MESSENGER

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MESSENGER

Description de l'image  MESSENGER on the Delta II 7925 H third stage.jpg.
Caractéristiques
Organisation NASA
Domaine Étude de Mercure
Type de mission Orbiteur
Masse 1 093 kg
Lancement
Lanceur Delta II 7925H-9.5
Fin de mission
Durée 2 ans (8 ans et 7 mois depuis le lancement)
Orbite polaire
Périapside 200 km
Apoapside 15 193 km puis 10 300 km
Période 12 heures puis 8 heures
Inclinaison 82,5°
Programme Programme Discovery
Index NSSDC 2004-030A

Le programme MESSENGER (en anglais Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry and Ranging, soit en français « Surface, environnement spatial, géochimie et télémétrie de Mercure ») est une mission d’étude de la planète Mercure de l’agence spatiale américaine NASA. La sonde spatiale, lancée en 2004, se place en orbite autour de la planète le . L’objectif de la mission est d’effectuer une cartographie complète de la planète, d’étudier la composition chimique de sa surface et de son exosphère, son histoire géologique, sa magnétosphère, la taille et les caractéristiques de son noyau ainsi que l’origine de son champ magnétique. Mercure, planète la plus proche du Soleil, est quasiment inexplorée : MESSENGER n’a été précédée que par la sonde Mariner 10 qui a survolé la planète à trois reprises en 1974 et 1975. Les données que la mission a collectées doivent contribuer à affiner la connaissance des mécanismes de formation et d’évolution du Système solaire.

La mise en orbite d’une sonde autour de Mercure nécessite, en vol direct, de pouvoir réduire la vitesse orbitale de la sonde de 13 km/s. Aussi, jusqu’à l’arrivée de MESSENGER, aucune sonde n’a été placée en orbite autour de Mercure. Les progrès réalisés dans le domaine de la mécanique spatiale dans les années 1980 et 1990 ont permis de mettre au point des trajectoires balistiques et indirectes exploitant l’assistance gravitationnelle des planètes qui permettent de placer une sonde en orbite autour de Mercure en ayant recours à des phases propulsives limitées. Durant son transit de sept ans vers la planète, MESSENGER a effectué ainsi six survols rapprochés des planètes intérieures (la Terre, Vénus à deux reprises et Mercure à trois reprises) avec quelques corrections de trajectoire intermédiaires, ce qui lui a permis de limiter la masse de carburant embarqué par la sonde à un peu plus de 50 % de sa masse totale.

MESSENGER, sélectionnée en 1999, est la septième mission du programme Discovery. Celui-ci rassemble des projets d’exploration du système solaire à coût modéré et durée de développement courte. La sonde, dont la masse, ergols compris, est de de 1,1 tonne, emporte sept instruments scientifiques dont plusieurs spectromètres, un altimètre laser, un magnétomètre et des caméras. Les spécifications techniques de la sonde et l’orbite retenue pour la partie scientifique de la mission sont largement dictées par les températures qui peuvent atteindre 350 °C. La sonde doit effectuer ses relevés depuis une orbite polaire fortement elliptique de 200 km × 15 000 km.

Les instruments de la sonde spatiale ont fourni en 2013 un grand nombre d'informations scientifiques : la couverture photographique de la planète, désormais complète, a révélé des formations qui n'ont jusqu'à présent pas trouvé d'explications ; plusieurs découvertes inattendues sur la composition du sol de Mercure ont été effectuées tandis que le champ magnétique mesuré a confirmé la présence d'un noyau partiellement liquide. La durée de la mission fixée initialement à un an a été prolongée jusqu'en mars 2013 sur une orbite plus rapprochée permettant à la sonde d'allonger le temps d'observation de ses instruments.

Sommaire

Contexte[modifier | modifier le code]

Historique[modifier | modifier le code]

La sonde Mariner 10.

La seule sonde spatiale à avoir approché Mercure avant MESSENGER est Mariner 10 qui l’a survolé à trois reprises en 1974 et 1975. Cette sonde, lancée le 3 novembre 1973 en direction de Vénus, a utilisé pour la première fois l’assistance gravitationnelle d’une planète (Vénus) pour atteindre Mercure dont le survol n’était pas prévu au lancement. Équipée d’une caméra, d’un magnétomètre et de plusieurs spectromètres Mariner 10 a permis notamment la découverte d’un champ magnétique significatif et de la forte densité de la planète révélatrice d’un noyau ferreux de grande taille. Les télescopes terrestres les plus puissants n’avaient pas permis d’obtenir des images de qualité de la surface du fait de la proximité de l’alignement avec le Soleil. Les photos prises par Mariner 10 ont permis de cartographier près de 45 % de la surface de la planète avec une résolution d’environ 1 km et révéler une surface ancienne couverte de cratères à l’apparence très proche de celle de la Lune[1]. Aucune mission ne s’est depuis rendue sur Mercure. En effet la mise en orbite autour de la planète d’une sonde spatiale nécessite de faire face à deux difficultés que seules des évolutions relativement récentes de la technique astronautique ont permis de surmonter. Pour se placer en orbite autour de Mercure en suivant une trajectoire directe, une sonde lancée depuis la Terre doit, en vol direct (orbite de Hohmann) réduire sa vitesse orbitale de 13 km/s sans compter l'énergie nécessaire pour se placer dans le plan orbital de Mercure qui est incliné de 7° par rapport à l’écliptique[2]. Le recours à une trajectoire directe est donc particulièrement coûteux. Au milieu des années 1980 les progrès dans le domaine de la mécanique spatiale rendent ce type de mission réalisable à un coût raisonnable grâce à un enchainement de manœuvres d’assistance gravitationnelle. La proximité du Soleil constitue la deuxième difficulté d’une mission vers Mercure : une sonde orbitant autour de la planète reçoit onze fois plus d’énergie du Soleil que lorsqu’elle se situe sur une orbite terrestre et le sol de Mercure sur sa face éclairée réfléchit une grande partie de la chaleur qu’il reçoit du Soleil accroissant les contraintes thermiques subies par un engin croisant à basse altitude.

À la fin des années 1980, un groupe de travail formé de scientifiques étudie à la demande de la NASA une mission orbitale vers Mercure. Le scénario retenu comporte deux sondes lancées par une fusée Titan IV-Centaur et utilisant à plusieurs reprises l’assistance gravitationnelle pour atteindre Mercure après un transit de quatre ans. Les deux sondes identiques ont une masse sèche de 1 tonne et emportent 1,6 tonnes de carburant et 100 kg d’instruments scientifiques consommant environ 100 watts. Les deux sondes doivent être injectées sur des orbites de 12 heures avec un périgée à 200 km situé pour l’une au niveau du pôle nord et pour l’autre au niveau de l’équateur. Durant la première moitié de la mission d’une durée d’un an les sondes qui circulent avec des inclinaisons écartées de 60° se concentrent sur l’étude de la magnétosphère puis se rejoignent sur une inclinaison pour l’étude de la surface de la planète. Aucun suite n’est donnée à cette étude[3].

