Ralentir en tombant vers le Soleil : comment BepiColombo vise Mercure

Placer une sonde en orbite stable autour de Mercure demande « encore plus d’énergie » que d’envoyer une mission vers Pluton. La comparaison n’a rien d’une formule de communicant : elle figure dans la fiche technique de BepiColombo publiée par l’Agence spatiale européenne (ESA). Elle explique pourquoi la mission menée avec l’agence spatiale japonaise (JAXA), lancée par une Ariane 5 dans la nuit du 19 au 20 octobre 2018, n’atteint son but qu’à la fin de 2026, après huit ans de voyage dans le système solaire intérieur.

Plus on s’approche du Soleil, plus on accélère

Aller vers Mercure, c’est tomber vers le Soleil. L’ESA le résume dans une page pédagogique : l’énergie orbitale totale d’un engin reste constante tant qu’on ne trouve pas le moyen d’en perdre. Or, en se rapprochant du Soleil, la sonde convertit de l’énergie liée à sa distance en vitesse et accélère « comme une voiture en descente ». Sans freinage, elle arriverait à Mercure bien trop vite pour être capturée par sa gravité, et passerait son chemin.

Freiner uniquement avec des moteurs ? Il faudrait embarquer tant de carburant, et de structure pour le contenir, que l’engin deviendrait trop lourd pour être lancé, même par la plus puissante des fusées. La solution consiste à emprunter de l’énergie aux planètes elles-mêmes.

Neuf survols pour perdre de la vitesse

C’est le principe de l’assistance gravitationnelle : selon la façon dont elle aborde une planète en mouvement, une sonde peut gagner ou perdre de la vitesse par rapport au Soleil, sans consommer de carburant. Chaque passage ne retire qu’une partie de l’énergie à perdre ; il faut donc les multiplier, et les années s’accumulent entre deux rendez-vous.

BepiColombo en a enchaîné neuf, d’après la fiche technique : la Terre le 10 avril 2020, Vénus le 15 octobre 2020 et le 11 août 2021, puis Mercure elle-même à six reprises, du 1^er octobre 2021 au 8 janvier 2025. Entre ces survols, la sonde a ajusté sa trajectoire avec une propulsion électrique : quatre propulseurs ioniques T6, qui éjectent des atomes de xénon électriquement chargés à 50 000 mètres par seconde. Leur poussée est minuscule (l’équivalent du poids de trois pièces de 1 euro), mais elle peut s’exercer pendant des mois.

2024 : une baisse de puissance qui a coûté un an

Cette propulsion a failli manquer au rendez-vous. En avril 2024, des courants électriques inattendus sont apparus entre les panneaux solaires du module de transfert (MTM) et l’unité chargée de distribuer l’énergie au reste du vaisseau, a expliqué l’ESA en septembre 2024. Moins de puissance disponible, donc moins de poussée. « Après des mois d’enquête, nous avons conclu que les propulseurs électriques du MTM continueront de fonctionner en dessous de la poussée minimale requise pour une insertion en orbite autour de Mercure en décembre 2025 », déclarait alors Santa Martinez, responsable de la mission.

Les équipes ont recalculé une trajectoire, inaugurée par le quatrième survol de Mercure, le 4 septembre 2024, à environ 165 km de la surface. L’arrivée a été repoussée de décembre 2025 à novembre 2026. L’agence n’a pas chiffré, dans cette annonce, l’ampleur exacte de la perte de poussée.

Deux agences, deux dates d’arrivée

L’arrivée ne tient pas en un jour : elle s’étale sur plusieurs mois, et l’ESA et la JAXA ne mettent pas le curseur au même endroit.

Une première étape est franchie. Le 3 septembre, le MTM, qui avait convoyé l’ensemble avec ses grandes ailes solaires et ses propulseurs ioniques, a été largué à plus de 200 millions de kilomètres de la Terre ; la confirmation est arrivée à 15 h 52 (heure de Paris), avec « tous les systèmes nominaux », selon la page de suivi de l’ESA. Ce largage change la nature de la sonde : privée de sa propulsion électrique, elle ne compte plus que sur les propulseurs de l’orbiteur européen. Mis à feu 8 minutes et 42 secondes le 24 septembre, ils ont donné une impulsion « précise » de 11,4 m/s, première correction de trajectoire prévue depuis le largage.

Le 21 novembre, les deux orbiteurs, « toujours attachés l’un à l’autre », doivent être capturés par la gravité de Mercure. C’est la date que la JAXA retient comme celle de l’arrivée. On imagine volontiers un grand coup de frein dont tout dépendrait ; ce n’est pas ce qui a été conçu. Une page de l’ESA sur la conception de la mission, mise à jour en 2019, décrit une capture à la « frontière de stabilité faible », qui laisse de la souplesse et se montre « plus robuste face aux défaillances » que l’approche traditionnelle du « grand coup de pied », une poussée unique. Cette page est antérieure à la nouvelle trajectoire de 2024, et l’ESA n’a encore publié ni l’heure ni le profil détaillé de la manœuvre du 21 novembre.

