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Mercure: interActions HeRméo-Magnétiques entre l’InTérieur et l’Exosphère – MARMITE

MARMITE : Relations entre champ magnétique, exosphère et magnétosphère autour de Mercure

Les travaux menés pendant ce projet se sont appuyés sur l'analyse des mesures de la sonde MESSENGER (NASA), en orbite entre 2011 et 2015. Nous avons pu 1/ décrire l’environnement magnétique de Mercure (depuis le champ de la dynamo jusqu’aux interactions avec le vent solaire), et de 2/ concevoir et tester différents outils permettant d’extrapoler ces modèles, d’y ajouter des contraintes et paramètres supplémentaires, et de mieux préparer les observations de la mission BepiColombo.

Une petite planète, mais une dynamique complexe

Mercure est la plus petite, la plus proche du Soleil, et peut-être la plus énigmatique des planètes telluriques. Avant l'ère spatiale, son petit rayon et sa rotation lente suggéraient un intérieur gelé sans dynamique interne. La mission Mariner 10 a ébranlé ce paradigme et montré que Mercure est la seule planète tellurique connue (à part la Terre) à posséder une dynamo active. Mercure est en effet caractérisée par un champ magnétique interne faible et régi par des processus partiellement inconnus. Son exosphère est peuplée de nombreuses espèces, avec une grande variabilité spatiale et temporelle. Les interactions du champ interne, de l'exosphère et du vent solaire conduisent à une magnétosphère très dynamique, qui induit à son tour des courants électromagnétiques dans l'intérieur et l'exosphère. La compréhension de cet environnement particulier est importante. Ces interactions permettent de caractériser les différentes couches de Mercure, de son intérieur profond et en convection, jusqu’à la magnétosphère avec une dynamique 10 ou 20 fois plus rapide que dans le cas de la Terre.

Le projet MARMITE s’appuie d’abord sur les mesures de la mission MESSENGER, lancée par la NASA en 2004 et en orbite autour de Mercure entre 2011 et 2015. Ces observations ont été utilisées pour contraindre les modèles du champ magnétique herméen, mettant par exemple en évidence la forte hémisphérité du champ, mais aussi les variations temporelles périodiques d'origine interne et externe, couplées à l’orbite de Mercure. La dynamo a une intensité très faible, et ne montre pas de variabilité temporelle intrinsèque. En combinant ces mesures in situ par MESSENGER à celles faites depuis la Terre, notamment lors du transit de Mercure en 2016, la composition et la dynamique de l’exosphère est désormais mieux comprise. Nous avons complété et étendu un modèle numérique pour rendre compte des différentes interactions, avec des particules piégées et/ou éjectées, entre la surface, l’exosphère et l’ionosphère. A plus grande distance, dans la magnétosphère, ces mêmes particules subissent des changements de trajectoire en fonction de leur énergie et de la reconfiguration rapide des lignes de champ, liée au champ interne mais aussi au vent solaire. La distribution spatiale des mesures disponibles reste incomplète et insuffisante pour décrire et valider tous les processus, mais la mission BepiColombo, lancée en octobre 2018 par l’ESA et la JAXA (arrivée prévue fin 2025) permettra de répondre aux questions non résolues.

- Description détaillée du champ magnétique interne de Mercure au-dessus de l’hémisphère nord
- Mise en évidence de la structure interne, avec un rayon du noyau égal à 85% du rayon de la planète
- Première description d’une exosphère dynamique, couplage avec magnétosphère et surface
- Nouvelles perspectives sur les régimes dynamiques dans la queue magnétosphérique et comparaison avec la Terre

Les travaux vont se poursuivre, en dehors du cadre du projet ANR. Les différents intervenant de cette ANR collaborent ensembles sur de nombreux autres projets à plus ou moins long terme. La mission BepiColombo (arrivée en orbite en 2025), et ses mesures du champ magnétique (par MERMAG,: Glassmeier et al., 2010), et celles du spectromètre de masse MSA (dont D. Delcourt est Co-PI, Delcourt et al., 2016), seront très importantes. A plus court terme, le prochain transit de Mercure aura lieu en novembre 2019. Il devrait être observable depuis les Canaries et donc à l'aide du télescope solaire THEMIS que nous avons utilisé lors de campagnes d'observation qui se sont étalées sur plusieurs années. Le transit suivant n’aura lieu qu’en 2032. Le transit de cette année est donc une opportunité très importante pour observer l'exosphère de Mercure sur une échelle de temps relativement longue (quelques heures) avec potentiellement une résolution temporelle très courte par rapport aux échelles de temps typique de l'exosphère (30 mn). Ce transit sera un des plus longs jamais observés depuis les Canaries (quasiment 7 heures). D’une façon générale, les travaux effectués pendant de l’ANR MARMITE s’appliquent à d’autres lunes et planètes que Mercure. Comme énoncé plus haut, les mêmes recherches sont effectuées autour de Mars (dont avec la mission MAVEN), mais également aux systèmes de Jupiter, dont les lunes Ganymède et Io.

