Mercure, dont le symbole (☿) est une représentation du caducée du dieu Hermès, équivalent de Mercure dans la mythologie grecque, est la plus petite planète du Système solaire et la plus proche du Soleil. Ce nom lui fut donné par les Romains en référence au messager des dieux, mais aussi protecteur des commerçants, à cause de la vitesse avec laquelle elle se déplace dans le ciel. Elle se caractérise par sa rapidité orbitale et ses conditions environnementales extrêmes, ce qui en fait un objet d'étude fascinant et complexe. Mercure est une planète tellurique, c’est-à-dire faite de roches, comme ses voisines Vénus, Mars et la Terre.
Caractéristiques Fondamentales et Mouvements Célestes
Mercure (symbole ☿) est la plus petite planète du Système solaire, avec un rayon équatorial de 2 439,7 km. Elle est plus petite, bien que plus massive, que deux satellites naturels du Système solaire, Ganymède et Titan. Sa masse est 18 fois inférieure à celle de la Terre. C'est également la plus proche du Soleil, son éloignement étant compris entre 0,31 et 0,47 unité astronomique (soit 46 et 70 millions de kilomètres). Le Soleil tout proche attire massivement la petite planète, qui se déplace à toute vitesse sur son orbite, à 170 000 km/h. Elle possède une période de révolution de 88 jours, ce qui en fait la plus rapide du Système solaire pour faire le tour du Soleil. Elle n'a pas de satellite connu. Mercure tourne sur elle-même en 59 jours terrestres.
Le couplage entre la révolution et la rotation de Mercure est unique : à chaque révolution, la planète effectue une rotation et demie. Cette résonance spin-orbite 3:2, une spécificité de Mercure, signifie que sa période de révolution (~88 jours) est exactement 1,5 fois sa période de rotation (~59 jours), et donc la moitié d'un jour solaire (~176 jours). Le jour sidéral (la période de rotation) dure environ 58,7 jours terrestres, tandis que le jour solaire (durée entre deux retours successifs du Soleil au méridien local) dure 176 jours terrestres, c'est-à-dire deux années mercuriennes.
Cette résonance 3:2 est stabilisée par la variance de la force de marée le long de l'orbite excentrique de Mercure, agissant sur une composante dipolaire permanente de la distribution de masse de Mercure, ainsi que par le mouvement chaotique de son orbite. Dans une orbite circulaire, il n'y a pas de telle variance, donc la seule résonance stabilisée pour une telle orbite est 1:1, comme celle observée entre la Terre et la Lune. Des modélisations précises basées sur un modèle des marées ont démontré que Mercure a été capturée dans cet état de spin-orbite 3:2 très tôt dans son histoire, entre 10 et 20 millions d'années après sa formation.
L'orbite de Mercure est la plus excentrique du Système solaire, avec une valeur d'environ 0,21. Cela implique que sa distance au Soleil varie de 46 à 70 millions de kilomètres au cours de sa révolution. Cette variation de distance par rapport au Soleil fait que la surface de Mercure est soumise à une force de marée exercée par le Soleil environ 17 fois plus forte que celle de la Lune sur Terre. L'excentricité de l'orbite de Mercure varie de manière chaotique de 0 (orbite circulaire) à une valeur très importante de plus de 0,45 sur plusieurs millions d'années du fait de l'influence des autres planètes. L'orbite de Mercure est inclinée de 7 degrés par rapport au plan de l'orbite terrestre (écliptique). Par conséquent, les transits de Mercure devant le Soleil ne peuvent avoir lieu que lorsque la planète traverse le plan de l'écliptique, au moment où elle se trouve entre la Terre et le Soleil, c'est-à-dire en mai ou en novembre.
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Les Particularités d'une Journée Mercurienne
L'inclinaison de l'axe de rotation de Mercure sur son plan orbital est la plus faible du Système solaire, à peine 2 minutes d'arc, soit environ 0,03 degré. Cela est significativement plus faible que celle de Jupiter, qui a la deuxième plus petite inclinaison axiale de toutes les planètes, à 3,1 degrés. Cette faible inclinaison, combinée à l'orbite très excentrique et à la résonance spin-orbite 3:2, crée des phénomènes célestes uniques pour un observateur hypothétique sur Mercure.
En certains points de la surface de Mercure, un observateur pourrait voir le soleil se lever à un peu plus des deux tiers de l'horizon, puis se coucher avant de se lever à nouveau, le tout au cours de la même journée mercurienne. En effet, quatre jours terrestres avant le périhélie (point de l'orbite le plus proche du Soleil), la vitesse orbitale angulaire de Mercure est égale à sa vitesse de rotation angulaire, de sorte que le mouvement apparent du soleil cesse. Plus près du périhélie, la vitesse orbitale angulaire de Mercure dépasse alors la vitesse de rotation angulaire. Ainsi, le soleil semble se déplacer dans une direction rétrograde.
