Contraindre la structure interne de Mercure via un modèle de rotation avancé

Constraining Mercury's Internal Structure via Advanced Rotation Model

• Auteur / Autrice : Valentin Etienne
• Direction : Gwenaël Boue
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2025
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Temps Espace

Mots clés

Mots clés libres

Rotation

Effets de marée

BepiColombo

Mercure

Mécanique lagrangienne

BepiColombo

Lagrangian mechanics

Tidal effects

Rotation

Mercury

Résumé

L'objectif principal de cette thèse est de développer un modèle précis du mouvement de rotation de Mercure en s'appuyant sur un formalisme Lagrangien novateur, afin de contraindre la structure interne de la planète. Mercure présente des propriétés uniques, telles que sa résonance spin-orbite 3:2 et l'état d'équilibre de son axe de rotation, connu sous le nom d'état de Cassini. Des mesures récentes acquises depuis le sol ont révélé que l'axe de rotation de Mercure est décalé par rapport au plan des états de Cassini (Margot et al., 2012). Ce résultat a ensuite été confirmé par les mesures issues de la mission spatiale MESSENGER de la NASA (Atark et al., 2015). Le décalage de l'axe de rotation de Mercure pourrait s'expliquer par la précession du périhélie, la déformation due aux forces de marée et la friction noyau-manteau (Baland et al., 2017). Ces missions spatiales et ces particularités dynamiques ont fait de Mercure un sujet de recherche actif au cours des 20 dernières années (par ex. Margot et al., 2007, 2012 ; Rambaux et al., 2007a, 2007b ; Dufey et al., 2008, 2009 ; Correia & Laskar, 2009, 2012 ; Baland et al., 2017 ; Dumberry, 2020 ; MacPherson & Dumberry, 2022). Cependant, les modèles actuels de la dynamique de rotation de Mercure nécessitent d'être comparés à une solution mathématique alternative et robuste. Dans ce contexte, nous proposons de développer un nouveau modèle basé sur une approche Lagrangienne innovante introduite par C. Ragazzo et G. Boué (Ragazzo & Ruiz, 2015, 2017 ; Ragazzo et al., 2022 ; Boué et al., 2017 ; Boué, 2020). Ce formalisme a déjà démontré son efficacité à travers un modèle de rotation élégant appliqué à Titan, révélant par la même occasion une faille dans les études précédentes sur ce corps menées par différentes équipes (Boué et al., 2017). Le modèle développé sera également appliqué à d'autres corps du Système solaire, tels que les lunes glacées des planètes géantes, qui présentent des similitudes avec la structure interne avec de Mercure. Un exemple notable est le satellite galiléen Ganymède, en orbite autour de Jupiter, qui sera exploré par la mission spatiale JUICE à partir de 2030.

The main objective of this thesis is to develop a precise model of Mercury's rotational motion using an innovative Lagrangian formalism, in order to constrain the planet's internal structure. Mercury presents unique properties, such as its 3:2 spin-orbit resonance and the equilibrium state of its rotation axis, known as a Cassini state. Recent ground-based measurements revealed that Mercury's rotation axis is offset from the Cassini state plane (Margot et al., 2012). This result was subsequently confirmed by measurements from NASA's MESSENGER space mission (Atark et al., 2015). The offset of Mercury's rotation axis could be explained by perihelion precession, tidal deformation, and core-mantle friction (Baland et al., 2017). These space missions and dynamic particularities have made Mercury an active research subject over the past 20 years (e.g., Margot et al., 2007, 2012; Rambaux et al., 2007a, 2007b; Dufey et al., 2008, 2009; Correia & Laskar, 2009, 2012; Baland et al., 2017; Dumberry, 2020; MacPherson & Dumberry, 2022). However, current models of Mercury's rotational dynamics need to be compared with an alternative and robust mathematical solution. In this context, we propose to develop a new model based on an innovative Lagrangian approach introduced by C. Ragazzo and G. Boué (Ragazzo & Ruiz, 2015, 2017; Ragazzo et al., 2022; Boué et al., 2017; Boué, 2020). This formalism has already demonstrated its effectiveness through an elegant rotation model applied to Titan, simultaneously revealing a flaw in previous studies on this body conducted by different teams (Boué et al., 2017). The developed model will also be applied to other Solar System bodies, such as the icy moons of giant planets, which present similarities with Mercury's internal structure. A notable example is the Galilean satellite Ganymede, orbiting Jupiter, which will be explored by the JUICE space mission starting in 2030.