Les travaux réalisés dans le cadre de l’ANR MARMITE ont mené à la publication de nombreux articles scientifiques, sur l’analyse des mesures de MESSENGER, la mise au point de codes numériques de simulation MHD, la prise en compte des interactions entre les différentes particules, l’application de ces codes pour prédire des observables, et l’interprétation des différents modèles, pour Mercure ou plus généralement dans la comparaison des processus planétaires.

Étudier les similitudes et les différences qui existent entre les corps du système solaire permet de comprendre leur origine et évolution, et d’accroître la connaissance de notre planète. Ici nous proposons de modéliser, décrire et interpréter l’environnement magnétique de Mercure et de ses sources internes (du noyau à la lithosphère) ou externes (résultant de l’interaction du vent solaire avec la planète). Cela permet en effet de contraindre la structure et la dynamique de Mercure et de ses différentes enveloppes.
Mercure est la plus petite et la plus proche planète du soleil ; c’est aussi l’une des plus énigmatiques. Avant l’ère spatiale, on pensait que c’était une planète entièrement solide, sans dynamique interne. La mission Mariner 10 a bouleversé cette vision, et montré que Mercure est en réalité la seule autre planète tellurique possédant une dynamo. Mercure est en effet caractérisé par un champ magnétique interne faible, lié à des mouvements de convection dont l’exacte nature reste à déterminer. Son exosphère contient de nombreuses espèces, avec de fortes variations spatiales et temporelles. L’interaction du champ interne, de l’exosphère et du vent solaire crée une magnétosphère très dynamique, qui à son tour induit des courants électromagnétiques dans son intérieur et son exosphère.
MARMITE est Mercure: interActions HeRméo-Magnétiques entre l’InTérieur et l’Exosphère. Un parallèle peut être fait avec ce grand chaudron dans lequel des ingrédients différents à la fois simples et subtils sont mélangés et mijotés. Ce projet peut ainsi être vu comme une recette scientifique, qui va mener à une nouvelle étude de Mercure et de sa dynamique, en mélangeant des outils et approches qui sont traditionnellement dédiées à des buts distincts, le noyau convectif, le manteau peu épais, la surface, l’exosphère, l’ionosphère et la magnétosphère.
Nous allons analyser les mesures de la sonde MESSENGER, actuellement en orbite autour de Mercure. Nous voulons caractériser le champ magnétique interne statique et estimer sa possible variation séculaire. Nous allons mettre au point et utiliser des outils adaptés pour tenir compte de la géométrie très elliptique de l’orbite de MESSENGER, qui fait que seule une partie de l’hémisphère nord est survolé avec une altitude suffisamment basse. Nous allons ensuite interpréter ce champ en termes de dynamique interne. Nous ferons des simulations numériques de la dynamo, tenant compte du champ là où il est connu, et permettant de prédire son comportement au-dessus de l’hémisphère sud. La structure interne de Mercure sera aussi contrainte via des approches spectrales mais aussi via des études d’induction. Nous comparerons cette structure à des hypothèses d’évaporation précoce du manteau par des impacteurs géants. Nous allons coupler des modèles de l’exosphère à un modèle hybride de la magnétosphère, ce qui nécessite de correctement décrire le champ interne mais aussi d’estimer les taux de production de toutes les espèces ionisées présentes dans l’exosphère. Ce modèle exosphère-magnétosphère sera couplé à des estimations de la conductivité électrique de la surface et de l’intérieur, pour une meilleure prise en compte des effets liés à l’induction. Enfin nous couplerons tous ces aspects dans un seul et unique modèle qui tiendra compte de toutes les sources et interactions magnétiques, grâce à la collaboration entre des domaines qui ne sont habituellement que faiblement liés.
Ce projet est principalement dédié à l’analyse de la mission américaine MESSENGER. Nous allons développer les outils théoriques et analytiques pour modéliser l’environnement d’un corps faiblement aimanté tel que Mercure. Ceci va entre-autres permettre à nos équipes de mieux préparer l’arrivée de la prochaine mission européenne-japonaise BepiColombo (lancement en 2015). Ces outils pourront également être appliqués à d’autres corps comme Ganymède, la Lune ou Mars, fournissant autant de cas d’études pour in fine mieux comprendre notre planète.

Coordination du projet

Benoit LANGLAIS (Laboratoire de Planétologie et Géodynamique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LPG Nantes Laboratoire de Planétologie et Géodynamique
LATMOS Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales
LPP Laboratoire de Physique des Plasmas
LPP Délégation régionale IDF SUD
LATMOS Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales

Aide de l'ANR 400 000 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2014 - 48 Mois

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