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Un impact géant à l'origine des lunes de Mars

Impression artistique de la collision entre Mars et une protoplanète qui aurait donné naissance aux lunes Phobos et Deimos.

Impression artistique de la collision entre Mars et une protoplanète qui aurait donné naissance aux lunes Phobos et Deimos.

Photo : Université Paris Diderot /Labex UnivEarthS 2016

Radio-Canada

Comment se sont formées Phobos et Deimos, les deux petites lunes de la planète Mars? Trois hypothèses ont été débattues par les astronomes au cours des dernières décennies, mais l'une d'elles est maintenant favorisée. Explications.

Un texte d'Alain LabelleTwitterCourriel

La première explication tend à montrer, en raison de leur forme irrégulière, que les satellites naturels de la planète voisine de la Terre sont en fait des astéroïdes semblables à ceux que l'on retrouve dans la ceinture principale située entre Mars et Jupiter. Les planétologues ne comprenaient toutefois pas comment ces objets auraient été capturés par Mars.

L'autre possibilité envisagée veut que ces lunes se soient formées à partir des débris issus d'une collision entre Mars et une protoplanète, un peu comme la théorie généralement acceptée pour expliquer la présence de la Lune dans l'orbite terrestre.

Les chercheurs ne pouvaient cependant pas expliquer le processus qui a mené à leur formation. Une question demeurait sans réponse : pourquoi les débris d'un tel impact auraient-ils formé deux petits satellites plutôt qu'une énorme lune, comme celle de la Terre?

Une des difficultés majeures était d'expliquer pourquoi un impact géant sur Mars avait généré deux lunes si différentes de la nôtre, qui est constituée d'une masse unique, alors qu'elle serait elle aussi née d'un impact.

Sébastien Charnoz, de l'Institut de physique du globe de Paris

Une troisième hypothèse veut que Phobos et Deimos se soient formées en même temps que Mars, ce qui expliquerait le fait qu'elles ont la même composition que leur planète. Leur faible densité contredit cependant cette hypothèse.

Deux études publiées indépendamment apportent une réponse au mystère. Dans l'une, publiée dans The Astrophysical Journal, des chercheurs français excluent la capture d'astéroïdes. Ils montrent en fait que le seul scénario compatible avec les propriétés de surface de Phobos et Deimos est celui d'un impact géant.

Dans l'autre étude, publiée dans la revue Nature Geoscience, une équipe belgo-franco-japonaise a montré comment ces satellites ont pu se former à partir des débris d'une collision titanesque entre Mars et un embryon de planète trois fois plus petit.

L'anneau de Mars

Des simulations numériques de pointe montrent que Mars a subi, il y a  4 à 4,5 milliards d'années (de 100 à 800 millions d'années après le début de la formation de la planète), un choc frontal avec un corps trois fois plus petit qu'elle. Les débris éjectés se sont d'abord retrouvés en orbite autour de la planète, formant des anneaux similaires à ceux de Saturne. Puis, par agglomération des débris, une lune de 1000 fois la masse de Phobos s'est progressivement formée dans les anneaux internes.

Ensuite, les perturbations gravitationnelles créées dans le disque externe par cet astre massif auraient catalysé l'assemblage de débris pour former d'autres petites lunes plus lointaines.

Au bout de quelques milliers d'années, Mars se serait alors retrouvée entourée d'un cortège d'une dizaine de petites lunes et d'une énorme lune. Plusieurs millions d'années plus tard, une fois le disque de débris dissipé, les effets de marée avec Mars auraient fait retomber sur la planète la plupart de ces satellites, dont la très grosse lune. Seules ont subsisté les deux petites lunes les plus lointaines, Phobos et Deimos.

En raison de la diversité des phénomènes physiques mis en jeu, aucune simulation numérique n'est capable de modéliser l'ensemble du processus. Les auteurs estiment que leur méthode pourrait aussi être appliquée à Uranus et à Neptune.

Naissance des lunes de Mars

Photo : Observatoire Royal de Belgique/A.Trinh

La chronologie des événements: 

  • Mars est percutée par une protoplanète trois fois plus petite (1);
  • Un disque de débris se forme en quelques heures. Les briques élémentaires de Phobos et Deimos (grains de taille inférieure au micromètre) se condensent directement à partir du gaz dans la partie externe du disque (2);
  • Le disque de débris produit rapidement une lune proche de Mars, qui s'éloigne et propage ses deux zones d'influence comme des vagues (3), ce qui provoque en quelques millénaires l'accrétion des débris plus éloignés en deux petites lunes, Phobos et Deimos (4);
  • Sous l'effet des marées soulevées par Mars, la grosse lune retombe sur la planète en quelques millions d'années (5), tandis que Phobos et Deimos, moins massives, rejoignent leur position actuelle dans les milliards d'années qui suivent (6).

Le saviez-vous?

De nouvelles observations permettront bientôt d'en savoir plus sur l'âge et la composition des lunes de Mars. En effet, l'agence spatiale japonaise a décidé de lancer en 2022 une mission, baptisée Mars Moons Exploration, qui rapportera sur Terre en 2027 des échantillons de Phobos. Leur analyse pourra confirmer ou infirmer ce scénario. L'Agence spatiale européenne, en association avec l'agence spatiale russe, prévoit une mission similaire en 2024.



Science