pour près de 1,3 milliard d’euros a bien décollé, le 19 octobre 2018, pour la planète Mercure. Depuis Kourou (Guyane), une fusée Ariane-5 a propulsé hors de l’atmosphère terrestre l’imposant vaisseau de plus de 4 tonnes et 6 mètres et demi de haut. Objectif ? Mercure, la plus petite planète du système solaire (seulement 1,4 fois plus grosse que la Lune), qui est aussi la plus proche du Soleil. Elle se situe en moyenne à 58 millions de kilomètres de notre étoile, contre 149 millions de kilomètres pour la Terre.

Or Mercure est également la moins connue et la plus mystérieuse de toutes ! Seules deux missions de la NASA l’ont en effet visitée par le passé : Mariner 10, qui l’a survolée à trois reprises en 1974 et 1975, et Messenger qui a orbité autour d’elle entre 2011 et 2015. Bien peu au regard de la quarantaine de missions martiennes planifiées jusqu’à présent… Car, paradoxalement, atteindre Mercure et résister à ses conditions dantesques est infiniment plus complexe que de rallier la planète Rouge.

Un bouclier thermique de 200 kg

Il est effectivement très difficile d’explorer cette partie du système solaire et de placer une sonde aux abords de Mercure », explique François Leblanc, du Laboratoire atmosphères, milieux, observations spatiales (Latmos) à Sorbonne Université, à Paris. Le planétologue fait partie de la centaine de scientifiques français associés à la mission BepiColombo, ainsi dénommée en hommage à l’ingénieur et mathématicien italien Giuseppe « Bepi » Colombo, un des principaux architectes de la mission pionnière Mariner 10. Les défis à relever sont légion. « Le premier d’entre eux concerne la mise en orbite elle-même, qui nécessite des manoeuvres extrêmement délicates et énormément d’énergie », précise l’expert. En raison de sa masse peu importante, Mercure n’exerce en effet qu’une très faible force gravitationnelle en comparaison de celle du Soleil.

Conséquence : pour être capturée par la gravité de Mercure et résister à la puissante attraction de notre étoile, BepiColombo ne pourra pas suivre un chemin direct comme le font les missions martiennes. Une fois arrachée à l’attraction terrestre, elle devra faire moult détours et réduire sa vitesse pendant la plus grande partie du trajet, afin d’adopter la même orbite et la même vitesse de révolution que sa cible. Un « coup de frein » acrobatique ! Pour s’insérer tout en douceur, la sonde utilisera ses moteurs ioniques mais se servira surtout de l’assistance gravitationnelle de la Terre (une fois), de Vénus (deux fois) et de Mercure elle-même (six fois), en décrivant des cercles concentriques. Au final, alors que cette dernière ne se situe qu’à une centaine de millions de kilomètres à « vol d’oiseau », BepiColombo affichera 8,9 milliards de kilomètres au compteur… et n’arrivera à destination qu’au terme d’un voyage de sept ans !

Et son calvaire ne fera que commencer… Car les conditions régnant sur cette petite planète posent elles aussi d’énormes difficultés. On y relève la plus grande amplitude thermique dans le système solaire, la température pouvant grimper jusqu’à 430 °C en journée et tomber à -180 °C côté nuit. Le flux de particules énergétiques y est par ailleurs dix fois plus intense, le rayonnement infrarouge étant lui-même vingt fois plus important. Un véritable « barbecue » auquel les instruments scientifiques embarqués sur BepiColombo devront résister. Fabriqué entièrement par le Latmos, le spectromètre ultraviolet Phebus a été ainsi spécialement conditionné pour survivre à cet enfer. Conçu pour étudier sa très fine atmosphère – nommée « exosphère » en raison de la pression qui ne dépasse pas un millième de milliardième de bar – « il n’emmagasine qu’un millionième des rayonnements réfléchis, afin de ne pas être aveuglé ni détruit par la chaleur et les réactions d’oxydation », indique François Leblanc. « Les équipements des véhicules ont nécessité eux aussi des choix inhabituels et de longues années de recherche et développement, avec des moyens d’essai poussés dans leurs retranchements », poursuit Pierre Bousquet, qui coordonne les contributions françaises à la mission BepiColombo. Les tests préliminaires ont montré, par exemple, que les panneaux solaires servant à alimenter les moteurs ioniques ne résisteraient jamais à pareil environnement. Exposées à de tels niveaux de radiations, les colles se résorberaient et les cellules photovoltaïques seraient complètement grillées bien avant d’arriver à destination. Les panneaux seront donc progressivement inclinés à mesure que BepiColombo s’approchera de Mercure, de façon à absorber les rayonnements sous un angle de 10 degrés pendant les saisons les plus chaudes et capter uniquement 17 % de la lumière qui serait reçue perpendiculairement.

Les déperditions seront certes énormes, mais elles seront compensées par 10 panneaux mobiles, d’une longueur totale dépassant 30 mètres, davantage qu’un terrain de basket !

