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Les deux lunes de Mars, Phobos et Deimos, ont intrigué les chercheur·ses depuis leur découverte en 1877. Elles sont très petites : le diamètre de Phobos, 22 kilomètres, est 160 fois plus petit que celui de notre Lune, et Deimos est encore plus petite, avec un diamètre de seulement 12 kilomètres. «Notre lune est essentiellement sphérique, alors que les lunes de Mars ont une forme très irrégulière - comme des pommes de terre», explique Amirhossein Bagheri, doctorant à l'Institut de géophysique de l'ETH Zurich, ajoutant : «Phobos et Deimos ressemblent plus à des astéroïdes qu'à des lunes naturelles».
Cela a conduit les gens à soupçonner qu'il pourrait s'agir en fait d'astéroïdes qui ont été capturés dans le champ de gravité de Mars. «Mais c'est là que les problèmes ont commencé", dit Amirhossein Bagheri. Les objets capturés devraient suivre une orbite excentrique autour de la planète, et cette orbite aurait une inclinaison aléatoire. En contradiction avec cette hypothèse, les orbites des lunes martiennes sont presque circulaires et se déplacent dans le plan équatorial de Mars. Alors, quelle est l'explication des orbites actuelles de Phobos et Deimos ? Pour résoudre ce problème dynamique, les chercheur·ses se sont appuyé·es sur des simulations informatiques.
Calculer le passé
«L'idée était de retracer les orbites et leurs changements dans le passé", explique Amir Khan, scientifique senior à l'Institut de physique de l'Université de Zurich et à l'Institut de géophysique de l'ETH Zurich. Il s'est avéré que les orbites de Phobos et de Deimos semblaient s'être croisées dans le passé. «Cela signifie que les lunes se trouvaient très probablement au même endroit et ont donc la même origine», déclare Amir Khan. Les chercheurs en ont conclu qu'un corps céleste plus grand était en orbite autour de Mars à l'époque. Cette lune d'origine a probablement été frappée par un autre corps et s'est désintégrée en conséquence. «Phobos et Deimos sont les restes de cette lune perdue», dit Amirhossein Bagheri, qui est l'auteur principal de l'étude maintenant publiée dans la revue Nature Astronomy.
Bien que faciles à suivre, ces conclusions ont nécessité un travail préliminaire approfondi. Tout d'abord, les chercheur·ses ont dû affiner la théorie existante décrivant l'interaction entre les lunes et Mars. «Tous les corps célestes exercent des forces de marée les uns sur les autres», explique Amir Khan. Ces forces conduisent à une forme de conversion d'énergie appelée dissipation, dont l'ampleur dépend de la taille des corps, de leur composition intérieure et surtout des distances qui les séparent.
Aperçu de l'intérieur de Mars et de ses lunes
Mars est actuellement explorée par la mission InSight de la NASA, avec la participation de l'ETH Zurich : l'électronique du sismomètre de la mission, qui enregistre les tremblements de mars et éventuellement les impacts de météorites, a été construite à l'ETH Zurich. «Ces enregistrements nous permettent de regarder à l'intérieur de la planète rouge,» dit Amir Khan, «et ces données sont utilisées pour contraindre le modèle de Mars dans nos calculs et la dissipation qui se produit à l'intérieur de la planète rouge.»
Les images et les mesures d'autres sondes martiennes ont suggéré que Phobos et Deimos sont faites d'un matériau très poreux. À moins de 2 grammes par centimètre cube, leur densité est bien inférieure à la densité moyenne de la Terre, qui est de 5,5 grammes par centimètre cube. «Il y a beaucoup de cavités à l'intérieur de Phobos, qui pourraient contenir de la glace d'eau», soupçonne Khan, «et c'est là que les marées font se dissiper beaucoup d'énergie.»
Grâce à ces découvertes et à leur théorie affinée sur les effets des marées, les chercheur·ses ont effectué des centaines de simulations informatiques pour suivre les orbites des lunes à rebours dans le temps jusqu'à ce qu'elles atteignent l'intersection - le moment où Phobos et Deimos sont nées. Selon la simulation, ce moment se situe entre 1 et 2,7 milliards d'années dans le passé. «Le moment exact dépend des propriétés physiques de Phobos et Deimos, c'est-à-dire de leur porosité", explique Amirhossein Bagheri. Une sonde japonaise dont le lancement est prévu en 2025 explorera Phobos et rapportera des échantillons sur Terre. Les chercheur·ses espèrent que ces échantillons fourniront les détails nécessaires sur l'intérieur des lunes martiennes qui permettront de calculer plus précisément leur origine.
La fin de Phobos
Leurs calculs montrent également que l'ancêtre commun de Phobos et Deimos était plus éloigné de Mars que ne l'est Phobos aujourd'hui. Alors que le petit Deimos est resté à proximité de son lieu de naissance, les forces de la marée poussent le grand Phobos à s'approcher de Mars - et ce processus est en cours, comme l'expliquent les chercheur·ses. Leurs simulations informatiques montrent également l'évolution future de l'orbite des lunes. Il semble que Deimos s'éloignera de Mars très lentement, tout comme notre Lune se retire lentement de la Terre. Phobos, cependant, s'écrasera sur Mars dans moins de 40 millions d'années ou sera déchirée par les forces gravitationnelles lorsqu'elle se rapprochera de Mars.