Si vous demandez quelle température il fait dans l’espace à un moteur de recherche, vous trouverez probablement −270 °C. C’est un chiffre qui circule, mais qui n’est presque jamais juste.
Le gaz électrisé (plasma), qui entoure la Station spatiale internationale (ISS), à 400 kilomètres d’altitude, est agité comme le serait un gaz porté à plusieurs milliers de degrés. Pourtant, aucun astronaute n’y a jamais cuit. Et la température de la coque de la station elle-même passe d’environ 121 °C pour les faces éclairées à – 157 °C pour les faces à l’ombre. Un même lieu, un même instant, plusieurs températures cohabitent.
Pour comprendre pourquoi une température unique n’a pas de sens dans l’espace, il faut d’abord voir pourquoi elle en a un sur Terre. Dans la pièce où vous lisez ces lignes, chaque molécule d’air parcourt en moyenne 66 milliardièmes de mètre avant d’en percuter une autre. Elle subit ainsi plusieurs milliards de collisions par seconde. À chaque choc, un peu d’énergie s’échange entre molécules : les plus rapides ralentissent, alors que les plus lentes accélèrent. C’est le résultat de cet échange d’énergie, appelé l’équilibre thermodynamique, qui produit une température unique, valable pour l’air, les murs et votre thermomètre, parce qu’aucun d’eux n’a le temps de diverger.
Sur Terre, l’air qui vous entoure 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, si faible que ces collisions se raréfient au point que le mécanisme d’échange d’énergie s’arrête. La température, elle, garde son sens : elle mesure l’agitation des particules, pas la chaleur qu’elles peuvent transmettre.
Six thermomètres, six réponses
Le découplage atteint son extrême là où plusieurs populations de particules cohabitent sans se mélanger, par exemple autour d’une comète. De 2014 à 2016, la sonde européenne Rosetta a escorté la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko. En chauffant, le noyau cométaire libère du gaz, que la lumière solaire ionise : il devient un plasma. Nos instruments y ont trouvé, au même endroit, non pas une température, mais un empilement.
Les molécules neutres qui s’échappent du noyau sont froides, à environ −100 °C. Les ions cométaires formés par l’ionisation de ces molécules neutres ont des températures allant de −100 °C près du noyau de la comète jusqu’à quelques milliers de degrés lorsqu’ils sont emportés dans sa queue. Des électrons « froids », refroidis au contact de ces molécules, se situent entre 300 et 3 000 °C environ. Des électrons « tièdes », qui ont conservé l’énergie de leur naissance, sont entre 20 000 et 100 000 °C. 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.
Et la sonde spatiale elle-même ? Elle non plus n’a pas une seule température, et jamais celle du milieu qui l’entoure. La sonde Rosetta a enduré de +130 à −150 °C au cours de son voyage. Autour de sa comète, les faces de Rosetta illuminées et donc chauffées 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.
Pourquoi ne se mélangent-elles pas ?
Reste la question qui dérange : pourquoi ces populations ne s’égalisent-elles jamais ? Parce qu’égaliser 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.
Mesurer ce qui n’est pas unique
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 °C le jour (de quoi faire fondre le plomb) à moins de −170 °C 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
Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.
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