Hormis la nôtre, nulle autre planète que Mars n’a été l’objet d’autant d’attention. Alors que sondes et rovers explorent sans discontinuer sa surface depuis vingt ans à la recherche de traces – passées et présentes – d’eau ou de vie, une équipe internationale de chercheurs1 vient peut-être de trouver la réponse à une autre grande énigme martienne : comment la planète Rouge s’est-elle retrouvée affublée de ses deux petites lunes Phobos et Deimos ?

Deux origines possibles

Les astronomes ont longtemps balancé entre deux hypothèses. La première suggère que les lunes sont en fait des astéroïdes semblables à ceux que l’on retrouve dans la ceinture principale située entre Mars et Jupiter, mais on ne comprenait pas comment ces corps avaient été capturés par Mars. L’autre hypothèse suppose que ces satellites se sont formés à partir des débris issus d’une collision entre Mars et une protoplanète ; mais une grande incertitude demeurait quant au mécanisme expliquant une telle formation.

Leurs résultats, qui semblent étayer l’hypothèse d’une collision gigantesque, permettent également pour la première fois d’expliquer comment les deux lunes ont pu émerger des débris générés par cet impact.

Quand Mars avait un anneau

Selon les simulations, Mars a subi il y a entre 4 et 4,5 milliards d’années un choc frontal avec un corps trois fois plus petit que lui. Les débris éjectés se sont alors d’abord retrouvés en orbite autour de la planète Rouge, formant un anneau similaire à ceux de Saturne. Dans cet anneau, une lune de mille fois la masse de Phobos s’est progressivement formée par accrétion des débris, comme cela s’est passé lors de la formation de notre propre Lune.

À ce stade, cette nouvelle étude a permis d’identifier le facteur crucial différenciant la formation de notre Lune et celle de Phobos : les vitesses de rotation différentes de leurs planètes, se traduisant par des effets gravitationnels bien différents. Sébastien Charnoz précise ainsi que, au moment de leurs impacts respectifs, « la Terre tournait sur son axe en moins de 4 heures, tandis que Mars tournait bien plus lentement, observant une période de 24 heures ».

Cette différence de vitesse a fait que la Terre a gardé une seule grande Lune tandis que les débris de l’impact martien se sont rassemblés en une douzaine de petits satellites accompagnant une lune plus massive. Finalement, la gravité de Mars combinée à sa rotation lente ont conduit la plupart de ces satellites, y compris le plus gros d’entre eux, à retomber sur Mars. Seuls les plus éloignés, Phobos et Deimos, sont restés en orbite. La rotation rapide de la Terre a au contraire conduit à un éloignement progressif de l’orbite lunaire.

À l’avenir, l’équipe compte analyser la dynamique à long terme de Phobos et Deimos. Le planétologue Ryuki Hyodo, membre associé de l’équipe et actuellement détaché de l’université de Kobe pour collaborer avec l’IPGP note que « des simulations haute résolution de l’impact sont encore nécessaires pour mieux comprendre la structure du disque d’accrétion ».

Bientôt une mission vers Phobos

Même si des preuves matérielles sont encore nécessaires pour confirmer le scénario proposé par l’équipe, des découvertes récentes semblent l’étayer. C’est notamment le cas d’autres travaux français portant sur les propriétés physiques et orbitales des lunes martiennes, qui indiquent elles aussi une formation découlant d’un impact4.

Image figurant les six phases de formation des lunes Deimos et Phobos autour de Mars.

Image figurant les six phases de formation des lunes Deimos et Phobos autour de Mars.

A. TRINH/ Observatoire Royal de Belgique

A. TRINH/ Observatoire Royal de Belgique

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D’autres recherches sont prévues ailleurs, en particulier au Japon, où la Jaxa (Japan Aerospace Exploration Agency) a annoncé une mission martienne qui débutera en 2022 pour un retour prévu en 2026. « L’objectif est d’ausculter au plus près Phobos et Deimos par des mesures effectuées tant à distance que sur place et de ramener des échantillons sur Terre », informe Ryuki Hyodo. L’actuelle collaboration franco-belgo-nippone jouera un rôle important dans cette prochaine mission : c’est à elle que la Jaxa va confier l’analyse des échantillons afin de déterminer si Phobos est bien, comme l’indiquent les simulations, composée d’un mélange de manteau martien et de débris d’une protoplanète disparue.

En tout état de cause, les avancées réalisées sont une étape cruciale dans la résolution de l’énigme des lunes martiennes. « Plus généralement, nos découvertes permettent de mieux comprendre comment des impacts géants donnent naissance à des satellites et peuvent aboutir à la formation de systèmes satellitaires différents », conclut Sébastien Charnoz. Ce dernier estime ainsi que la méthode déployée ici pourrait être appliquée à Uranus, Neptune et, pourquoi pas ?, à des systèmes de satellites en orbite autour d’exoplanètes.