Comprendre la formation des satellites de Mars

On ne comprend pas très bien le processus de formation des satellites du Système Solaire. Pour ceux de Mars, il y a plusieurs hypothèses. La première est que Phobos et Deimos sont peut-être des astéroïdes capturés par un mécanisme inconnu. Mais ils orbitent exactement au-dessus de l’équateur martien, ce qui rend peu probable cette hypothèse. La seconde est d’imaginer un scénario de formation similaire à celui de notre propre Lune. Il y a environ 4,5 milliards d’année, la jeune Terre et une protoplanète seraient entrées en collision lors d’un impact géant, produisant de nombreux débris qui formèrent un disque autour de la proto-Terre exactement dans son plan équatorial. Ce dernier s’est refroidi et condensé, créant ainsi une protolune. C’est une hypothèse plaisante, car c’est une manière simple de créer un satellite dans le plan équatorial. Cette idée appliquée à Mars est renforcée par la présence d’un gigantesque bassin d’impact dans son hémisphère nord. Cela a servi de fil conducteur  à notre étude. Mais il reste à expliquer pourquoi Phobos et Deimos sont si différents de notre Lune, pourquoi Phobos orbite si près de Mars (à 3 rayons martiens) et Deimos est si lointain (à 7 rayons martiens) avec un grand espace entre les deux.

À l’origine : une grosse lune

Nous avons lancé un ensemble de calculs sur la plateforme S-CAPAD dont une simulation de collision géante sur Mars. Nous avons remarqué que le disque de débris créait un gros anneau compact et massif entre 1 et 3 rayons martiens, laissant à l’extérieur un disque très ténu de débris mais très étendu. Comme  Phobos et Deimos ont dû se former vers 6 rayons martiens, nous avons étudié la dynamique de ce disque fin pour voir si les débris s’accrétent spontanément. Cette première tentative fut infructueuse. Il a fallu trouver l’ingrédient qui perturbe ce système pour déclencher l’accrétion. Nous avons alors étudié le rôle du disque interne et avons trouvé qu’à son bord externe, se forment de très gros satellites. Ce fut l’étincelle : peut-être qu’une de ces grosses lunes issues du disque interne agite le disque extérieur en s’éloignant sous l’effet des marées avec le disque ?
Les simulations couplées des deux disques montrent que les grosses lunes internes formées à 3 rayons martiens agitent suffisamment le disque externe pour emballer l’accrétion en formant exactement 2 lunes dans des régions particulières appelées « résonances ». Ensuite, les marées martiennes déplacent les satellites. Toutes les lunes formées en dessous de l’orbite synchrone, dont Phobos, chutent vers Mars, mais Deimos s’étant formé juste au-dessus de l’orbite synchrone il est repoussé vers l’extérieur. Après 4 milliards d’années d’évolution, il ne reste plus que Phobos et Deimos à leurs positions actuelles.