Mariner 10 et Mercure

La planète Mercure fut visitée par la mission Mariner 10, en 1974. Une opportunité unique se présentait en 1973, qui permettait d'envoyer un vaisseau qui pourrait visiter Vénus et Mercure en une seule mission, via un passage assisté par gravité (une technique qu'on connaissait théoriquement depuis des décennies mais qui n'avait encore jamais été utilisée). A l'époque, on connaissait peu de chose sur Mercure et un vol direct aurait requis une fusée de lancement de grande taille et onéreuse du fait qu'il aurait fallu beaucoup plus de carburant. La technique du passage assisté par gravité fournissait donc une occasion d'aller observer Mercure pour la première fois. La NASA, en 1969, approuva une mission d'abord nommée "Mariner Venus Mercury" puis renommée Mariner 10, qui serait du ressort du Jet Propulsion Laboratory. Ce serait la dernière mission de la série des Mariner, des vaisseaux couronnés de succès qui avaient révélé de nombreuses choses sur les planètes du système solaire interne. D'un poids de 500kg, le Mariner 10 fut lancé le 3 novembre 1973 à bord d'une fusée Atlas/Centaur D1-A du pas de tir 36B du Cape Canaveral en Floride. Après quelque temps sur une orbite parking autour de la Terre, l'étage Centaur fut rallumé et envoya Mariner 10 à destination de Vénus. Mariner 10 utilisait l'étoile Canopus comme étoile-guide. Au cours de la première semaine de son voyage, le vaisseau calibra son système de prise de vues en prenant des photographies de la Terre et de la Lune (dont les régions polaires nord de celle-ci lesquelles n'avaient été que peu observées par les missions précédentes). Au cours de sa trajectoire de 3 mois à destination de Vénus, en janvier 1974 le Mariner 10 fit des observations de la comète Kohoutek dans l'ultraviolet, qui vinrent s'ajouter aux observations qui étaient faites par les observatoires terrestres et par les astronautes de la station Skylab. Pour accomplir sa mission, Mariner 10 emportait 6 instruments: le "Television Photography System" consistant en deux instruments pour imager les planètes, un radiomètre infrarouge pour calculer la température de l'atmosphère vénusienne et celle de la surface de Mercure, un spectromètre dans l'ultraviolet utilisé surtout pour rechercher une atmosphère autour de Mercure, des détecteurs de plasma pour étudier pour la première fois le vent solaire à l'intérieur de l'orbite de Vénus, un instrument à particules chargées qui étudierait les radiations cosmiques et, enfin, des magnétomètres pour rechercher un champ magnétique autour de Mercure. De plus, comme la mission allait passer derrière Mercure, ses signaux radios seraient utilisés pour étudier une éventuelle atmosphère et pour mesurer précisèment le diamètre de la planète. Un suivi précis de la trajectoire de Mariner 10 lorsqu'il passerait derrière Mercure permettrait aussi de déterminer précisément la masse et les caractéristiques gravitationnelles de celui-ci. Mariner 10 fut le premier vaisseau interplanétaire à jamais exécuter un passage assisté par gravité au long de sa trajectoire. Le vaisseau passa à Vénus le 5 février 1974 à 17h 01 GMT, à 5768 km (3600 miles) d'altitude et il y fit des observations scientifiques en même temps que la gravité de la planète accéléra sa vitesse et permit de le re-diriger sur Mercure. La planète n'était plus alors qu'à 43 jours! Après quelques problèmes de trajectoire, d'ailleurs, et d'assiette de la sonde dans l'espace, Mercure commença d'être acquise par les instruments optiques de Mariner 10 le 23 mars 1974. Ces