MESSENGER, septième mission du programme Discovery[modifier | modifier le code]

Le lancement par la NASA en 1992 du programme Discovery dont l’objectif est la mise sur pied de missions scientifiques à coût modéré permettant un rythme de lancement rapide, ouvre de nouvelles opportunités pour les projets d’exploration du système solaire. Pour le premier appel à candidatures de 1994, deux propositions de mission sur 28 ont pour thème l’exploration de Mercure mais ce sont les missions CONTOUR, Genesis, Stardust et Lunar Prospector qui sont pré-sélectionnées. Pour l’appel à candidatures suivant, en décembre 1996, une mission vers Mercure passe le stade des pré-sélections mais n’est finalement pas retenue. Le même scénario de mission vers Mercure est de nouveau proposé pour l’appel à idées de juin 1998 avec quelques changements dans la charge utile scientifique embarquée : ce projet réussit à franchir les étapes de sélection et est désigné comme la septième mission du programme Discovery. Le lancement est prévu pour mars 2004 avec une fenêtre de lancement de secours en août 2004[3]. Le coût de la mission est alors estimé à 286 millions $. Le laboratoire APL de l’Université Johns-Hopkins est retenu pour la construction de la sonde spatiale. Le responsable scientifique de la mission est Sean C. Solomon du Carnegie Institution of Washington[4]. Contrairement à Mariner 10 qui n’a fait que survoler la planète avec des temps d’observation très courts, MESSENGER doit se placer en orbite autour de Mercure et recueillir des données durant au moins un an. La sonde emporte une instrumentation scientifique plus diversifiée et offrant des performances sans commune mesure avec celle de son prédécesseur : ainsi la résolution d’une de ses caméras est 100 fois meilleure que celle de Mariner 10. Le nom retenu pour la sonde, MESSENGER, fait référence au fait que Mercure était le messager (messenger en anglais) des dieux dans la mythologie romaine.

Les choix d'architecture de la mission[modifier | modifier le code]

Schéma 1 Assistance gravitationnelle : V1 = vitesse de la sonde avant le survol de la planète, V2 = Après le survol, VH1 = vitesse orbitale par rapport au Soleil avant le survol de la planète, VH2 = après le survol.

Comme toutes les missions du programme Discovery, MESSENGER doit obligatoirement utiliser pour des raisons de coût le lanceur Delta, dont la version la plus puissante 7925 H permet de placer 1,1 tonne sur une trajectoire interplanétaire. La capacité d’emport en carburant est donc limitée et pour parvenir à décélérer suffisamment la sonde a recours à six reprises à l’assistance gravitationnelle d’une planète. Cette manœuvre (cf. schéma 1) consiste à survoler une planète à faible altitude et sous un angle prédéterminé. Sous l’influence du champ de gravité de la planète, le vecteur vitesse de la sonde (V1 et V2 sur le schéma 1) subit une rotation tout en conservant la même magnitude. Toutefois la vitesse orbitale par rapport au Soleil (Vh1 et Vh2 sur le schéma 1) est modifiée et dans le cas illustré sensiblement réduite : les survols à faible altitude de la Terre, de Vénus à deux reprises et enfin de Mercure à trois reprises permettent tout à la fois de réduire la vitesse, modifier l’orbite et effectuer le changement de plan orbital rendu nécessaire par l’inclinaison de Mercure par rapport à l’écliptique (7°). La contrepartie de ces manœuvres est une durée de transit particulièrement longue (presque sept ans) entre la Terre et Mercure qui nécessite de s’assurer de la fiabilité des équipements dans la durée en multipliant les redondances[5].

La sonde doit emporter 600 kg de carburant qui sont consommés par les corrections de trajectoire durant le transit entre la Terre et Mercure, l’insertion en orbite autour de Mercure et les modifications de son orbite autour de Mercure. Différentes méthodes ont été utilisées pour limiter la masse à sec restante à ce qu’autorise la capacité du lanceur soit 500 kg, sans sacrifier l’instrumentation scientifique. La structure de la plate-forme, des réservoirs et du pare-soleil, rendu nécessaire par la proximité du Soleil, a recours à des matériaux élaborés permettant d’alléger leur masse tout en garantissant leur rigidité. Pour limiter les couts, seules les caméras n'ont pas un pointage fixe. L’antenne à grand gain a recours pour la première fois sur une sonde spatiale à la technique de la commande de phase ce qui permet de supprimer un système d’orientation pesant tout en conservant la capacité de modifier l’axe du faisceau radio de plus ou moins 45°. Les panneaux solaires qui doivent supporter des températures qui peuvent atteindre 270 °C, incluent des réflecteurs sur les deux tiers de leur surface qui permettent de limiter les contraintes thermiques[5].

Schéma 2 : trajectoire de MESSENGER.

De la sélection au lancement[modifier | modifier le code]

La phase de conception de MESSENGER débute en janvier 2000 et s’achève en mars 2002 avec la Revue critique de conception (Critical Design Review, CDR) qui permet le lancement de la phase de développement. Le début de mission est alors encore planifié pour mars 2004 avec des fenêtres de lancement de substitution situées en mai et juillet/août 2004. L’assemblage et les tests de la structure et du système de propulsion débutent en février 2003. Durant l’été 2003 on découvre que plusieurs sous-systèmes ne respectent pas le cahier des charges notamment la centrale à inertie et certaines cartes électroniques. Les responsables du projet décident de remplacer les cartes défaillantes au prix d’un glissement de la date de lancement à mai 2004. Puis les tests fonctionnels s’avèrent plus compliqués que prévus car les concepteurs de la sonde ont raffiné les modes de fonctionnement autonomes pour s’assurer que MESSENGER ne sera pas exposée au Soleil plus de quinze minutes en cas de défaillance du système de contrôle d’attitude. En mars 2004, la NASA décide de repousser le lancement en août pour pouvoir mener à bien les tests et éviter des conflits avec d’autres lancements programmés sur la même période. Un lancement à cette date permettait initialement une arrivée sur Mercure en septembre 2009 après un survol de la Terre, deux de Vénus et deux de Mercure. Mais durant la phase de développement MESSENGER a pris du poids et elle n’est plus en mesure de se mettre en orbite de Mercure en suivant cette trajectoire : il faut ajouter un survol de Mercure au plan prévu ce qui repousse l’arrivée à mars 2011[3].

Les objectifs scientifiques de la mission[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Mercure (planète).
De gauche à droite à l’échelle les quatre planètes intérieures du système solaire : Mercure, Vénus, la Terre et Mars.
Mercure photographiée par MESSENGER le 14 janvier 2008.

Mercure est une des quatre planètes intérieures avec Vénus, la Terre et Mars. Par rapport à ces dernières elle présente des caractéristiques extrêmes : c’est à la fois la plus petite de ces planètes, la plus dense, celle dont la surface est la plus ancienne. Etant la plus proche du Soleil, Mercure est la planète qui présente les contrastes thermiques quotidiens les plus importants. Cette planète a été uniquement survolée à trois reprises par Mariner 10, la dernière fois en 1975, et est donc pratiquement inexplorée. Une bonne connaissance de cette planète, la plus proche du Soleil, est essentielle pour améliorer notre compréhension de la genèse du système solaire et de son évolution[6].