L’ESA, elle, considère que c’est la séparation des deux orbiteurs, les 9 et 10 décembre, qui « marquera officiellement l’arrivée de BepiColombo à Mercure ». Elle organise un événement à son centre d’opérations de Darmstadt, en Allemagne, à partir de 22 heures (heure de Paris) le 9 décembre, pour vivre « le moment tendu » de la réception du premier signal après la séparation.

Viendra ensuite un long travail d’ajustement. D’après la page « Journey to Mercury », l’ensemble est d’abord amené, grâce aux propulseurs de l’orbiteur européen, sur l’orbite voulue pour la sonde japonaise ; l’orbiteur européen se détache alors et descend vers la sienne. Il doit atteindre son orbite scientifique définitive le 19 mars 2027, et la phase scientifique commencer en avril 2027, pour une mission nominale d’un an.

Deux orbiteurs, deux métiers

BepiColombo, baptisée en hommage au mathématicien et ingénieur italien Giuseppe « Bepi » Colombo (1920-1984), pesait 4 100 kg au lancement, dont 1 400 kg d’ergols, selon la fiche technique. Une fois le MTM largué, il reste deux sondes très différentes.

L’orbiteur planétaire européen (MPO), 1 230 kg, porte onze instruments. Il doit tourner autour de Mercure en 2,3 heures, sur une orbite polaire passant entre 480 et 1 500 km d’altitude, pour étudier la surface et sa composition, la structure interne et le noyau, le champ magnétique, la très ténue atmosphère de la planète (l’exosphère), la glace des cratères polaires plongés dans une ombre permanente, et même tester la relativité générale d’Einstein. Si près du Soleil, il devra supporter jusqu’à 450 °C, « assez pour faire fondre du plomb ».

L’orbiteur magnétosphérique japonais, Mio, est plus léger (255 kg) et tourne sur lui-même à 15 tours par minute. Sa mission, selon la JAXA : étudier « en détail l’environnement de Mercure, dont son champ magnétique, son plasma, sa fine atmosphère et ses poussières », avec cinq instruments et, une fois en orbite, quatre antennes filaires de 15 mètres et deux mâts de 5 mètres. Il évoluera beaucoup plus loin de la planète, sur une orbite polaire très allongée de 590 × 11 640 km, selon l’ESA.

Ce que Messenger a laissé en suspens

BepiColombo n’est pas la première à se mettre en orbite autour de Mercure. La sonde Messenger de la NASA, lancée en 2004, y est parvenue le 18 mars 2011, rappelle l’agence américaine. Jusqu’à son écrasement sur la planète, à court de carburant, le 30 avril 2015, elle a renvoyé près de 300 000 photos et plus de 10 téraoctets de données. Elle a mis en évidence de la glace d’eau et des composés organiques près du pôle Nord, le rôle du volcanisme dans le façonnage de la surface, et une composition plus riche en éléments volatils qu’on ne le pensait. Les orbiteurs de BepiColombo ne seront ainsi que « le deuxième et le troisième » à tourner autour de Mercure, souligne l’ESA.

Messenger a aussi ouvert des énigmes. La plus déroutante concerne le champ magnétique. « Le champ magnétique de Mercure ressemble à celui de la Terre : c’est un dipôle, imaginez un barreau aimanté géant, mais le centre de l’aimant est décalé de 500 km au nord de l’équateur de la planète », résume Larry Nittler, responsable scientifique adjoint de Messenger de 2011 à 2015, dans un retour sur la mission publié par Carnegie Science en 2024. « Nous avons quelques modèles pour l’expliquer, mais ce n’est toujours pas complètement compris. » Dans un chapitre de synthèse consacré aux mesures de Messenger, Johannes Wicht et Daniel Heyner chiffrent ce décalage à 20 % du rayon de la planète et constatent que les modèles classiques, où le champ est entretenu par la convection dans le noyau (une « dynamo »), « ont du mal à reproduire les observations ».

Deuxième énigme : les « hollows » (littéralement, des « creux »), qualifiés de « formes de relief que l’on ne voit sur aucun autre corps planétaire » dans l’article de synthèse sur les objectifs de BepiColombo publié par la revue Space Science Reviews en décembre 2021 et signé par 31 chercheurs. Ils semblent liés à une perte de matières volatiles, mais restent sans réponse « le processus qui entraîne cette perte, le mécanisme et l’échelle de temps de la croissance des hollows, la nature des volatils perdus et leur origine ».

Troisième lacune, plus prosaïque : la géographie. Selon le même article, la cartographie de la composition chimique par Messenger « s’est largement limitée à l’hémisphère Nord », avec des cartes à basse résolution (des centaines de kilomètres) en raison, notamment, de « l’excentricité de l’orbite de Messenger ». La répartition de la glace polaire reste « largement inconnue dans l’hémisphère Sud ». Les auteurs ajoutent que le volume et la répartition des volatils « pourraient être nettement sous-estimés ».