premières images, prises de 5,3 millions de km (3,3 millions de miles) étaient à peu près de la qualité de celles qui avaient été prises jusque là par les observatoires terrestres. Comme, depuis la Terre, du fait de sa proximité d'avec le Soleil, Mercure est difficilement observable, bas au-dessus de l'horizon et toujours étoile du matin ou étoile du soir, les images renvoyées par Mariner 10 au fur et à mesure qu'il se rapprochait de la planète, devinrent peu à peu fantastiques! Et on finit par obtenir des images très rapprochées. Au cours de ce premier passage, Mariner prit 2000 images. Le 29 mars, Mariner 10 ne passa qu'à 704km (438 miles) d'altitude et continua de prendre des photographies jusqu'à 3 avril, date à laquelle 2000 images avaient été renvoyées ainsi que tout un ensemble de données provenant des instruments scientifiques. A première vue, on découvrait un Mercure très semblable à la Lune avec une surface fortement cratèrisée, mais, globalement, les caractéristiques de surface de la planète montraient moins de contraste. D'autres caractéristiques telles que les escarpements ou les falaises présentes sur Mercure étaient absentes de la Lune et laissaient donc entrevoir comment la planète s'était formée. Mercury avait également des mers ou des plaines plates, qu'on retrouve sur la Lune et mars, des indices possibles d'une ancienne histoire géologique semblable en termes de bombardement par des astéroïdes. Un peu surprenant, le magnétomètre de Mariner 10 détecta un faible champ magnétique (environ 1/60ème celui de la Terre). Le suivi radio de la trajectoire du vaisseau spatial révéla que Mercure était beaucoup plus proche d'être une sphère parfaite que ne l'est la Terre. La grande différence de température entre les côtés jour et nuit de Mercure -plus de 315° C- indiquait que la surface était composée d'un matériau similaire à celui de la Lune, une couverture de poussière pulvérisée par des impacts météoriques. Cinq corrections à mi-parcours furent nécessaires pour placer correctement le vaisseau spatial en vue de sa deuxième rencontre et permettre également la troisième. Le 21 septembre 1974, Mariner 10 passa à un plus lointain de 480000km (29,875 miles) du côté ensoleillé de mercure et cette trajectoire permit d'observer la région polaire sud de la planète. Quelques 500 nouvelles images de la planète furent renvoyées au cours de ce passage de trois jours, et la plus grande distance du survol permit de créer une série de mosaïques à l'échelle hémisphèrique avec des détails étonnants. Le spectromètre ultraviolet du vaisseau spatial confirma que Mercure possédait une atmosphère très fine composée principalement d'hélium. Le troisième survol eut lieu le 16 mars 1975. Mariner 10, manquant déjà de carburant du contrôle d'attitude, perdit la communication avec la Terre et les contrôleurs s'efforcèrent de trouver du temps sur les antennes de suivi pour reprendre le contrôle, ce qui fut réussi juste à temps pour la rencontre avec Mercure. Cette fois-ci, la distance n'était que de 326km (203 miles) au-dessus de la surface et les principaux objectifs étant d'étudier le champ magnétique de la planète et de prendre des images plus détaillées des sites d'intérêt identifiés lors des deux premièrs passages. Environ 450 bandes étroites utiles de photographies furent prises, certaines avec une résolution de surface jusqu'à environ 137m (450 pieds). 8 jours plus tard, Mariner 10 avait épuisé le carburant de contrôle d'attitude et les contrôleurs envoyèrent un signal pour éteindre le vaisseau