La mission MESSENGER doit répondre principalement à six questions :

  • Les planètes intérieures sont constituées d’un noyau dense riche en fer entouré d’un manteau rocheux composé principalement de silicates ferreux et de magnésium surmonté d’une croûte composée de minéraux moins denses. La densité de chaque planète découle de la taille de son noyau ferreux beaucoup plus dense. Mercure est particulièrement dense ce qui semble indiquer que le noyau est proportionnellement deux fois plus important que sur les autres planètes intérieures et qu’il s’étend sur 75 % du rayon de la planète. Trois théories peuvent expliquer cette composition. L’étude de la composition de la surface de Mercure à l’aide de spectromètres devrait permettre de trancher[7].
  • Mariner 10 n’a photographié que 45 % de la superficie de la planète. MESSENGER devrait réaliser une couverture photographique de 98 % de celle-ci. La surface de Mercure apparait ancienne et couverte de cratères comme celle de la Lune. Des plaines de formation plus récentes s’étendent entre des cratères plus anciens. Les plaines sont, selon plusieurs indices, d’origine volcanique. Les formations les plus spectaculaires à la surface de la planète sont des falaises arrondies qui atteignent à certains endroits plus d’un kilomètre de haut et s’étirent sur plusieurs centaines de kilomètres de long. Ces reliefs se sont formés, selon les hypothèses actuelles, lorsque Mercure s’est refroidie en se contractant. Les différents instruments embarqués à bord de MESSENGER doivent permettre d’obtenir des images détaillées des formations de surface, préciser la topographie et la composition minéralogique des roches de la surface. Le rapprochement de la topographie et des caractéristiques du champ de gravité de Mercure devraient permettre de reconstruire l’histoire géologique de la planète[8].
  • Mercure est la seule planète intérieure avec la Terre à disposer d’un champ magnétique global et donc d’une magnétosphère. Mariner 10, qui avait détecté ce champ, ne disposait pas d’une instrumentation permettant d’en préciser la force et les caractéristiques détaillées. Ce champ magnétique est sans doute généré par les mouvements d’un fraction du noyau qui subsiste à l’état liquide, mais cette hypothèse reste à confirmer[9].
  • Une partie du noyau de Mercure est liquide mais on ignore dans quelle proportion et pour quelles raisons. Compte tenu du temps écoulé depuis la formation de Mercure un noyau constitué uniquement de fer fondu se serait solidifié du fait de la température de fusion très élevée de ce métal ; toutefois la présence d’une faible fraction de soufre (par exemple), qui abaisserait la température de fusion, pourrait expliquer la présence d’un noyau encore en partie liquide. La partie liquide du noyau entraine un mouvement de libration de Mercure. La mesure de l’amplitude de ce mouvement par l’altimètre laser combiné avec les mesures du champ de gravité doit fournir des données sur la taille et la structure du noyau de Mercure[10].
  • L’axe de rotation de Mercure est pratiquement perpendiculaire au plan orbital de la planète. Aussi le rayonnement solaire est dans les régions polaires pratiquement parallèle au sol. Dans ces conditions il existe à l’intérieur de certains des plus grands cratères de cette région des zones situées en permanence à l’ombre et donc très froides. Il a été constaté que l’intérieur de ces cratères réfléchit fortement les ondes des radars utilisés depuis la Terre. Ces phénomènes de réflexion sont analogues à ceux constatés lors des observations radar de la calotte polaire martienne et des satellites de Jupiter couverts de glace. La présence de glace d’eau stable à faible proximité du Soleil constituerait un phénomène étonnant mais qui reste à confirmer. Toutefois des cratères situés à des latitudes relativement basses (jusqu’à 72°N) réfléchissent de la même manière les ondes radars ce qui semble invalider l’hypothèse de la présence de glace d’eau ; mais il n’est toutefois pas impossible que sur des périodes courtes (quelques millions d’années), ces cratères puissent contenir des dépôts de glace résultant d’impacts de comètes. Mais les réflexions radar pourraient être également liées à d’autres types de matériau : soufre, certains silicates. Le spectromètre à neutron embarqué par MESSENGER devrait permettre de trancher[11].
  • Mercure dispose d’une atmosphère extrêmement ténue par rapport aux autres planètes intérieures : elle est à ce titre qualifiée d’exosphère. Sept éléments chimiques ont été jusqu’à présent identifiés par MESSENGER au cours de ses survols : l’hydrogène, l’hélium, l’oxygène, le sodium, le potassium le calcium et le magnésium. Les éléments composant l’exosphère de Mercure s’échappent de manière constante vers l’espace interplanétaire et sont donc reconstitués par des processus qui sont à identifier. Le vent solaire est une source relativement abondante d’atomes d’hydrogène et d’hélium. Les météorites et les comètes qui s’écrasent sur le sol de la planète ainsi que les roches de surface sont sans doute à l’origine des autres composants. Différents processus peuvent être à l’œuvre. MESSENGER doit déterminer la composition de l’exosphère à l’aide de ses spectromètres. Le rapprochement de ces données avec la composition des roches de surface doit permettre de déterminer les processus de formation de l’exosphère[12].

Caractéristiques techniques de la sonde[modifier | modifier le code]

La sonde sans le pare-soleil. On distingue un des réservoirs de carburant.

Architecture[modifier | modifier le code]

MESSENGER est une sonde spatiale interplanétaire de 1,1 tonne de relativement petite taille ce qui résulte à la fois de la disposition ramassée de ses composants et de la modestie de son budget. La partie centrale de MESSENGER a la forme d’un parallélépipède allongé (1,27 m × 1,42 m × 1,85 m). Sa structure en graphite / epoxy est constituée de deux panneaux verticaux qui supportent les deux réservoirs de carburant et de deux panneaux verticaux perpendiculaires auxquels est accroché le réservoir de comburant. Un panneau horizontal coiffe ces quatre panneaux et sert de support au propulseur principal (LVA), aux propulseurs auxiliaires et à leur réservoirs, au réservoir d’hélium, aux viseurs d'étoiles et à la batterie. Un pare-soleil semi-cylindrique entoure la partie de la sonde tournée vers le Soleil. Réalisé dans un tissu en fibre de céramique il est tenu par une armature tubulaire solidaire du bus. Deux panneaux solaires s’articulent latéralement sur la partie centrale de la sonde et débordent latéralement du bouclier thermique. La partie inférieure de la sonde, qui fait face à la planète, lorsqu’elle est en orbite autour de Mercure, abrite cinq des sept instruments scientifiques : certains d’entre eux sont installés au milieu de l’adaptateur utilisé pour fixer MESSENGER à son lanceur. Enfin le mat long de 3,6 mètres qui porte à son extrémité le magnétomètre s’étend à l’opposé de la direction du Soleil (cf. schéma 3 et 4)[12].

Production électrique[modifier | modifier le code]

Seule 30 % de la surface des panneaux solaires est recouverte de cellules solaires pour résister aux températures rencontrées.

