Impact géant et lunes disparues : origines de Phobos et Deimos, satellites de Mars

Pour la première fois, on a réussi à modéliser de bout en bout le processus de formation des deux lunes martiennes. Il semblerait bien qu'à un impact géant ayant affecté la toute jeune Mars, ait succédé la formation de grosses lunes qui elles-mêmes, par résonance, auraient provoqué l'accrétion de plus petites. Elles seraient ensuite toutes retombées sur la planète, à l'exception de Phobos et Deimos. Cette percée théorique a été réalisée grâce à une collaboration belgo-franco-japonaise à laquelle deux chercheurs de l'Institut de Physique de Rennes ont apporté une contribution décisive. Publication dans Nature Geoscience.

L'impact initial qui peut avoir enclenché le processus de formation de Deimos et Phobos - Image : Labex UnivEarthS / IPGP 2016

Une valse à six temps

Longtemps, la forme de Phobos et Deimos, les deux lunes martiennes, a fait croire qu'ils étaient des astéroïdes capturés par Mars au cours de l'histoire du système solaire, même si leurs orbites contredisent cette hypothèse. Des simulations numériques de pointe montrent pour la première fois comment ces satellites ont pu se former à partir des débris d’une collision titanesque entre Mars et un embryon de planète.

Le scénario est présenté en six temps (cliquez ici pour le voir résumé sur une image à haute résolution) :

  • (1) 100 à 800 millions d'années après le début de formation de Mars, un corps trois fois plus petit entre en collision catastrophique avec la jeune planète.
  • (2) En quelques heures, un disque de débris en rotation se forme autour de Mars. Ce disque est dense sur sa partie interne, côté planète, où il est composé de matière en fusion. Sa partie externe, bien plus raréfiée, est majoritairement gazeuse.
  • (3) 10 ans plus tard à peine, une première lune massive émerge à la frontière externe du disque, suivie par d'autres. Par couplage avec le disque, elles s'éloignent progressivement de Mars. Ces lunes massives propagent dans le disque externe des perturbations qui y catalysent l'accrétion de petites lunes.
  • (4) et (5) après plusieurs millions d'années, le disque d'accrétion se vide et les grosses lunes retombent sur Mars sous les effets de marée.
  • (6) Deux petites lunes, Phobos et Deimos, circulent aujourd'hui sur des trajectoires relativement stables (en réalité Phobos orbite à environ 6 000 km seulement du sol martien et s'en rapproche actuellement à raison de deux mètres par siècle).

L'art de la modélisation

Pour reconstituer ce scénario complexe, il n'existe pas à l'heure actuelle d'outil capable à lui seul de traiter ces étapes très différentes. Par exemple, l'intérieur du disque peut être considéré dans les simulations comme une pâte à crêpe qui tourne et s'étale vers l'extérieur ; la partie externe du disque est composée de nombreux petits corps dont les interactions gravitationelles doivent explicitement être prises en compte. L'équipe de Pascal Rosenblatt et Sébastien Charnoz a combiné trois simulations de pointe pour rendre compte de la physique de l'impact géant, de la dynamique des débris issus de l'impact et de leur assemblage pour former des satellites, et enfin de l'évolution à long terme de ces satellites.

Contribution rennaise

Le code d'accrétion dans le disque extérieur incluant le couplage avec la grosse lune a été réalisé par Kevin et Mariko Dunseath, membres du Département de Physique moléculaire de l'Institut de Physique de Rennes. La rencontre avec Pascal Rosenblatt et Sébastien Charnoz a eu lieu presque par hasard, grâce aux stagiaires du Master de modélisation, calcul scientifique et applications dont Mariko Dunseath, professeur à l'université de Rennes 1, a créé le parcours simulation numérique.

Habitués aux calculs de collisions à l'échelle atomique, Kevin et Mariko Dunseath se sont adaptés aux exigences des deux planétologues. En particulier, ils sont parvenus à développer un programme capable de résoudre les équations du mouvement de nombreux corps sur plusieurs millions d'années, avec des pas d'intégration de 15 minutes à 90 secondes ! En effet, le disque externe tourne tellement vite (8h dans sa partie la plus proche de la planète) qu'il faut suivre les trajectoires de près pour repérer toutes les collisions. Vous pouvez visualiser un rendu animé de la modélisation montrant le processus sur 80 000 ans.

 Kevin M. Dunseath et Mariko Terao-Dunseath

Le code est suffisamment efficace pour réaliser une simulation en quelques jours. En contrepartie, il faut répéter les calculs des centaines de fois pour accumuler suffisamment de statistiques. Après plusieurs mois d'échange intense et de raffinement du modèle, le but est atteint : dans un tiers des cas, les simulations font apparaître deux petites lunes autour de Mars, avec les bonnes masses pour les deux satellites (Phobos est près de 7 fois plus massif que Deimos). Les résultats viennent d'être corroborés par une autre étude parue le même jour (cf. Bibliographie), montrant que les deux satellites semblent composés de grains très fins, révélateurs d'une accrétion ayant eu lieu dans la partie externe d'un disque de débris.

Aujourd'hui, l'étude se poursuit avec la mise au point d'un outil de simulation du disque entier (partie interne dense et externe raréfiée).

Un master de référence

"Pour transférer nos compétences en simulation numérique du monde quantique à la planétologie, nous avons appliqué les concepts que nous enseignons dans le Master Modélisation CSA", déclarent Mariko et Kevin Dunseath. "L'un des co-auteurs de l'article, Stéven Toupin, est diplômé de ce master et a réalisé son stage de fin d'études avec Pascal Rosenblatt. Cette publication vient montrer qu'avec cette formation, on peut s'attaquer à des questions absolument passionnantes ! Nous espérons que les jeunes auront envie de rejoindre ce master, d'autant plus que la plupart de nos étudiants sont embauchés avant même d'obtenir leur diplôme, tant les industriels et laboratoire de recherche ont besoin de ce type de compétences."

Bibliographie

Accretion of Phobos and Deimos in an extended debris disc stirred by transient moons
Pascal Rosenblatt, Sébastien Charnoz, Kevin M. Dunseath, Mariko Terao-Dunseath, Antony Trinh, Ryuki Hyodo, Hidenori Genda & Stéven Toupin.
Nature Geoscience, 4 juillet 2016. DOI: 10.1038/ngeo2742

Reconciling the orbital and physical properties of the martian moons
Thomas Ronnet, Pierre Vernazza, Olivier Mousis, Bastien Brugger, Pierre Beck, Bertrand Devouard, Olivier Witasse, Fabrice Cipriani.
The Astrophysical Journal, sous presse.