Mercure, lors du premier passage de Mariner 10. NASA/JPL/U.S. Geological Survey

Les planificateurs de la mission avait choisi la trajectoire de sorte que la rencontre avec Mercure aurait lieu lorsque la planète serait à son plus loin du Soleil de sorte que Mariner 10 n'ait pas à s'approcher trop du Soleil et donc à réduire le risque d'être trop exposé à la chaleur de ce dernier. Une autre innovation de la mission est qu'elle ne se contenta pas de survoler sa cible mais que les concepteurs avaient fait en sorte, par un système d'orbites héliocentriques, que Mariner 10 puisse revenir deux fois sur la planète Mercure! Le scientifique et mathématicien italien Giuseppe Colombo (1950-1984), de l'université de Padoue, calcula que la trajectoire de Mariner 10 rendrait possible de repasser à Mercure tous les 6 mois, le vaisseau accomplissant une orbite autour du Soleil pendant que Mercure en faisait deux. Porté par la gravité du Soleil, la sonde revint, à ses aphélies, jusqu'à l'orbite de Vénus pour replonger vers Mercure. De plus, les orbites avaient été calculées de telle sorte, qu'à chacun de ces nouveaux passages à Mercure, Mariner 10 y revint à un angle qui était semblable à celui auquel il avait rencontré la planète lors du premier passage. Le premier passage, le 29 mars 1974, avait eu lieu à une altitude de 704 km (437 miles). Le second -le 21 septembre 1974- et le troisième -le 16 mars 1975- eurent lieu à des altitudes de 48000 km (29900 miles) et 327 km (200 miles) respectivement. Ces deux passages supplémentaires permirent d'obtenir d'autres images et de continuer d'étudier scientifiquement la planète. L'inconvénient de ce programme était qu'à chaque fois Mariner 10 allait revenir à Mercure, il présenterait le même hémisphère éclairé à l'observation; ainsi seulement 40 à 45% de la surface put être imagée (mais à une résolution suffisamment importante pour générer une carte détaillée)

Mercure: une falaise de 2300 m (7500 ft) d'altitude. NASA/JPL/Northwestern University

Mariner 10 fut donc la mission qui fournit une moisson, toujours insurpassée à ce jour, de données sur Mercure. La prochaine étape fondamentale dans l'étude de la planète aura sans aucun doute lieu en 2008-2011, lorsque la mission Messenger de la NASA, qui a quitté la terre en août 2004, atteindra Mercure pour y mener une étude exhaustive. Mariner 10, au total, prit 12000 images, cartographiant 45% de la surface. Du fait de la géométrie particulière de ses passages -le premier passage avait eu lieu du côté nocturne- la caméra de Mariner 10 avait été équipée d'un objectif de 1500 mm, qui permettait de prendre des images détaillées pendant la phase de l'approche, puis en éloignement de la planète. Le deuxième passage, lui, eut lieu au-dessus du pôle sud de la planète. Par ailleurs, des mesures thermiques dans l'infrarouge donnèrent des données sur les sols et la spectrographie dans l'ultra-violet donna des données sur l'atmosphère. Les caractéristiques gravitationnelles et la masse de Mercure furent également mieux déterminées. Une autre découverte importante fut celle que Mercure avait un champ magnétique et une magnétosphère (le champ magnétique était décalé ce qui avait vraisemblablement comme conséquence que différents lieux de la surface présentaient différents niveaux de protection). Depuis Mariner 10, Mercure a enfin révélé ses mystères: on sait maintenant que la planète ressemble à la Lune, qu'elle est lourdement cratérisée et qu'elle possède des falaises, des failles et des bassins circulaires. Il se pourrait que ces grandes falaises et failles aient été le résultat du fait que le coeur métallique de Mercure s'est refroidi au long de milliards d'années. De l'eau, sous forme de glace, existe au fond des cratères polaires, là où la température peut descendre en-dessous de -212°C (-350°F), alors que, dans les régions exposées au Soleil, elles peuvent atteindre les valeurs clémentes de 400°C (750°F). Avant la Mission Mariner 10, le radar du radio-télescope d'Arecibo, à Porto-Rico, découvrit ce qui pouvait être la signature d'eau ou de glace d'eau qu'il cironscrit aux pôles et la mission montra qu'on trouvait bien des cratères dans la région, qui correspondaient aux émissions. Huit jours seulement après son dernier passage à Mercure, Mariner 10 épuisa ses réserves de carburant du contrôle d'attitude et les contrôleurs au sol éteignirent son transmetteur radio, le vaisseau silencieux continuant sur une orbite solaire