La rotation de Mercure est étudiée à l'Observatoire Royal de Belgique, particulièrement la résonance spin-orbite et les librations. La connaissance de ces phénomènes et leurs observations permettra de résoudre certaines questions sur Mercure, comme par exemple « Comment est sa structure interne? ».

La révolution de Mercure autour du Soleil dure 87,969 jours terrestres. La période de rotation diurne est de 58,646 jours terrestres. Il se trouve que cette période est exactement égale aux 2/3 de la révolution de Mercure autour du Soleil. Mercure fait trois tours sur elle-même pendant qu'elle tourne deux fois autour du Soleil, c'est ce qu'on appelle une résonance spin-orbite 3/2. Visualiser ce phénomène. Mercure est l'unique planète en rapport de résonance asynchrone (c'est à dire en rapport d'entiers qui ne soit pas 1/1). En 1889, Schiaparelli affirme que la période de rotation diurne de Mercure est de 87,969 jours terrestres. En effet, après plusieurs années d'observation de Mercure, il avait remarqué que la planète présentait toujours la même face au Soleil, comme la Lune avec la Terre, il en avait conclu que Mercure était synchronisée avec le Soleil. Cette conclusion erronée est due au fait qu'à chaque fois que Mercure était la mieux placée pour être observée, elle présentait la même face ; ceci est bien le cas pour la résonnance 3/2, mais ce serait le cas aussi si Mercure était totalement synchronisée avec le Soleil. Cette erreur d'observation est dûe à la résonance 6:4:3 entre les périodes synodique, orbitale et de rotation de Mercure. Dans les années 60, on commença à observer Mercure avec des radars ; les températures relevées du côté de la planète censé être toujours à l'ombre étaient trop importantes pour que cette face sombre ne soit pas exposée au Soleil. En 1975, la sonde Mariner 10 apporta une meilleure précision en mesurant une période de rotation diurne de 58,646 jours terrestres.


Les librations de Mercure sont les petites oscillations régulières de Mercure autour de son axe de rotation. Elles sont principalement dues à l'aplatissement de Mercure, à sa rotation sur elle-même et à l' excentricité de son orbite. Les Lois de Kepler nous disent que la vitesse de Mercure varie selon son emplacement sur l'orbite; plus elle est proche du Soleil, plus sa vitesse est importante. Dans le cas de Mercure, l'excentricité est importante, il y a donc des variations de vitesse non négligeables lors de sa révolution autour du Soleil. Le bourrelet équatorial n'est pas toujours aligné dans la direction du Soleil, ce qui provoque une force de rappel et des librations. La libration principale de Mercure est de période égale à 88 jours et son amplitude est d'environ 35 secondes d'arc ce qui équivaut à un déplacement de 400 mètres à la surface à l'équateur.

Il existe d'autres types de librations : les librations libres et les librations forcées dues à la présence de Vénus et Jupiter. L'étude de l'amplitude des librations est extrêmement intéressante car elle dépend de l'état du noyau. Cette dépendance a été mise en évidence par Peale, en 1976. Depuis, elles ont été mesurées par l'équipe de Jean-Luc Margot en 2007 et la sonde BepiColombo les mesurera avec une précision encore plus importante. Visualiser ce phénomène.

Les librations de Mercure

Peale découvrit, en 1976, une formule qui à partir de la mesure de certaines caractéristiques de Mercure (paramètres C₂₀ et C₂₂, décrivant le champs gravitationnel, l'obliquité et l'amplitude de libration) donne des propriétés de la structure interne de Mercure. En effet, elle permet de calculer la valeur des moments d'inertie de la planète : A, B, C et C_m.
Définissons plus en détails ces paramètres :

• L'obliquité est l'angle entre l'axe de rotation de Mercure et la perpendiculaire à son plan orbital
• L'amplitude de libration est la taille des oscillations de Mercure autour de son axe de rotation
• C₂₀ et C₂₂ sont des paramètres qui caractérisent le champ gravitationnel ; ils mesurent la répartition des masses à l'intérieur de Mercure et l'aplatissement de Mercure dans toutes les directions (aplatissement équatorial et aplatissement polaire) ; plus leur valeur absolue est grande, plus la planète est aplatie.
• A, B et C sont les moments d'inertie de la planète. C_m est le moment polaire d'inertie du manteau, C_noyau est le moment d'inertie polaire du noyau et C est le moment de toute la planète, avec C somme de C_m et de C_noyau .

Si le noyau est liquide C_m/C vaut 0,5 et s'il est solide C_m/C vaut 1. Par la formule de Peale, on peut déterminer la valeur de C_m/C .


D'autres formules nous permettent d'exprimer A, B et C en fonction de C₂₀, C₂₂ et l'amplitude de libration.




L'expérience MORE (Mercury Orbiter Radioscience Experiment) de BepiColombo mesurera avec précision la valeur de C₂₀, C₂₂. L'amplitude de libration et l'obliquité seront déduites de l'expérience de Géodésie MORE, conjointement avec l'utilisation de la caméra et du "startracker" qui permettra de s'orienter par rapport aux étoiles. L'expérience de Peale révèlera avec certitude l'état du noyau.

Les observations radars En 2007, Jean-Luc Margot et son équipe ont étudié la libration de Mercure et l'ont observée par radar. Les chercheurs utilisent de larges téléscopes pour mesurer les variations dans le mouvement de rotation diurne de Mercure. Ils envoient un signal radar puissant depuis la Terre dont ils récupérent l'écho avec deux téléscopes. Ils mesurent le temps mis entre la réception des signaux aux deux endroits différents. Cette technique (Radar Speckle Displacement Interferometry RSDI) leur a permis de calculer la rotation de Mercure, son obliquité : 126,6 secondes d'arc ± 6 secondes d'arc et son amplitude de libration : 35 secondes d'arc ± 2 secondes d'arc. L'amplitude de libration est deux fois plus importante que ce à quoi ils s'attendaient pour un corps solide. La valeur mesurée peut par contre convenir pour une planète à noyau liquide, car celui-ci n'est pas forcé de suivre le manteau solide dans sa rotation. Une petite planète comme Mercure aurait dû se refroidir rapidement, le noyau aurai dû « geler » il y a déjà longtemps.

Les expérience de Jean-Luc Margot (crédits: http://www.news.cornell.edu /stories/May07/margot.mercury.html et NASA)

Pour maintenir un noyau liquide pendant des millards d'année, il faut la présence d'un élément léger, comme le soufre, dans le mélange de fer qui constitue le noyau. Ce mélange abaisse la température de solidification du noyau par rapport à celle du fer pur. Le noyau peut donc rester liquide plus longtemps que s'il était en fer pur. Jean-Luc Margot conclut de ses observations qu'on peut dire avec une certitude de 90% que Mercure a un noyau liquide.