Pour la même raison, il y a un couple de points sur l'équateur de Mercure (l'un d'entre eux étant situé dans le bassin Caloris), distants de 180 degrés en longitude, où à chacun desquels, un an mercurien sur deux (ce qui équivaut à une fois par jour mercurien), le soleil passe au-dessus d'est en ouest, puis inverse son mouvement apparent et passe à nouveau au-dessus d'ouest en est (lors du mouvement rétrograde), puis inverse son mouvement une seconde fois et passe au-dessus une troisième fois d'est en ouest. Au cours de l'année mercurienne alternée, c'est à l'autre point de ce couple que ce phénomène se produit. L'amplitude du mouvement rétrograde étant faible en ces points, l'effet global est que, pendant deux ou trois semaines, le soleil est presque stationnaire au-dessus du point, et est à son plus haut niveau de brillance parce que Mercure est au périhélie. Cette exposition prolongée au moment où la planète est au plus proche du Soleil fait de ces deux points les endroits les plus chauds sur Mercure (d'où le nom Caloris, signifiant « chaleur » en latin). Inversement, il y a deux autres points sur l'équateur, à 90 degrés de longitude de distance des premiers, où le soleil ne passe au-dessus que lorsque la planète est à l'aphélie (point de l'orbite le plus éloigné du Soleil), une année mercurienne sur deux, à un moment où le mouvement apparent du soleil dans le ciel de Mercure est relativement rapide. Ces points reçoivent ainsi beaucoup moins de chaleur solaire que ceux du couple décrits ci-dessus. Il en résulte une journée mercurienne également « étrange » pour un observateur qui y serait situé. Celui-ci verra le soleil se lever puis se recoucher, puis se relever à l'horizon est ; et à la fin de la journée à l'ouest, le soleil se couchera puis se relèvera, pour se recoucher.
Composition Interne et Densité Exceptionnelle
Mercure est l'une des quatre planètes telluriques du Système solaire, et possède un corps rocheux comme la Terre. Elle est composée d'environ 70 % de métaux (principalement dans le noyau) et de 30 % de silicate (principalement dans son manteau). La densité de Mercure est la deuxième plus élevée dans le Système solaire, avec 5,427 g/cm³, soit à peine moins que la densité de la Terre, qui est de 5,515 g/cm³. Alors que la haute densité de la Terre résulte sensiblement de la compression gravitationnelle, en particulier au niveau du noyau terrestre, Mercure est beaucoup plus petite et ses régions internes ne sont pas aussi comprimées.
La structure interne de Mercure est dominée par un gros noyau riche en fer, d'un diamètre de 3 600 km. Ce noyau représente environ 85 % de son rayon et occuperait ainsi environ 61,4 % de son volume, contre 17 % pour la Terre. Ce noyau métallique, vraisemblablement liquide, prend près des deux tiers de son volume. Par comparaison, si le noyau de la Terre contient 33 % de la masse de notre planète, celui de Mercure contient plus de 55 % de sa masse. Cette forte proportion du noyau ferreux rend la planète très dense, la plus dense des planètes du Système solaire. Des recherches publiées en 2007 ont un temps suggéré que le noyau de Mercure était totalement liquide (nickel et fer). Plus récemment, d'autres études utilisant des données de la mission MESSENGER, achevée en 2015, amènent cependant les astronomes à penser que le noyau interne de la planète est en réalité solide. Autour du noyau se trouve une couche centrale externe solide de sulfure de fer et un manteau composé de silicates, avec plausiblement une composition analogue à celle des chondrites à enstatite auquel cas il serait constitué majoritairement de pyroxénites. Sa croûte rocheuse n’est pas très épaisse, une dizaine de km seulement. En dessous se trouve un manteau de roches semi-fondues composé principalement de fer, de soufre et de silicate, qui s’entend sur environ 600 km. La présence d'un aussi gros noyau pour une petite planète reste actuellement un mystère, et les futures sondes tenteront de savoir pourquoi.
