Il Nuovo Postiglione - Quelle température fait-il dans l'espace ? Une question sans réponse unique

Si vous interrogez un moteur de recherche sur la température régnant dans l'espace, il est probable que vous obteniez le chiffre de -270 degrés Celsius. Cette valeur circule largement mais elle est presque toujours inexacte. La réalité physique du milieu spatial est bien plus complexe : au même endroit et au même instant, plusieurs températures différentes coexistent.

Prenons l'exemple de la Station spatiale internationale (ISS), située à environ 400 kilomètres d'altitude. Le gaz électrisé, ou plasma, qui entoure la station est agité avec une énergie comparable à celle d'un gaz porté à plusieurs milliers de degrés. Pourtant, aucun astronaute n'y cuit. Parallèlement, la température de la coque de la station elle-même varie considérablement : les faces exposées au soleil atteignent environ 121 degrés Celsius, tandis que les faces à l'ombre descendent jusqu'à -157 degrés Celsius.

Pour comprendre pourquoi une température unique n'a pas de sens dans le vide spatial, il faut d'abord examiner pourquoi elle en a un sur Terre. Dans une pièce fermée, chaque molécule d'air parcourt en moyenne 66 milliardièmes de mètre avant de percuter une autre. Elle subit ainsi plusieurs milliards de collisions par seconde. À chaque choc, une petite quantité d'énergie est échangée entre les molécules : les plus rapides ralentissent et les plus lentes accélèrent. C'est ce résultat d'échange d'énergie, appelé équilibre thermodynamique, qui produit une température unique, valable pour l'air, les murs et votre thermomètre, car aucun de ces éléments n'a le temps de diverger.

Sur Terre, l'air est composé de 25 milliards de milliards de particules par centimètre cube. Dans l'espace, la densité n'est que de quelques particules par centimètre cube. Cette densité est si faible que les collisions se raréfient au point que le mécanisme d'échange d'énergie s'arrête. La température garde alors son sens physique : elle mesure l'agitation des particules, et non la chaleur qu'elles peuvent transmettre.

Ce découplage atteint son extrême là où plusieurs populations de particules cohabitent sans se mélanger, comme autour d'une comète. Entre 2014 et 2016, la sonde européenne Rosetta a escorté la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko. En chauffant sous l'effet du soleil, le noyau cométaire libère du gaz que la lumière solaire ionise, le transformant en plasma. Les instruments de Rosetta y ont trouvé, au même endroit, non pas une température, mais un empilement de températures distinctes.

Les molécules neutres qui s'échappent du noyau sont froides, à environ -100 degrés Celsius. Les ions cométaires formés par l'ionisation de ces molécules ont des températures allant de -100 degrés Celsius près du noyau jusqu'à plusieurs milliers de degrés lorsqu'ils sont emportés dans la queue de la comète. Des électrons « froids », refroidis au contact de ces molécules, se situent entre 300 et 3 000 degrés Celsius environ. Des électrons « tièdes », qui ont conservé l'énergie de leur naissance, sont entre 20 000 et 100 000 degrés Celsius. Ces deux populations coexistent en permanence, et le rapport entre leurs températures vaut le plus souvent de 30 à 100. Enfin, des électrons « chauds », plus rares encore, atteignent plusieurs centaines de milliers de degrés.

La sonde spatiale elle-même n'a pas une seule température, et jamais celle du milieu qui l'entoure. La sonde Rosetta a enduré de +130 à -150 degrés Celsius au cours de son voyage. Autour de sa comète, les faces de Rosetta illuminées par le soleil atteignaient des températures pouvant être de plusieurs dizaines à une centaine de degrés supérieures à celle située à l'ombre. L'instrument qui mesure la température du plasma n'a donc pas lui-même de température unique.

Cinq populations de particules, plus la sonde elle-même : six thermomètres, six réponses, au même endroit et au même instant. Reste la question de savoir pourquoi ces populations ne s'égalisent jamais. La réponse tient au fait que l'égalisation demande de se rencontrer. Là où une molécule d'air parcourt quelques dizaines de nanomètres entre deux chocs, une particule du plasma cométaire peut franchir des dizaines de kilomètres sans rien croiser.

Le problème va plus loin. Au même endroit, la température peut même dépendre de la direction dans laquelle on regarde. Les particules chargées (ions et électrons) ne se déplacent pas librement : elles s'enroulent autour des lignes de champ magnétique, comme des perles sur un fil. Le long du fil, le mouvement est libre ; en travers, il est fortement contraint. Rien n'impose alors que leur agitation soit la même dans les deux directions : l'espace n'y est plus « isotrope », c'est-à-dire que ses propriétés diffèrent selon la direction considérée.

La région de plasma comprimée entre le milieu interplanétaire (vent solaire) et une planète est précisément le siège de tels déséquilibres. Les mesures autour de la Terre montrent que les particules chargées peuvent avoir des températures deux fois plus élevées dans une direction que dans l'autre. Nous n'en savons rien encore autour de Mercure, c'est pour cela que nos simulations cherchent aujourd'hui à le prévoir, avant que notre autre instrument embarqué sur BepiColombo n'aille les mesurer.

Et c'est ce qui rend la mesure difficile. Un instrument qui annoncerait un seul nombre serait peu utile dans l'espace. Il faut des appareils capables de séparer les populations et, désormais, d'accéder à la dépendance en direction. Mais ces appareils subissent eux-mêmes ce qu'ils mesurent : sur la sonde Solar Orbiter, consacrée à l'étude du Soleil et qui approche jusqu'à 3,6 fois plus près du Soleil que la Terre, les antennes électriques de six mètres se courbent sous l'effet de la dilatation thermique qui y est 13 fois plus forte que sur Terre, la face éclairée s'allongeant plus que la face à l'ombre. C'est l'effet « banane » ; au plus près du Soleil, leur extrémité se déplace d'un mètre et demi, soit le quart de leur longueur.

Autour de Mercure, la contrainte est également rude. La lumière y est 11 fois plus intense qu'autour de la Terre. Le sol de la planète passe de plus de 430 degrés Celsius le jour à moins de -170 degrés Celsius la nuit : la plus forte amplitude thermique de toutes les planètes telluriques. C'est aussi ce qu'un satellite placé autour de Mercure devrait supporter. Les sondes sœurs européenne et japonaise de la mission spatiale BepiColombo arriveront en orbite autour de Mercure, le 21 novembre 2026. Nous n'irons pas y chercher la température de Mercure. Nous irons y chercher toutes celles qui s'y superposent, avec des instruments qui, eux aussi, en ont plusieurs.

Pierre Henri, astrophysicien au CNRS, laboratoires Lagrange (Nice) et LPC2E (Orléans), Centre national de la recherche scientifique (CNRS); Université Côte d'Azur et Gaëtan Wattieaux, enseignant-chercheur au laboratoire LAPLACE et à l'Université de Toulouse

T.Cusumano--INP