La surface sombre de Mercure pourrait être le vestige d’une étonnante croûte de graphite formée aux débuts de la planète. Le graphite est une forme cristalline naturelle du carbone pur, de couleur grise à noire, qui compose notamment la mine de nos crayons.
Pour comprendre son origine, il faut remonter à une époque où Mercure était encore très chaude. Une grande partie de ses roches était alors fondue, formant un vaste océan de magma. Le carbone présent dans ce mélange pouvait suivre plusieurs chemins : rester dans le magma, rejoindre le noyau métallique ou former du graphite.
Vue d’artiste de la sonde MESSENGER en orbite autour de Mercure.
Crédit : NASA
Image Wikimedia
Des chercheurs ont reproduit en laboratoire les conditions qui régnaient dans les profondeurs de la jeune Mercure. Ils ont soumis différents matériaux à de fortes pressions et à des températures pouvant dépasser 2 000 °C. Ils ont ensuite mesuré comment le carbone se répartissait entre la roche fondue et le métal.
Le résultat dépend fortement de la quantité d’oxygène disponible pour les réactions chimiques. Mercure s’est formée dans un environnement très pauvre en oxygène. Dans ces conditions particulières, le carbone entre moins facilement dans le métal. Une plus grande quantité peut donc rester dans l’océan de magma, puis se transformer en graphite lorsque celui-ci refroidit.
Or le graphite est bien moins dense que les roches et le métal qui l’entourent. Il peut donc remonter vers la surface du magma. Au fil du refroidissement, cette séparation aurait produit une première croûte riche en graphite. Les chercheurs calculent que la couche initiale correspondant le mieux aux observations aurait mesuré environ 40 à 120 mètres d’épaisseur.
Représentation schématique de la distribution du carbone dans Mercure, de sa formation à aujourd'hui.
Cette ancienne surface n’est plus intacte aujourd’hui. Pendant des milliards d’années, les impacts de météorites et l’activité volcanique ont brassé les matériaux. La sonde MESSENGER a néanmoins détecté des terrains particulièrement sombres et riches en carbone. Ces observations avaient déjà conduit à proposer l’existence d’une ancienne croûte flottante de graphite.
L’étude apporte aussi des informations sur le gigantesque noyau de Mercure, qui représente environ 70 % de la masse de la planète. Les calculs indiquent que le carbone ne pourrait y être présent qu’en quantité relativement faible. Il expliquerait donc difficilement, à lui seul, pourquoi le noyau est moins dense que du fer pur. Le silicium et le soufre joueraient probablement un rôle plus important.
Ces résultats pourront être confrontés à de nouvelles mesures de Mercure. La mission BepiColombo doit étudier sa surface, sa composition et sa structure interne avec plusieurs instruments. Ces données permettront notamment de mieux déterminer la quantité de carbone présente et de tester le scénario de cette ancienne croûte de graphite.