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Environnement de Surface et Exosphère Ténue
La quasi-absence d'atmosphère sur Mercure a des conséquences drastiques sur son environnement de surface. Mercure ne possède pas de véritable atmosphère, mais plutôt une exosphère, composée de quelques traces de gaz et de particules déposées par le vent solaire. Dépourvue de véritable atmosphère pouvant la protéger des météorites (il n'existe qu'une exosphère exerçant une pression au sol de moins de 1 nPa ou 10⁻¹⁴ atm), sa surface est très fortement cratérisée. Comme l'atmosphère est quasiment inexistante, la chaleur fournie par le Soleil est très vite absorbée le jour et très vite rejetée la nuit. Les écarts de température à la surface sont donc très importants : de −180 °C la nuit à 420 °C le jour, soit 600 °C de différence. Cette absence d'atmosphère combinée à la proximité du Soleil engendre des températures en surface allant de 90 K (−183 °C) au fond des cratères polaires (là où les rayons du Soleil ne parviennent jamais) jusqu'à 700 K (427 °C) au point subsolaire au périhélie.
Puisque l'atmosphère est très peu dense et donc très fine, elle ne protège pas des rayons ultraviolets du Soleil et ne crée pas d'effet de serre comme sur la planète Terre. Comme l'atmosphère ne retient pas la chaleur accumulée pendant la journée, bien que la face exposée au Soleil soit très chaude (430 °C), la partie cachée du Soleil est extrêmement froide (−180 °C). De plus, bien que l'atmosphère contienne beaucoup d'oxygène, elle n'est pas assez dense pour pouvoir respirer. La faible densité de l'atmosphère est sans doute due à la forte chaleur et à la petite taille de la planète. On pense que l'atmosphère aurait été emportée par ce que l'on appelle du "vent solaire", il s'agit de particules chargées électriquement, provenant du Soleil. Certains pensent que Mercure serait une planète chtonienne. Cela signifie qu'il s'agissait d'une planète géante gazeuse, mais dont tout le gaz s'est évaporé dans l'espace en raison de la chaleur et du vent solaire, et Mercure ne serait aujourd'hui que le noyau d'une ancienne planète. Cette atmosphère contient des traces de calcium à l'état de vapeur, ainsi que de sodium et de potassium.
Une Surface Façonnée par les Impacts et le Volcanisme Ancien
La surface de Mercure ressemble à celle de la Lune : un désert truffé de cratères. Ces cicatrices sont les traces des nombreux impacts météoritiques subis durant sa formation. La surface de Mercure est couverte de cratères de météorites datant d'environ 4 milliards d'années. Mercure s'est formée il y a environ 4 milliards d'années. Comme toutes les planètes du Système solaire, elle a subi de nombreux impacts de météorites, qui ont permis des écoulements de lave, ce qui a formé de vastes plaines. La surface de Mercure a très peu changé depuis car il n'y a pas eu d'éléments modifiant la surface de la planète par l'érosion comme du vent ou de l'eau.
Le cratère le plus célèbre est le bassin Caloris. Il date de 3,9 milliards d'années et il s'agit du plus gros cratère de Mercure. La planète est également sillonnée de plaines, vestiges d’anciennes coulées de lave survenues lors d’éruptions volcaniques ou provoquées par des chutes de météorites. Sur cette planète, on observe des zones plutôt lisses, où la roche est plus jeune. L'origine volcanique de ces plaines a été confirmée en 1990. Pourtant, il n'y a pas de volcans visibles à sa surface. On pense que les éruptions se produisaient quand une météorite suffisamment grosse créait un cratère suffisamment profond pour atteindre le manteau de la planète. La lave pouvait alors remonter jusqu'à la surface, en se solidifiant. À sa formation, Mercure était probablement une planète volcanique très active, très chaude. Puis, elle s’est refroidie et sa croûte s’est formée. Pendant ce long refroidissement, elle se serait contractée en plissant sa surface. Son diamètre aurait alors diminué d’au moins 14 km, en faisant d’elle la plus petite planète de notre Système solaire.
Le Champ Magnétique de Mercure
Ce noyau ferreux donne également à la planète un champ magnétique, mais il fait seulement 1,1 % de la puissance de celui de la Terre. Il ne suffit donc pas à protéger la planète du vent solaire, mais le ralentit seulement. La présence d’un champ magnétique autour de Mercure intrigue les scientifiques. Il ne peut pas être généré par un effet de dynamo produit par la rotation de son noyau, car elle tourne trop lentement sur elle-même, ce qui remet en question les modèles habituels de génération de champs magnétiques planétaires.
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Des Observations Anciennes aux Découvertes Modernes
Mercure fut l'une des premières planètes observées ; on retrouve des informations à son sujet en Mésopotamie, 2000 ans AEC. Mercure est connue depuis que l'Homme s'intéresse au ciel nocturne. Les premiers à avoir laissé des traces écrites concernant les observations de cette planète datent de 3000 ans AEC : elles ont été laissées par la civilisation sumérienne, qui est la première à avoir inventé l'écriture. Les premiers écrits plus détaillés sur la planète Mercure viennent des Babyloniens. Les Grecs, eux, pensaient que Mercure visible avant le lever du soleil et Mercure après le coucher de soleil étaient deux objets distincts. Ils leur ont donné les noms respectifs d'Apollon et de Hermès.