La puissance électrique est fournie par les panneaux solaires, qui s’étendent au-delà du bouclier thermique et sont orientés de façon à contrôler leur température et la puissance délivrée. MESSENGER dispose en tout de deux panneaux de 1,54 m × 1,75 m qui sont déployés une fois la sonde en orbite. La structure d’un panneau solaire est réalisée en nid d’abeilles d’aluminium de 18 mm d’épaisseur. Les faces avant et arrière sont revêtues d’une couche isolante de kapton. Les panneaux solaires peuvent être soumis à des températures extrêmes de 275 °C durant le séjour en orbite autour de Mercure. Pour permettre de résister à cette température plusieurs dispositifs sont prévus. D’une part les panneaux sont recouverts à 70 % de réflecteurs optiques (OSR) et seulement à 30 % de cellules photovoltaïques AsGa / Ge ce qui permet d’éviter un échauffement excessif. D’autre part lorsque la sonde quitte la Terre, les panneaux solaires sont perpendiculaires au Soleil pour recueillir le maximum d’énergie mais au fur et à mesure de son approche de son objectif les panneaux sont progressivement inclinés par rapport à la direction du Soleil pour maintenir leur température à moins de 150 °C. La consommation des différents équipements est comprise entre 385 et 485 watts durant la phase de croisière et est de 640 watts durant le séjour en orbite. L’énergie électrique recueillie est stockée dans des batteries nickel / hydrogène de 23 ampères-heures pouvant faire face aux périodes d’éclipse du Soleil[13],[14].

Propulsion[modifier | modifier le code]

Le système de propulsion de la sonde, qui peut fournir un delta-v (une accélération) cumulé de 2 300 m/s, comporte 17 propulseurs et 5 réservoirs. La propulsion principale est assurée par un moteur-fusée biergol de 645 Newtons de poussée et 317 s d’impulsion spécifique qui consomme un mélange hypergolique d’hydrazine et de peroxyde d’azote. Ce propulseur est réservé aux principales corrections de trajectoire et est chargé d’insérer MESSENGER en orbite autour de Mercure. Quatre propulseurs monergol de 22 N de poussée (impulsion spécifique 234 secondes) consommant de l’hydrazine sont chargés d’effectuer des corrections de trajectoire demandant un delta-v modéré et de contrôler l’orientation du satellite lorsque le propulseur principal fonctionne. Enfin, 12 propulseurs monoergol de 4 N de poussée (impulsion spécifique 227 secondes) consommant de l’hydrazine sont utilisés pour désaturer les roues de réaction chargées du contrôle d’attitude du satellite en phase de croisière, effectuer de petites corrections de trajectoire et contrôler l’orientation lorsque les deux autres types de propulsion sont utilisés. Tous les propulseurs utilisés sont des modèles éprouvé lors d'autres vols sur des engins spatiaux. Le système de propulsion comprend par ailleurs deux réservoirs de carburant (hydrazine) contenant au lancement 178 kg d’ergol chacun, un réservoir de comburant contenant 231,6 kg de peroxyde d’azote, un réservoir d’hydrazine auxiliaire d’une capacité de 9,34 kg qui alimente les petits moteurs et un réservoir contenant 3 kg d’hélium utilisé pour mettre sous pression les ergols à fin d’injection dans les chambres de combustion des différents moteurs. L’ensemble des ergols représente une masse de 599,24 kg soit 54 % de la masse totale[15],[16].

Contrôle de l'orientation[modifier | modifier le code]

MESSENGER est stabilisé trois axes, c’est-à-dire que son orientation est maintenue fixe sur ses trois axes[N 1]. Le système de contrôle de l’orientation est similaire à celui de la sonde NEAR Shoemaker. L’orientation et le déplacement de la sonde sont déterminés grâce à deux viseurs d'étoiles, une centrale à inertie (IMU) et six senseurs solaires. La centrale à inertie, qui détermine les accélérations linéaires sur les trois axes ainsi que les changements de vitesse radiale comporte trois accéléromètres et trois gyroscopes. Ceux-ci fournissent une double redondance. Les accéléromètres ne sont activés que pour les phases propulsées. Le contrôle de l’orientation de la sonde est assurée par un des deux viseurs d'étoiles, le deuxième étant activé en secours. Le viseur d'étoiles prend cinq fois par seconde une image des étoiles pour détecter toute déviation tandis que les gyroscopes fournissent des données 100 fois par seconde sur les changements de vitesse radiale. Les cinq senseurs solaires, dont quatre sont installés sur le pare-soleil fonctionnent en permanence et sont utilisés en cas de désorientation importante de la sonde. Leur champ visuel cumulé assure une couverture de 99 % de l’enveloppe. Les corrections d’orientation sont effectuées grâce à quatre roues de réaction et à dix propulseurs mono-ergol de Newtons de poussée. Normalement les roues de réaction, qui sont redondantes, assurent seules les corrections. Les petits moteurs-fusées sont utilisés durant les phases propulsées, pour désaturer les roues de réaction et dans des situations d’urgence[17],[18].

Contrôle thermique[modifier | modifier le code]

Le pare-soleil visible ici sera constamment tourné vers le Soleil pour protéger la sonde de températures de plusieurs centaines de degrés atteintes au niveau de l’orbite de Mercure.

Pour protéger la sonde des températures rencontrées au niveau de l’orbite de Mercure, celle-ci dispose d’un pare-soleil composé d’un tissu de céramique Nextel et de plusieurs couches de Kapton recouvert d’aluminium. L’orientation de la sonde est contrôlée de manière à ce que le pare-soleil s’interpose en permanence entre l’astre et la partie centrale de la sonde. Plusieurs équipements accrochés au pare-soleil du côté tourné vers l’astre reçoivent des protections thermiques spécifiques : quatre senseurs solaires, une des deux antennes grand gain, une antenne faible gain. La protection passive du pare-soleil suffit à maintenir la sonde dans une plage de températures acceptable. Des systèmes de régulation thermiques actifs permettent également d’évacuer la chaleur excédentaire produite par les différents appareillages électroniques vers des radiateurs montés sur les flancs de la sonde à l’abri du pare-soleil. Des résistances sont incorporés aux différents composants pour maintenir une température minimale au cours de la première partie du voyage, lorsque la sonde est encore éloignée du Soleil, et durant les éclipses provoquées par l’interposition de Mercure. Enfin des isolants multicouches et des joints à faible conductivité sont également utilisés pour maintenir les températures dans les limites de fonctionnement[13].

Calculateur de bord[modifier | modifier le code]

L’électronique du bord est concentrée dans deux boîtiers IEM (Integrated Electronics Modules) dont l’un assure la redondance de l’autre. Chaque boîtier contient 5 cartes électroniques[19],[20] :

  • La carte d’interface reçoit les données montantes des transpondeurs (télécommunications), décode certaines commandes, prépare et envoie aux transpondeurs les données télémétriques, héberge l’horloge, et contient une interface série à haut débit qui assure les transferts de données des caméras.
  • La carte portant le processeur principal (MP Main Processor). Il s’agit d’un microprocesseur RAD6000. Celui-ci envoie les commandes non critiques aux différents sous-systèmes concernés, détermine l’orientation de la sonde et envoie éventuellement des commandes de correction, collecte les données scientifiques, les retravaille et les stocke, envoie les données télémétriques, et exécute les séquences d’opérations programmées.
  • Une carte porte un processeur activé en cas de défaillance de la sonde. Il s’agit également d’un RAD6000. Celui-ci surveille constamment les données qui circulent en particulier celles qui transitent dans le bus utilisé par les composants du système contrôle d’orientation (senseurs, IMU…)
  • Une carte portant une mémoire de masse de gigaoctets qui est utilisée pour stocker les données entre deux transferts vers la Terre.
  • Une carte portant le transformateur électrique qui alimente les autres cartes.

