La formation de mercure reste un mystère non résolu. La planète la plus proche du Soleil a un noyau métallique disproportionnellement important – dans la comptabilité d'environ 70% de sa masse – et un manteau rocheux relativement petit. Jusqu'à présent, l'explication la plus largement acceptée était que Mercury avait perdu une grande partie de sa croûte et de son manteau après être entré en collision catastrophiquement avec un grand corps céleste. Cependant, les simulations dynamiques montrent que ce type d'impact impliquant des corps de masses très différentes est extrêmement rare.
Une nouvelle étude propose une explication alternative basée sur un type d'événement qui était beaucoup plus fréquente dans le système solaire précoce – une quasi-collision entre les corps de masses similaires. Les résultats sont publiés dans la revue Astronomie naturelle.
Le premier auteur de l'étude était Patrick Franco, un astronome avec un doctorat. de l'Observatoire national au Brésil et chercheur postdoctoral à l'Institut de Physique du Globe de Paris en France.
« Grâce à la simulation, nous montrons que la formation de mercure ne nécessite pas de collisions exceptionnelles. Un impact de pâturage entre deux protoplanètes de masses similaires peut expliquer sa composition. Il s'agit d'un scénario beaucoup plus plausible d'un point de vue statistique et dynamique », explique Franco.
« Notre travail est basé sur la constatation, faite dans les simulations précédentes, que les collisions entre les corps très inégales sont des événements extrêmement rares. Les collisions entre les objets de masses similaires sont plus courantes, et l'objectif de l'étude était précisément de vérifier si ces collisions seraient capables de produire une planète avec les caractéristiques observées dans le mercure. »
Cette collision possible se serait produite à un stade relativement tardif de la formation du système solaire lorsque des corps rocheux de tailles similaires ont concouru pour l'espace dans les régions intérieures, plus près du soleil.
« Ils évoluaient des objets, dans une pépinière d'embryons planétaires, interagissant gravitationnellement, dérangeant les orbites les uns des autres, et même en collision, jusqu'à ce que les configurations orbitales bien définies et stables que nous connaissons aujourd'hui soient restées », explique Franco.
Pour recréer ce scénario hypothétique, les chercheurs ont utilisé une méthode numérique de calcul appelée « hydrodynamique des particules lissées » (SPH). La SPH peut simuler des gaz, des liquides et des matériaux solides en mouvement, en particulier dans des contextes impliquant de grandes déformations, des collisions ou des fragments.
Largement utilisé en cosmologie, astrophysique et dynamique planétaire, ainsi que dans l'ingénierie et l'infographie, cette méthode utilise la fonction lagrangienne, qui a été développée par Joseph Louis LaGrange (1736-1813). La fonction décrit l'évolution d'un système en considérant comment chaque point ou particule constituant se déplace individuellement dans l'espace dans le temps.
Contrairement au formalisme eulérien (développé par Leonhard Paul Euler, 1707–1783), qui observe ce qui se passe aux points fixes de l'espace, la fonction lagrangienne suit le « point de vue » de la particule en mouvement.
« Grâce à des simulations détaillées dans l'hydrodynamique des particules lissées, nous avons constaté qu'il est possible de reproduire à la fois la masse totale de Mercure et son rapport métal / silicaté inhabituel avec une grande précision. La marge d'erreur du modèle était inférieure à 5% », explique Franco.
La proposition aide à expliquer pourquoi le mercure a une faible masse totale malgré son grand noyau métallique et pourquoi il ne conserve qu'une fine couche de matériau rocheux. =
« Nous avons supposé que Mercury aurait initialement une composition similaire à celle des autres planètes terrestres. La collision aurait supprimé jusqu'à 60% de son manteau d'origine, ce qui expliquerait sa métallicité accrue », explique le chercheur.
Où sont les débris?
De plus, le nouveau modèle évite une limitation des scénarios précédents.
« Dans ces scénarios, le matériau déchiré pendant la collision est réintégré par la planète elle-même. Si tel était le cas, Mercury ne présenterait pas sa disproportion actuelle entre le noyau et le manteau. Mais dans le modèle que nous proposons, qui préserve la disproportion entre le noyau et le manteau »
La question évidente dans ce cas est l'endroit où le matériel éjecté est allé.
« Si l'impact s'est produit dans les orbites voisines, une possibilité est que ce matériau a été incorporé par une autre planète en formation, peut-être Vénus. C'est une hypothèse qui doit encore être étudiée en profondeur », explique le chercheur.
Selon Franco, le modèle proposé peut être étendu pour étudier la formation d'autres planètes rocheuses et contribuer à notre compréhension des processus de différenciation et de la perte de matériel dans le système solaire précoce. Les prochaines étapes de la recherche devraient inclure des comparaisons avec les données géochimiques des météorites et des échantillons de missions spatiales qui ont étudié le mercure, comme Bepicolombo, une initiative conjointe de l'Agence spatiale européenne (ESA) et de la Japan Aerospace Exploration Agency (Jaxa).
« Mercure reste la planète la moins explorée dans notre système. Mais cela change. Il y a une nouvelle génération de recherches et de missions en cours, et de nombreuses choses intéressantes sont encore à venir », explique Franco.