Notre analyse : le Sud et l’aimant décentré

Les limites de Messenger tiennent pour une bonne part à sa géométrie, l’article de Space Science Reviews citant aussi la faible sensibilité de certains instruments. Sur une orbite excentrique de douze heures au départ (ramenée ensuite à huit heures), elle passait à 200 km environ de la surface au plus près et s’en éloignait à plus de 15 000 km, d’après la NASA. Elle était seule, aussi : chaque mesure du champ magnétique mêlait, au même instant et en un seul point, le champ produit par la planète et les effets du vent solaire.

BepiColombo a été dessinée pour lever ces deux verrous. L’orbite polaire du MPO, entre 480 et 1 500 km, devrait réduire fortement l’écart de résolution entre les deux hémisphères. « Pour ceux qui, comme moi, s’intéressent à la composition de la surface, la plus grande différence avec Messenger est que [BepiColombo] sera sur une orbite beaucoup moins elliptique. Nous aurons de meilleures vues de l’hémisphère Sud », note Larry Nittler. Et la présence de deux orbiteurs permet, selon l’article de Space Science Reviews, « des mesures simultanées en deux endroits différents pour déterminer le champ magnétique interne de Mercure », une approche que l’ESA juge « cruciale » pour distinguer les différentes sources de magnétisme.

C’est là que la mission devra faire ses preuves, bien plus que sur la date d’arrivée. Deux résultats permettront de dire si le pari de huit ans de voyage est tenu : des cartes de l’hémisphère Sud comparables à celles du Nord, glace polaire comprise, et une mesure du champ interne débarrassée de l’influence du vent solaire, que les théoriciens pourront confronter à leurs modèles de dynamo. Sur les hollows, il faut tempérer les attentes : on ignore à quelle vitesse ils évoluent. La meilleure chance de voir un changement viendra sans doute de la comparaison avec les images de Messenger, quinze ans plus tôt, piste que des chercheurs de la mission jugent « intéressante » ; une mission d’un an, sans prolongation annoncée, ne suffira pas à suivre leur croissance.

Côté calendrier, le moment le plus exposé n’est sans doute pas la capture du 21 novembre, conçue à l’origine pour être progressive, mais ce qui suit : la séparation, puis des mois de manœuvres confiées aux seuls propulseurs de l’orbiteur européen. L’incident de 2024 a montré qu’une anomalie électrique sur un seul module suffisait à décaler l’arrivée d’un an.

Une mission à l’accent français

Le Centre national d’études spatiales (CNES) assure, pour l’ensemble des partenaires français, la maîtrise d’ouvrage de la contribution nationale, qui associe huit laboratoires à six instruments, selon l’ESA. Le seul placé sous la responsabilité scientifique d’un laboratoire français est PHEBUS, un spectromètre ultraviolet de l’orbiteur européen confié au Laboratoire atmosphères, milieux, observations spatiales (LATMOS), en coopération avec des équipes japonaise et russe.

PHEBUS observe l’exosphère, cette atmosphère extrêmement ténue. Il travaille de 55 à 330 nanomètres, de l’ultraviolet extrême à l’ultraviolet lointain, une plage qui contient, selon l’article de Space Science Reviews, « les principales raies de résonance de la plupart des espèces attendues ou détectées ». Son objectif : déterminer « la composition et la structure verticale de l’exosphère, y compris des espèces jamais détectées ». Il doit aussi rechercher des couches de glace au fond des cratères polaires plongés dans l’ombre permanente. L’enjeu dépasse la chimie de l’atmosphère : l’exosphère de Mercure est alimentée par des processus qui arrachent de la matière à la surface (pulvérisation, impacts de micrométéorites…), et l’article décrit un système « surface-exosphère-magnétosphère » couplé. Ce que PHEBUS verra dans le gaz renseigne donc aussi sur le sol et sur l’environnement magnétique de la planète.

D’autres laboratoires français participent, selon le CNES, à cinq instruments : sur l’orbiteur européen, SERENA, qui étudie les échanges de gaz entre la surface, l’exosphère, la magnétosphère et le vent solaire, la suite d’imagerie SIMBIO-SYS (géologie et composition de la surface) et l’altimètre laser BELA (relief), selon l’ESA ; sur Mio, PWI, consacré aux ondes du plasma, et MPPE, aux particules, selon la JAXA.

Cet article sera mis à jour après la capture du 21 novembre, puis après la séparation des 9 et 10 décembre.

Les citations en anglais sont traduites par la rédaction. Laboratoires français associés à la mission, d’après le CNES : LATMOS, IRAP, IAS, IPGP, LAM, LPP, LPC2E, LIRA.