Télécommunications[modifier | modifier le code]

Les communications vers la terre se font en bande X. Deux antennes réseau à commande de phase à grand gain, permettent d’orienter sans pièce mobile un faisceau étroit de 45° de part et d’autre de sa position médiane dans le plan perpendiculaire à l’axe de la sonde. Ces antennes autorisent un grand débit qui permet de transmettre 100 kilobits de données par seconde (liaison descendante). L’une de ces antennes est installée sur le pare-soleil l’autre sur la face du satellite située à l’opposé. Quatre antennes faible gain sont utilisées pour la réception de commandes envoyées depuis la Terre (liaison montante), l’envoi de données sur le fonctionnement de la sonde et comme système de secours lorsque la liaison à haut débit ne fonctionne pas. Les opérateurs peuvent transmettre des commandes au rythme de 7,8 à 500 bits par seconde[21].

Masse et consommation des composants[22],[3]
Composant Masse¹
(kg)
Consommation
¹ ² (W)
Structure 71,2 -
Câblage 31,8 4,5/4,9
Moteurs et réservoirs 71,4 8/8
Panneaux solaires 74,4 31/24
Contrôle orientation 27 48/48
Contrôle thermique 31,8 105/70
Calculateurs 12,9 35,4/44,3
Télécommunications 25 76,6/76,6
Masse sèche 339 308,5/275,8
Caméras 7,9³ 0/0³
Spectromètre GRNS 13,1³ 0/28³
Spectromètre X 3,4³ 0/6,8³
Magnétomètre 4,4³ 0/4,4³
Altimètre laser 7,4³ 0/25³
Spectromètre MASCS 3,1³ 0/6,7³
Spectromètre EPPS 3,1³ 0/8,8³
Électronique et câblage 4,6³ 0/16,3³
Masse charge utile 47 0/96
Hélium et ergols 607,8
¹Chiffres de 2001 à la conception.
²Consommation en croisière et en orbite autour de Mercure.
³Valeur effective au lancement.

Les instruments scientifiques[modifier | modifier le code]

La sonde MESSENGER embarque sept instruments scientifiques auquel s’ajoute le système de télécommunications qui est utilisé pour les mesures du champ de gravité.

Les caméras (MDIS)[modifier | modifier le code]

Les deux caméras MDIS (Mercury Dual Imaging System) sont montées sur un support unique qui peut pivoter pour élargir le champ de visée. La caméra grand angle WAC (Wide Angle Camera) permet de photographier une zone de 10,5° sur 10,5° en couleurs ou en noir et blanc en utilisant 11 filtres différents. Le spectre lumineux couvert va du visible au proche infrarouge (395 à 1 440 nm). La deuxième caméra NAC (Narrow Angle Camera) est munie d’un téléobjectif permettant d’obtenir des photos en noir et blanc en haute résolution. Ces photos prises couvrant un champ de 1,5° × 1,5° doivent permettre d'observer des détails de surface avec une précision nominale de 18 mètres par pixel[23].

Les spectromètres gamma et neutron (GRNS)[modifier | modifier le code]

L’instrument GRNS (Gamma-Ray and Neutron Spectrometer) combine un spectromètre à rayons gamma et un spectromètre à neutrons qui fournissent des données permettant de déterminer la composition de la surface de Mercure. Le spectromètre gamma GRS (Gamma-Ray Spectrometer) mesure le rayonnement gamma émis par les noyaux des atomes de la surface de Mercure lorsqu’ils sont frappés par des rayons cosmiques. Chaque élément atomique a sa propre signature et le GRS devrait permettre de fournir des informations sur des éléments géologiquement importants comme l’hydrogène, le magnésium, le silicium, l’oxygène, le fer, le titane, le sodium et le calcium. Il pourrait également détecter des éléments naturellement radioactifs tels que le potassium, le thorium et l’uranium. Le spectromètre à neutrons NS (Neutron Spectrometer) détecte les neutrons rapides et thermiques (lents) émis par la surface de Mercure frappée par les rayons cosmiques. Les neutrons thermiques sont produits par la rencontre d’un neutron rapide avec un atome d’hydrogène. Le ratio entre le nombre de neutrons thermiques et celui de neutrons rapides permet d’estimer la quantité d’hydrogène, éventuellement piégée dans des molécules d’eau, ainsi que d’autres éléments[24].

Le spectromètre à rayons X (XRS)[modifier | modifier le code]

Le spectromètre à rayons X XRS (X-Ray Spectrometer) doit analyser la composition de la surface de Mercure sur le premier millimètre d’épaisseur en utilisant 3 détecteurs à gaz MXU (Mercury X-Ray) pointés vers la surface et un détecteur à semiconducteur SAX (Solar Assembly for X-rays) pointé vers le Soleil. Les détecteurs à gaz mesurent lafluorescence X émise par la surface bombardée par le rayonnement X émis par le Soleil qui est lui-même mesuré par le détecteur SAX. Le spectromètre permet de mesurer les émissions dans la gamme 1 à 10 keV qui doivent permettre de détecter en particulier le magnésium, l’aluminium, le silicium, le soufre, le calcium, le titane et le fer. Le détecteur SAX est monté sur le pare-soleil[25].

Le magnétomètre (MAG)[modifier | modifier le code]

Le magnétomètre MAG doit effectuer des mesures tridimensionnelles du champ magnétique autour de Mercure permettant d’en préciser la force et les variations en fonction de l’altitude et de la position au-dessus de la planète. Les données recueillies jouent un rôle essentiel pour déterminer la source de ce champ magnétique. Le senseur est monté au bout d’un mat de 3,5 mètres pour le maintenir à l’écart du champ magnétique généré par la sonde. Un petit pare-soleil le protège lorsque la sonde doit s’incliner pour mettre en œuvre les autres instruments scientifiques ce qui expose le senseur au Soleil. Les mesures sont prises à un intervalle compris entre 50 millisecondes (aux limites de la magnétosphère)[26].

L'altimètre laser (MLA)[modifier | modifier le code]

L’altimètre laser MLA (Mercury Laser Altimeter) comporte un émetteur laser infrarouge (1 064 nm) qui émet 8 impulsions par seconde et des récepteurs qui permettent de mesurer le temps mis par l’impulsion laser pour faire le trajet aller-retour entre l’instrument et la surface de la planète. Lorsque la sonde se situe à une altitude de 1 500 km la distance est mesurée avec une précision de 30 centimètres. L’instrument est utilisé pour effectuer un relevé précis des reliefs de Mercure mais également pour mesurer la libration de la planète, ce qui doit contribuer à mieux connaitre la composition du noyau. Combiné avec les mesures Doppler effectuées à l’aide du système radio, les mesures de l’altimètre doivent également permettre d’établir une carte du champ de gravité de Mercure[27].

