MESSENGER : La première sonde à avoir visité la planète mystérieuse

Objectifs scientifiques

La mission MESSENGER (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging), lancée par la NASA en 2004, avait pour but d’étudier la structure interne de Mercure, sa géologie de surface, son champ magnétique et son exosphère. La sonde a utilisé plusieurs assistances gravitationnelles auprès de la Terre, de Vénus et de Mercure elle-même, avant de s’insérer en orbite le 18 mars 2011.

Les résultats ont montré une croûte riche en soufre, un noyau métallique occupant plus de 80 % du rayon planétaire, un champ magnétique asymétrique décalé de 20 % vers le nord et une exosphère constituée de sodium, potassium et oxygène.

Difficultés d’approche de Mercure

Mercure est la planète la plus proche du Soleil, avec une distance moyenne d’environ 0,39 unité astronomique. Cette proximité implique une gravité solaire très élevée, rendant l’insertion orbitale extrêmement coûteuse en énergie.

Pour placer une sonde en orbite autour de Mercure, il ne suffit pas de se diriger vers la planète : il faut également réduire la vitesse orbitale de la sonde par rapport au Soleil pour qu’elle ne soit pas projetée directement vers le Soleil. Le delta-v requis pour un freinage direct serait supérieur à 15 km/s, ce qui dépasse largement les capacités des propulseurs chimiques classiques.

Les missions comme MESSENGER utilisent donc des assistances gravitationnelles auprès de la Terre, de Vénus et de Mercure elle-même afin de diminuer progressivement l’énergie orbitale et atteindre une orbite stable. Cette stratégie permet de réduire la dépense de carburant et de rester dans les limites de masse de la sonde.

En outre, l’exposition prolongée au rayonnement solaire intense oblige la sonde à disposer de protections thermiques sophistiquées. MESSENGER, par exemple, utilisait un bouclier thermique et des panneaux solaires spécialement orientables pour maintenir ses instruments dans une plage de températures opérationnelles.

N.B. : La combinaison de l’attraction solaire, de la vitesse initiale élevée et des contraintes thermiques fait de Mercure l’une des planètes les plus difficiles à atteindre pour une mission spatiale. Chaque manœuvre doit être optimisée pour la consommation de carburant et la protection thermique.

Trajectoire et dynamique orbitale

L’approche de Mercure exigeait une maîtrise énergétique exceptionnelle en raison de l’attraction solaire. La sonde a parcouru un trajet complexe de plus de 7,9 milliards de km. Les corrections de vitesse étaient de l’ordre de quelques centaines de m/s, optimisées grâce aux assistances gravitationnelles. Le rapport énergie/masse devait rester inférieur à \( \Delta v \approx 15 \, \text{km.s}^{-1} \).

N.B. : Le rapport énergie/masse en astronautique exprime l’énergie spécifique, c’est-à-dire la variation de vitesse (\( \Delta v \)) disponible par unité de masse. Pour MESSENGER, réduire l’énergie orbitale afin de se placer autour de Mercure nécessitait de diminuer son énergie spécifique d’environ 30 km²/s², soit plusieurs km/s de freinage. Cette contrainte ne pouvait être respectée qu’en utilisant des assistances gravitationnelles successives.

Rotation de Mercure

Mercure n’est pas en rotation synchrone comme la Lune avec la Terre.

Si Mercure était totalement bloquée par effet de marée, elle présenterait toujours la même face au Soleil (rotation synchrone 1:1).

Or, les observations radar faites dans les années 1960 ont montré qu’elle tourne plus vite : 58,65 jours terrestres pour un tour sur elle-même.

Comme sa révolution autour du Soleil dure 87,97 jours terrestres, on obtient une résonance 3:2 : 3 rotations pour 2 révolutions.

Cela veut dire qu’un même méridien de Mercure fait face au Soleil tous les 2 cycles orbitaux (≈ 176 jours terrestres).

Cette résonance est le résultat d’un compromis entre les forces de marée et l’excentricité orbitale de Mercure (\( e \approx 0,206 \)). Le puits de potentiel gravitationnel associé favorise un état stable en 3:2 plutôt qu’en 1:1.

Missions spatiales vers Mercure

Sources : NASA – Mission MESSENGER, ESA – BepiColombo.