Le premier à avoir fait des observations de Mercure, afin d'en connaître le relief, était l'astronome allemand Johann Hieronymus Schröter (1745 - 1816). Par la suite, des astronomes ont fait des cartes de Mercure. Alors qu'il étudiait Mercure afin d'en dresser une première carte, Schiaparelli remarque après plusieurs années d'observation que la planète présente toujours la même face au Soleil, comme la Lune le fait avec la Terre. Il en conclut alors en 1889 que Mercure est synchronisée par effet de marée avec le Soleil et que sa période de rotation équivaut à une année mercurienne, soit 88 jours terrestres. Cependant, en 1962, des observations par radar à effet Doppler effectuées par le radiotélescope d'Arecibo sur Mercure ont révélé des températures trop importantes du côté censé être toujours exposé à l'ombre, suggérant que cette face sombre est en réalité parfois exposée au Soleil. En 1965, les résultats obtenus par Gordon Pettengill et Rolf B. Dyce révèlent que la période de rotation de Mercure est en fait de 59 jours terrestres, avec une incertitude de 5 jours. Cette période sera ajustée plus tard, en 1971, à 58,65 jours à ± 0,25 jours grâce à des mesures plus précises - toujours par radar - effectuées par R.M. Goldstein. Trois ans plus tard, la sonde Mariner 10 apporte une meilleure précision, mesurant la période de rotation à 58,646 ± 0,005 jours. La raison pour laquelle les astronomes pensaient que Mercure était verrouillée avec le Soleil est que, à chaque fois que Mercure était la mieux placée pour être observée, elle se trouvait toujours au même point sur son orbite (en résonance 3:2), présentant ainsi la même face à la Terre ; ce qui serait aussi le cas si elle était totalement synchronisée avec le Soleil. Cela est dû au fait que la période de rotation réelle de Mercure de 58,6 jours est presque exactement la moitié de la période synodique de Mercure valant 115,9 jours (c'est-à-dire le temps mis par Mercure pour revenir à la même configuration Terre-Mercure-Soleil) par rapport à la Terre.
La Précession Anormale du Périhélie : Un Défi pour la Physique Classique
Comme pour l'ensemble des planètes du Système solaire, l'orbite de Mercure connaît une très lente précession du périhélie autour du Soleil, c'est-à-dire que son orbite est elle-même en rotation autour du Soleil. Les astronomes ont donc, dans un premier temps, pensé à la présence d'un ou de plusieurs corps entre le Soleil et l'orbite de Mercure dont l'interaction gravitationnelle perturberait le mouvement de cette dernière. L'astronome français Urbain Le Verrier, qui avait découvert en 1846 la planète Neptune à partir d'anomalies dans l'orbite d'Uranus, se penche sur le problème et suggère la présence d'une planète inconnue ou d'une seconde ceinture d'astéroïdes entre le Soleil et Mercure. Le 28 mars 1859, Le Verrier est contacté par le médecin français Edmond Lescarbault à propos d'une tache noire qu'il aurait vu passer devant le Soleil deux jours avant et qui était probablement, selon lui, une planète intramercurienne. Le Verrier postule alors que cette planète - qu'il nomme Vulcain - est responsable des anomalies du mouvement de Mercure et se met en tête de la découvrir. À partir des informations de Lescarbault, il conclut que Vulcain tournerait autour du Soleil en 19 jours et 7 heures à une distance moyenne de 0,14 UA. Il déduit également un diamètre d'environ 2 000 km et une masse de 1/17e de celle de Mercure. Le Verrier profite alors de l'éclipse de Soleil de 1860 pour mobiliser tous les astronomes français afin de repérer Vulcain, mais personne ne put la trouver.
En 1916, Albert Einstein avance la théorie de la relativité générale. En appliquant les paramètres dits post-képlériens de sa théorie au mouvement de Mercure, Einstein fournit l'explication de la précession observée en formalisant la gravitation comme étant affectée par la courbure de l'espace-temps. L'effet est faible : seulement ~43 secondes d'arc par siècle pour Mercure, il faut donc environ 2,8 millions d'années pour un tour complet en excès (ou douze millions de révolutions), mais coïncide bien avec l'avance du périhélie précédemment mesurée. Cette prédiction validée constitue un des premiers grands succès de la relativité générale naissante.