Le spectromètre infrarouge et ultraviolet (MACS)[modifier | modifier le code]

L’instrument MACS (Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer) combine un spectromètre ultraviolet et un spectrographe infrarouge. Le spectromètre ultraviolet et visible UVVS (Ultraviolet and Visible Spectrometer) doit déterminer la composition et la structure de l’exosphère (c’est-à-dire l’atmosphère de faible densité) qui entoure la planète et étudier les émissions de gaz neutres. Il doit également recherche et mesurer les ions atmosphériques. Les données collectées doivent permettre de déterminer les processus qui génèrent et renouvellent l’atmosphère ainsi que la relation entre la composition de l’atmosphère celle de la surface, la dynamique des matériaux volatils sur Mercure et près de Mercure et la nature des matériaux réfléchissant situés aux pôles. La résolution spatiale de l’instrument est de 25 km. Le spectographe fonctionnant dans le visible et l’infrarouge VIRS (Visible and Infrared Spectrograph) doit permettre de mesurer l’abondance de minéraux tels que le fer et les silicates comprenant du titane situés en surface tels que le pyroxène, l’olivine et l’ilménite. La meilleure résolution du senseur est de 3 km à la surface de Mercure[28].

Les spectromètres à particules énergétiques et à plasma (EPPS)[modifier | modifier le code]

L’instrument EPPS (Energetic Particle and Plasma Spectrometer) est composé de deux instruments chargés de mesurer les caractéristiques et la composition des particules chargées dans la magnétosphère et sur son pourtour. Le spectromètre à particules énergétiques EPS (Energetic Particle Spectrometer) situé sur la partie supérieure de la plate-forme doit étudier les ions et les électrons accélérés dans la magnétosphère. L’instrument mesure le spectre énergétique et l’angle d’incidence des particules sur un champ observable de 160° × 12°. L’instrument FIPS (Fast Imaging Plasma Spectrometer) monté sur le côté de la plate-forme permet d’étudier les ions à faible énergie venant de la surface de Mercure et de son atmosphère, les atomes ionisés arrachés par le vent solaire et les autres composants du vent solaire[29].

L'utilisation du système radio (RS)[modifier | modifier le code]

Le système de télécommunications n’est pas un équipement scientifique à proprement parler mais les émissions radio sont utilisées pour mesurer avec précision par effet Doppler la vitesse et la distance entre MESSENGER et la Terre. Les changements constatés dans la trajectoire de la sonde en orbite dus aux variations de densité de l’intérieur de la planète combinés avec les mesures de l’altimètre laser permettent de déterminer la taille et les caractéristiques du noyau de Mercure[30].

Déroulement de la mission[modifier | modifier le code]

Le lancement de la sonde (2004)[modifier | modifier le code]

La sonde est lancée le à h 16 UTC, par une fusée Boeing Delta II de la base de Cap Canaveral, en Floride, après un ultime retard de 24 heures provoqué par une tempête tropicale. Conséquence du changement de fenêtre de lancement intervenu suite aux retards accumulés durant le développement, la sonde doit entamer son périple par une première boucle autour du Soleil au niveau de l’orbite de la Terre alors que selon les plans initiaux elle devait plonger en direction du Soleil. Or la sonde est du point de vue thermique optimisée pour des conditions de température élevées et les panneaux solaires, à la surface réduite, peuvent tout juste à cette distance fournir le minimum requis pour maintenir la sonde en état de fonctionnement en particulier faire fonctionner les radiateurs chargés de maintenir les équipements à une température minimale. Pour faire face à cette situation l’orientation de la sonde est inversée c’est-à-dire que le paresoleil est tourné dans la direction opposée au Soleil pour permettre à celui-ci de réchauffer les composants. Durant les 2 ans qui vont suivre cette orientation est adoptée à plusieurs reprises avant d’être abandonnée en juin 2006 lorsque la sonde s’est suffisamment approchée du Soleil. Une première correction de trajectoire (Trajectory Correction Maneuvers, TCM) est effectuée[15],[17],[31].

Assistance gravitationnelle de la Terre (2005)[modifier | modifier le code]

La sonde MESSENGER survole la Terre le , à 2 347 kilomètres d’altitude. L’assistance gravitationnelle fournie par la planète permet à la sonde de plonger vers l’intérieur du système solaire. Le vaisseau prend à cette occasion plusieurs photos de la planète en s’en éloignant (voir galerie ci-dessous)[32].

Assistance gravitationnelle de Vénus (2006 et 2007)[modifier | modifier le code]

Il s’écoule 14 mois entre le survol de la Terre et le premier passage près de Vénus. Durant ce trajet cinq corrections de trajectoire sont effectuées dont l’une utilise pour la première fois le propulseur principal DSM 1 (Deep Space Maneuver 1)[15]. Vénus est atteinte le 24 octobre 2006 et la sonde la survole à 2 987 km. Cette manœuvre s’effectue dans des conditions complexes : une conjonction du Soleil de 30 jours (le Soleil s’interpose entre la sonde et la Terre) a débuté rendant les communications difficiles et une éclipse du Soleil de 56 minutes débute peu avant le survol. Dans ces conditions les responsables de la mission renoncent à toute collecte de données scientifiques à l’occasion du survol[33].

Durant son périple en vue de son deuxième survol de Vénus, la sonde effectue 3 corrections de trajectoire dont l’une recourt brièvement au propulseur principal[15]. Le deuxième survol est effectué avec une grande précision à une altitude de 337 km. Tous les instruments scientifiques sont testés avec succès à l’occasion de ce survol et notamment 614 photos de Vénus sont prises. L'assistance gravitationnelle reçue de la planète lors du passage à proximité de celle-ci est la plus importante de toute la mission[34].

Assistance gravitationnelle de Mercure (2008 et 2009)[modifier | modifier le code]

Sur son trajet en direction de Mercure, la sonde effectue une seule correction importante avec la propulsion principale (DSM-2). La sonde connait une nouvelle conjonction solaire d’une durée particulièrement longue entre le 26 octobre et le 12 décembre qui prive pratiquement de communication l’équipe à Terre.

Lors de son premier survol de Mercure à seulement 200 km de sa surface le , la moitié de l'hémisphère qui n'avait pu être photographiée il y a 30 ans par Mariner 10, est cette fois visible. Les caméras MDIS sont braquées sur la planète alors que celle-ci défile à quelques milliers de kilomètres de la sonde MESSENGER et 1 200 photos sont prises dont certaines de la partie inconnue de la planète. De nouveaux cratères sont identifiés en grand nombre ; les données recueillies confirment les spécificités de Mercure. Tous les instruments scientifiques ont été mis en marche et ont parfaitement fonctionné[35],[36],[37].

Lors de son deuxième survol de Mercure toujours à 200 km de sa surface le , la sonde prend plus de 1 200 clichés[38], haute résolution de la face inconnue de la planète, couvrant ainsi 30 % de sa surface[38],[39]. Après le troisième et dernier survol de Mercure qui se déroule le , seule 2 % de la surface de la planète au niveau des pôles reste à photographier[40].