Pendant son périple, BepiColombo sera également protégée par un bouclier thermique de 200 kg comportant sept couches de titane et pouvant supporter des températures externes de 450 °C. Il formera le dernier étage du vaisseau auquel seront arrimées deux plates-formes scientifiques ainsi que le module de propulsion. Quand le vaisseau atteindra la planète grise et surchauffée en 2025, ce module et la coiffe seront libérés, tandis que les engins robotisés se placeront chacun sur une orbite différente. Le premier gravitera autour du corps rocheux sur une trajectoire basse et légèrement elliptique (entre 500 et 1.500 km de la surface). Sous la supervision de l’ESA, il sondera l’intérieur, la surface et l’exosphère de la planète en utilisant onze instruments (spectromètres, altimètre laser, magnétomètre, etc.). Développé par son homologue japonais, le second suivra une orbite beaucoup plus elliptique (entre 600 et 12 000 km de la surface). Il analysera tout particulièrement les particules chargées (ions et électrons) du vent solaire ainsi que le champ magnétique de Mercure avec ses cinq instruments (magnétomètre, détecteurs d’ondes de plasma et de particules…).

Un champ magnétique aux origines inconnues

« L’étude de ce champ magnétique est un des objectifs principaux de la mission », souligne Benoît Langlais, du laboratoire de planétologie et géodynamique de l’université de Nantes. Avec la Terre, Mercure est en effet la seule planète rocheuse du système solaire à posséder un champ intrinsèque, Mars et Vénus en étant dépourvues. Il est certes bien moins intense que celui de la Terre (500 nanoteslas, soit 1 % de son intensité). Mais il s’agit également d’un champ dipolaire, formant d’immenses boucles magnétiques orientées comme un aimant selon un axe nord-sud. Son existence a été découverte dans les années 1970 par Mariner 10, suscitant d’épineuses questions. Quelle est son origine ? Comment une planète aussi petite et tectoniquement inactive aujourd’hui a-t-elle pu maintenir un tel phénomène pendant des milliards d’années ? « Les réponses gisent dans les profondeurs de Mercure. Elles tiennent probablement dans la composition atypique et la taille surdimensionnée de son noyau, où les mouvements de couches métalliques liquides produiraient un effet dynamo. Mais c’est pour le moment un mystère », reconnaît Benoît Langlais. Pour le résoudre, il est essentiel de cartographier les lignes de champ autour du corps céleste, ce que Messenger n’a fait que pour l’hémisphère nord. Il faut également distinguer le champ intrinsèque des phénomènes magnétiques engendrés par le vent solaire, si puissant dans cette région.

En circulant alternativement à l’intérieur et à l’extérieur de la cavité magnétosphérique, les orbiteurs européen et japonais distingueront les deux contributions. Ils détermineront ainsi la limite et les propriétés de la magnétosphère, ce qui permettra, en retour, de savoir comment l’intérieur de la planète est structuré. De manière plus générale, ces données permettront aussi de mieux comprendre le champ magnétique terrestre, qui joue un rôle essentiel dans le développement de la vie en déviant les particules mortelles du vent solaire. « Nous modélisons encore très mal les mécanismes engendrant ce champ magnétique, indique Philippe Zarka, directeur de recherche à l’observatoire de Paris. Aucune simulation ne rend compte, quantitativement, de toutes ses propriétés. Mais en fournissant des éléments de comparaison et de nouvelles données sur celui de Mercure, BepiColombo permettra d’importantes avancées. »

Cette mission livrera, enfin, de précieuses informations sur l’histoire du système solaire. Mercure est en effet l’ultime témoin de la partie la plus interne du disque protoplanétaire, ce nuage de gaz et de poussières qui s’est refroidi et condensé pour donner naissance aux planètes il y a 4,5 milliards d’années. En dévoilant la composition et la structure interne de cette minuscule planète, BepiColombo apportera ainsi des éléments clés sur la nébuleuse primitive et la manière dont le système solaire s’est formé.

Un nouveau test pour la relativité générale

Les instruments embarqués sur la mission BepiColombo testeront les prédictions de la relativité générale avec une précision inégalée. En 1915, Albert Einstein avait déjà utilisé l’orbite de Mercure pour apporter la première preuve de sa théorie. Elle permettait d’expliquer une  » anomalie  » dans le déplacement progressif du périhélie de la planète (le point où elle est le plus proche du Soleil), contrairement à la théorie newtonienne de la gravitation. Grâce à son transpondeur et à son accéléromètre conçu par l’Institut italien d’astrophysique, BepiColombo déterminera ce déplacement avec une précision dix plus fois importante que les mesures actuelles. On saura ainsi si la relativité générale est toujours valide dans cette gamme plus contraignante de données.

Plus proche planète du Soleil, Mercure a une période de révolution de 88 jours terrestres, la plus rapide du système solaire.

La plate-forme scientifique MPO de l’ESA (à gauche) étudiera la surface et la composition de Mercure, tandis que la plate-forme japonaise MIO s’intéressera au champ magnétique et à la magnétosphère.

Sources

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