L'Exploration Spatiale de Mercure
Très proche du Soleil, Mercure est souvent éclipsée par la lumière de notre étoile et ne peut donc pas être observée à la lunette. Difficile en outre d’envoyer un engin au voisinage du Soleil dont l’attraction et les rayonnements peuvent être fatals. Malgré sa proximité relative de la Terre (au plus près à 77 millions de km de la Terre, soit 8 fois plus proche que Jupiter qui a accueilli sa première sonde orbitale en 1995), le voyage vers Mercure est long et périlleux. Il faut réussir à se placer dans l’orbite de Mercure sans se faire happer par l’attraction du Soleil.
Seules deux sondes spatiales ont étudié Mercure. En 1974, la sonde spatiale Mariner 10, de la NASA, apporte des photographies haute résolution de la surface de Mercure et dresse une carte de 40 % de sa surface, et découvre l'existence de son champ magnétique. La sonde a effectué trois survols : le premier, en mars 1974, à seulement 703 kilomètres d'altitude, a permis de découvrir l'exosphère de la planète et d'obtenir des photos très détaillées. Le second survol, quelques mois plus tard, était bien plus distant, il avait pour but d'obtenir la carte de Mercure.
Après deux survols par la sonde américaine Mariner 10 en 1973 et 1974, Mercure n’a plus été visitée jusqu’en 2011. En 2004, la sonde MESSENGER (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging) a décollé de Cap Canaveral, en Floride. Elle a atteint Mercure en 2008. Après trois survols en 2008-2009, elle s'est mise en orbite autour de Mercure en mars 2011 et a réalisé une étude détaillée notamment de sa topographie, son histoire géologique, son champ magnétique et son exosphère. La mission devait durer 1 an, mais elle fut prolongée jusqu'à 2015.
La seconde mission envoyée en orbite de Mercure a été lancée en 2018. L'agence spatiale européenne (ESA), en collaboration avec le Japon, a mis en place la mission BepiColombo. Baptisée BepiColombo, elle a emporté deux sondes, l’une européenne, l’autre japonaise. Le lancement a eu lieu le 19 octobre 2018. Les deux sondes ont été lancées simultanément et sont des orbiteurs (qui seront donc mis en orbite autour de Mercure). Le premier orbiteur, MPO (Mercury Planetary Orbiter), fabriqué par l'ESA, a pour but d'étudier à distance la structure interne de Mercure, ainsi que sa très mince atmosphère et de cartographier Mercure, d'étudier sa structure interne et la composition de sa surface. MMO (Mio), l'autre orbiteur, fabriqué par l'agence spatiale japonaise (JAXA), est plutôt dédié à l'analyse du champ magnétique de Mercure et de la magnétosphère de la planète. Les deux sondes voyagent actuellement à bord d'un module unique, qui arrivera autour de Mercure en 2026.
Dans un futur encore plus lointain, il serait possible d'envoyer une colonie humaine dans un cratère situé au pôle Nord de la planète, dans une zone en permanence à l'ombre, donc très froide. Il y a également de la glace, qui reste à l'état solide, étant donné que la zone n'est jamais exposée au soleil. D'autres solutions ont été imaginées, comme installer une base sous le sol, ce qui la protégerait du rayonnement solaire. La colonisation de Mercure a ses avantages, dont sa gravité plus élevée que sur la Lune (proche de celle de Mars). La faible gravité ayant un impact négatif sur la santé à long terme, une gravité plus élevée est donc privilégiée, bien que celle de Mercure reste bien plus faible que sur Terre.
Transits et Proximité avec la Terre
Il arrive parfois que Mercure passe devant le Soleil, ce que l'on appelle un transit. Ce phénomène est assez rare. Les derniers transits ont eu lieu en 2003, 2006 et en 2016 et se produisent généralement 14 fois par siècle. Mercure atteint sa conjonction inférieure (point où elle est au plus proche de la Terre) tous les 116 jours terrestres en moyenne (ce qu'on appelle la période synodique), mais cet intervalle peut aller de 105 jours à 129 jours, en raison de l'orbite excentrique de la planète. Entre 1900 et 2100, Mercure s'est approchée au minimum, (et ne s'approchera donc pas plus), de la Terre d'environ 82,1 millions de kilomètres (soit 0,55 unité astronomique), le 31 mai 2015. Sa période de mouvement rétrograde peut varier de 8 à 15 jours terrestres de part et d'autre de la conjonction inférieure. Du fait de sa proximité avec le Soleil, c'est Mercure, et non Vénus, qui est la planète la plus proche de la Terre en moyenne, même si l'orbite de Vénus est la plus proche de celle de la Terre.