En orbite autour de Mercure (mars 2011-)[modifier | modifier le code]

MESSENGER en orbite autour de Mercure (vue d’artiste).

L'insertion en orbite autour de Mercure[modifier | modifier le code]

Lors de son quatrième passage près de Mercure, le 18 mars 2011, MESSENGER a suffisamment réduit sa vitesse et modifié les caractéristiques de sa trajectoire pour pouvoir se placer en orbite autour de la planète avec la quantité de carburant dont elle dispose[41]. La sonde aura alors parcouru 7,9 milliards de kilomètres depuis son lancement. Pour réussir cette manœuvre d’insertion cruciale (Mercury orbit insertion, MOI), la sonde arrive selon une trajectoire rasant le pôle nord et, peu après avoir survolé celui-ci, réduit sa vitesse de 0,86 km/s. Elle utilise à cette fin sa propulsion principale durant 15 minutes en consommant environ 31 % de la masse des ergols dont elle disposait au départ de la Terre. Trois jours après son arrivée, des petites corrections sont apportées pour parfaire l’orbite[N 2],[42],[43]. Avant d’entamer la phase de recueil de données scientifiques, le fonctionnement de la sonde et de ses instruments dans l’environnement thermique très dur de l’orbite est vérifié durant plusieurs semaines. Les instruments scientifiques sont mis en marche le 23 mars et les premières données scientifiques sont collectées à partir du 4 avril[44].

Caractéristiques de l'orbite autour de Mercure[modifier | modifier le code]

La sonde se trouve sur une orbite polaire d’inclinaison 82,5° très elliptique (200 km × 15 193 km) qu’elle parcourt en 12 heures. Sur cette trajectoire la sonde survole au plus près Mercure au niveau des 60° de latitude nord. Cette orbite permet les meilleures observations au niveau de l’hémisphère nord où se situe le Bassin Caloris le cratère le plus vaste et la formation la plus intéressante de la planète. Une orbite très elliptique a été préférée à une orbite circulaire car la sonde, lorsqu’elle survole à 200 km Mercure, est soumise à la chaleur que la planète réfléchit (celle-ci est quatre fois plus importante que celle réfléchie lors d’un survol de la Terre à la même altitude) : en se tenant écartée de Mercure sur une partie de son orbite, la sonde parvient à maintenir sa température dans une fourchette acceptable[45]. Au fur et à mesure de l’avancement de la mission, l’attraction gravitationnelle du Soleil déforme l’orbite en augmentant l’altitude et la latitude au périgée ainsi que l’inclinaison. Pour compenser ces modifications, il est prévu que chaque année mercurienne (tous les 88 jours terrestres), deux manœuvres destinées à rétablir l’orbite d’origine soient effectuées à des dates qui permettent une exposition réduite du corps de la sonde au Soleil ; en effet l’utilisation de la propulsion implique de modifier l’orientation de la sonde qui n’est alors plus protégée par le pare-soleil. La première de ces corrections est effectuée au périgée et accélère la sonde pour ramener sa période orbitale à 12 heures 15 minutes, tandis que la deuxième manœuvre exécutée à l’apogée ralentit MESSENGER pour ramener la période orbitale à 12 heures et l’altitude minimale à 200 km[42].

Schéma 5 : Orbite de MESSENGER autour de Mercure.

Déroulement des tâches en orbite[modifier | modifier le code]

Mercure effectue une rotation sur elle-même (jour sidéral) en 58,7 jours terrestres. Par ailleurs, en raison de la proximité du Soleil, Mercure décrit une orbite autour de celui-ci en seulement 88 jours terrestres. Il en résulte qu’un jour solaire, c’est-à-dire la durée entre deux retours successifs du Soleil au méridien local, dure 176 jours terrestres. Au cours de la durée nominale de la mission (une année terrestre), MESSENGER qui circule sur un plan orbital fixe dans un repère inertiel et donc en rotation par rapport à la direction du Soleil, va voir défiler seulement deux fois le même terrain sous ses instruments. La première de ces « journées mercuriennes » est consacrée à une cartographie de l’ensemble de Mercure tandis que la deuxième journée sera dédiée à des observations plus ciblées[1],[46].

Pour chaque orbite de 12 heures, la sonde consacre 4 heures au recueil de données scientifiques puis, après avoir modifié son orientation pour pointer son antenne vers la Terre, transmet durant 8 heures les données collectées aux stations terrestres. La séquence des opérations à exécuter par les instruments scientifiques, qui comprend des dizaines de milliers de commandes, est transmise une fois par semaine à la sonde depuis la Terre, après avoir été testée et validée. En cas d’anomalie de fonctionnement d’un instrument ou si le réseau d’antennes sur Terre a perdu une partie des données transmises par la sonde, des modifications dans le déroulement des opérations peuvent être apportées très rapidement[45].

Extension de la mission jusqu'en mars 2013[modifier | modifier le code]

En novembre 2011, la NASA annonce que la mission d'étude de Mercure dont la durée initiale était d'un an est prolongée d'une nouvelle année jusqu'en mars 2013. Durant cette deuxième phase de la mission, la sonde devrait passer plus de temps à faible distance de la planète pour permettre de poursuivre des objectifs scientifiques élargis et d'effectuer des observations plus ciblées. Le prolongement devrait également permettre d'observer les réactions de l'environnement de Mercure à l'accroissement de l'activité solaire en cours. Six nouveaux objectifs découlant des observations effectuées depuis que MESSENGER s'est placée en orbite autour de la planète [47], ont été identifiés :

  • Quelle est la source des éléments volatils de Mercure ?
  • Jusqu'à quand Mercure a-t-elle eu une activité volcanique ?
  • Comment la topographie a-t-elle évoluée dans le temps ?
  • Quelle est l'origine des zones de plus forte densité de l'exosphère ?
  • Comment le cycle solaire modifie-t-il l'exosphère de Mercure et les déplacements des éléments volatils ?
  • Quelle est l'origine des électrons énergétiques de Mercure ?

Le changement d'orbite doit intervenir entre le 16 et 20 avril 2012. Seule l'apogée (le point le plus éloigné de l'orbite) est modifié : il est ramené de 14 700 km à 10 300 km ce qui permet à la sonde de boucler trois orbites par jour au lieu de deux. Ce changement permet aux scientifiques de bénéficier d'un accroissement de 50 % des données collectées par les instruments (ceux-ci ne fonctionnent que lorsque la sonde est proche de Mercure). La nouvelle orbite permet d'accroitre la qualité des données fournies pour les latitudes septentrionales par les spectromètres chargées d'analyser la surface de Mercure, de démultiplier les mesures d'altitude effectuées par l'altimètre laser dans ces régions et de réaliser des images de l'hémisphère sud monochromes et multispectrales avec une résolution accrue. Sur sa nouvelle orbite la sonde dispose de moins de temps pour évacuer la chaleur reçue lors de son passage à faible distance de Mercure, mais les calculs et l'expérience acquise ont démontré que l'impact se limitait à une augmentation de 5 degrés Celsius de quelques équipements qui restait dans la limite de leurs conditions de fonctionnement[48].

Résultats scientifiques[modifier | modifier le code]

Photo en fausses couleurs du cratère Rachmaninoff prise au cours du 3e survol : la zone jaune et l’intérieur du cratère pourraient avoir une origine volcanique.

Données collectées au cours des survols de 2008 et 2009[modifier | modifier le code]

Les trois survols de Mercure effectués en 2008 et 2009 ont déjà permis, malgré la brièveté du temps d’observation, de collecter de nombreuses données exploitables sur le plan scientifique. La couverture photographique de la planète qui était de 45 % avant le lancement de MESSENGER, atteint 98 % après les trois survols. Deux zones situées au niveau de chaque pôle restent à photographier. Toutefois parmi les prises de vue effectuées durant les survols, certaines ont été réalisées dans des conditions d’éclairage qui ne sont pas idéales pour mettre en évidence la topographie. Les photos prises ont fourni des aperçus des formations les plus remarquables de Mercure comme les escarpements hauts parfois de plusieurs kilomètres qui s’allongent sur des centaines de kilomètres et les bassins d’impact entourés d’anneaux concentriques. Contrairement à la Lune et à Mars le relief des grandes régions de Mercure ne présentent pas de dissymétrie particulière. L’analyse de l’exosphère de Mercure au cours des 3 survols successifs a permis de constater que ses caractéristiques variaient fortement en fonction de la pression solaire, ces variations étant elles-mêmes induites par l’orbite à forte excentricité de Mercure. Le troisième survol a confirmé l’abondance particulière du titane et du fer à la surface de la planète en contradiction avec les prévisions des scientifiques. La sonde a pu mesurer que le champ magnétique est de type dipolaire et est parfaitement aligné avec l’axe de rotation de la planète ce qui constitue un élément important dans la détermination de l’origine du magnétisme de Mercure[49],[50].

Données collectées durant le séjour en orbite autour de Mercure (mars 2011-)[modifier | modifier le code]

Détail des structures brillantes observées à la surface de Mercure (21 mètres/pixel)

Fin 2011, alors que les trois quarts de la durée initiale autour de Mercure sont écoulés, la sonde MESSENGER, qui fonctionne jusque là sans incident notable, a fourni de nouveaux éclairages sur Mercure dans plusieurs domaines :

  • Fin décembre 2011 60 000 photographies ont été prises des principales formations situées à la surface de Mercure. La couverture photographique de la planète est désormais de 99 %. Des photographies énigmatiques de dépôts brillants situés au fond de certains cratères avaient été prises lors des survols de MESSENGER qui avaient précédé sa mise en orbite. De nouvelles photos prises avec une résolution allant jusqu'à 10 mètres par pixel ont révélé qu'il y avait à ces emplacements des groupes de cavités dépourvues de lèvres d'une taille variable comprise entre quelques centaines de mètres et plusieurs kilomètres. Ces formations sont souvent entourées de halos de matériaux hautement réfléchissants et sont généralement associées à des roches éjectées par le processus de formation de cratères : on les trouve ainsi sur les lèvres des cratères, les pics centraux et les anneaux de pics. Ces formations, qui semblent parmi les plus récentes, n'avaient jamais été observées auparavant sur la Lune comme sur Mercure. Une des théories avancées est que ces formations résultent de la sublimation des éléments volatils contenus dans les roches ce qui impliquerait que la croûte de Mercure contient plus d'éléments volatils que prévu par les théories en vigueur. Par ailleurs les photos prises confirment que les déformations affectant la croute de Mercure sont essentiellement liées à la contraction de la planète et sont à l'origine de gigantesques escarpements lobés et de failles mais il existe également des dizaines de zones, généralement situées à l'intérieur de cratères ou de bassins, qui présentent au contraire des signes d'expansion de la croûte[51],[52].
  • Le spectromètre à rayons X a effectué plusieurs découvertes importantes sur la composition du sol de Mercure. Contrairement au sol de la Lune, celui de Mercure n'est pas dominé par les roches riches en feldspath. Les mesures ont également confirmé des observations effectuées par télescope depuis la Terre suggérant que des Sulfures sont présents à la surface de Mercure. En conséquence les blocs de matériaux qui ont formé la planète étaient moins oxydés que ceux ayant servi à la formation des autres planètes terrestres. Cette théorie aurait des répercussions importantes sur notre compréhension du volcanisme sur Mercure. Par ailleurs le spectromètre à rayons gamma GRS a fourni un éclairage sur la formation et les débuts de l'histoire la planète en montrant que l'abondance du potassium moyennement volatil était aussi élevés que celle des éléments réfractaires tels que le thorium et l'uranium. Cette constatation, identique à ce qui est observé sur Mars ou la Terre, signifie que la densité très élevée de Mercure ne peut pas être expliquée par un impact géant ou la vaporisation initiale des couches externes de la planète par la nébuleuse solaire[51],[52].
  • L'altimètre laser MLA a effectué plus de deux millions de mesures altimétrique de l'hémisphère nord. Les sommets les plus importants s'élèvent à 9 km. La calotte polaire est une zone de basse altitude. MESSENGER n'a pas encore pu déterminer la nature du matériau réfléchissant les ondes radar qui tapisse les zones en permanence à l'ombre de certains cratères dans les zones polaire. Mais les mesures de la profondeur des cratères ne contredisent pas la théorie selon laquelle ce matériau serait de la glace d'eau[51],[52].
  • Le magnétomètre embarqué a permis de déterminer après plusieurs orbites que l'équateur magnétique de Mercure est situé à 0,2 rayons soit 480 km au nord du centre la planète. Le noyau métallique fondu situé au cœur de la planète à l'origine du champ magnétique comporte donc une importante asymétrie nord-sud. En conséquence le champ magnétique comporte un trou important au niveau du pôle sud qui permet aux particules du vent solaire de frapper la surface de Mercure. Ce phénomène arrache des atomes de la surface qui viennent alimenter l'atmosphère ténue de Mercure tout en "polissant" le sol[53].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Par opposition à une sonde spinnée qui est en rotation autour d’un de ses axes ce qui permet, par effet gyroscopique, de diminuer l’énergie consacrée au maintien de l’orientation mais présente d’autres inconvénients.
  2. Si, durant la manœuvre d’insertion en orbite et à la suite d’un incident de fonctionnement, la vitesse n’avait pu être suffisamment réduite, la mise en orbite était tout de même assurée à condition que la sonde ait pu ralentir d’au moins 0,6 km/s dans l’axe prévu : l’orbite visée pour la mission peut alors être rejointe par des manœuvres postérieures. Si ces 0,6 km/s n’ont pu être fournis durant la manœuvre d’insertion en orbite la sonde repart sur une orbite héliocentrique. Elle dispose alors de plusieurs opportunités pour tenter une nouvelle manœuvre d’insertion soit après avoir bouclé une orbite autour du Soleil soit après une ou plusieurs années terrestres.

Références[modifier | modifier le code]

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Sources principales[modifier | modifier le code]

  • (en) Andrew G. Santo et al., The MESSENGER mission to Mercury: spacecraft and mission design (Planetary and Space Science 49 (2001) 1481–1500),‎ 18 janvier 2001 (lire en ligne) [PDF]

Annexes[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

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