(21) Lutetia est l'un des plus grands astéroïde de la ceinture principale et l'un des corps les plus remarquables étudiés par une sonde spatiale. Découvert le 15 novembre 1852 par Hermann Goldschmidt depuis son observatoire parisien, il est baptisé Lutetia, nom latin de la ville  (Lutèce) à partir de laquelle s'est bâtie Paris. Cette découverte intervient à une époque où les astronomes recensent progressivement les nombreux petits corps situés entre Mars et Jupiter, révélant que cette région du Système solaire est occupée par une population extrêmement diversifiée d'objets rocheux et métalliques. Lutetia occupe rapidement une place particulière en raison de sa taille importante, de son albédo relativement élevé et des incertitudes concernant sa composition, qui en font longtemps un objet de débat.

Lutetia évolue dans la partie interne de la ceinture principale, à une distance moyenne d'environ 2,43 unités astronomiques du Soleil. Son orbite est modérément excentrique, avec une excentricité d'environ 0,16, et inclinée d'environ 3,1° par rapport au plan de l'écliptique. Il accomplit une révolution autour du Soleil en un peu moins de 3,8 années terrestres. Sa trajectoire est stable sur des échelles de temps de plusieurs milliards d'années et ne présente aucun risque d'approche significative de la Terre. Son mouvement est influencé principalement par les perturbations gravitationnelles de Jupiter, comme c'est le cas pour la majorité des grands astéroïdes de cette région.

Avec des dimensions approximatives de 132 x 101 x 76 kilomètres, Lutetia présente une forme très irrégulière, rappelant davantage un bloc rocheux érodé qu'un ellipsoïde. Son diamètre moyen est voisin de 100 kilomètres, ce qui en fait un objet suffisamment massif pour avoir subi une évolution géologique complexe sans pour autant atteindre un équilibre hydrostatique comparable à celui des planètes naines. Sa masse est estimée à environ 1,7.10¹⁸ kg et sa densité moyenne est comprise entre 3,3 et 3,5 g/cm³. Cette densité relativement élevée suggère un intérieur peu poreux et probablement enrichi en matériaux métalliques, sans atteindre toutefois les densités caractéristiques des astéroïdes presque entièrement métalliques.

Pendant plusieurs décennies, la nature exacte de Lutetia demeure controversée. Les observations spectroscopiques réalisées depuis la Terre conduisent à des interprétations parfois contradictoires. Certains chercheurs le classent parmi les astéroïdes de type M, traditionnellement associés à une forte proportion de métal, tandis que d'autres soulignent des ressemblances avec certains astéroïdes carbonés altérés. Les analyses modernes le placent généralement dans la classe spectrale M du système Tholen mais dans la classe Xc du système SMASS, ce qui reflète précisément cette ambiguïté. Les données recueillies montrent que sa surface contient vraisemblablement un mélange complexe de silicates, de minéraux riches en fer, de composés hydratés localisés et d'une faible proportion de métal exposé. Cette composition intermédiaire pourrait représenter un matériau primitif ayant connu une évolution thermique limitée.

L'événement majeur dans l'étude de Lutetia survient le 10 juillet 2010, lorsque la sonde européenne Rosetta effectue un survol rapproché de l'astéroïde à une distance minimale d'environ 3170 kilomètres. Initialement destinée à rejoindre la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, Rosetta profite de cette rencontre pour réaliser la première exploration détaillée de Lutetia. Les caméras à haute résolution révèlent une surface extraordinairement complexe, couverte de structures géologiques variées qui témoignent d'une histoire longue et mouvementée. Ce survol transforme profondément les connaissances sur cet objet, dont la morphologie se révèle bien plus riche que ce que laissaient supposer les observations télescopiques.

Les images montrent une surface extrêmement ancienne, marquée par une densité importante de cratères d'impact. Certains bassins dépassent largement les cinquante kilomètres de diamètre et indiquent que Lutetia a subi de violentes collisions au début de l'histoire du Système solaire. Malgré ces impacts majeurs, l'astéroïde est resté intact, ce qui témoigne d'une structure interne particulièrement robuste. Les grands bassins, notamment Massalia et Noricum, ont profondément remodelé certaines régions sans provoquer la fragmentation complète du corps. Les différences de densité des cratères selon les régions indiquent que certaines surfaces sont plus anciennes que d'autres et que plusieurs épisodes de renouvellement géologique ont pu se produire.

Des falaises de plusieurs kilomètres de hauteur, des escarpements, des dépressions, des vallées, des blocs rocheux géants et des champs d'éboulis couvrent la surface. Plusieurs fractures linéaires parcourent certaines régions et pourraient résulter soit des contraintes générées par les grands impacts, soit d'une évolution interne ancienne. Des glissements gravitaires sont également visibles sur les parois des grands cratères, démontrant que le régolite continue d'évoluer sous l'effet de la faible gravité locale.

La surface est recouverte d'une couche de régolithe relativement épaisse. Cette poussière résulte de milliards d'années de bombardement météoritique. Les observations montrent que ce régolithe n'est pas répartie uniformément. Les régions les plus planes accumulent des matériaux fins tandis que les pentes abruptes restent relativement dégagées. De nombreux blocs de dimensions décamétriques à hectométriques sont dispersés sur le terrain, certains correspondant probablement à des éjectas provenant des plus grands impacts. Les propriétés thermiques de cette régolithe indiquent une faible conductivité thermique, comparable à celle observée sur plusieurs autres grands astéroïdes.

L'âge de certaines portions de la surface est estimé à plus de 3,6 ou 4 milliards d'années. Lutetia constitue ainsi une véritable archive fossile des premières centaines de millions d'années du Système solaire. Les très grands bassins d'impact permettent de reconstituer les conditions du bombardement intense ayant affecté les planètes et les petits corps peu après leur formation. 

Les observations spectrales montrent une surface relativement homogène à grande échelle, mais comportant des variations locales de couleur et de réflectance. Certaines zones semblent plus fraîches, correspondant probablement à des matériaux récemment excavés par des impacts. D'autres présentent une altération spatiale plus prononcée sous l'effet du vent solaire, des rayons cosmiques et du bombardement micrométéoritique. Cette altération modifie progressivement les propriétés optiques des minéraux superficiels, compliquant l'identification précise de leur composition.

Les mesures de Rosetta montrent que Lutetia possède un champ gravitationnel faible mais suffisamment important pour retenir une quantité appréciable de matériaux éjectés lors des impacts. L'accélération de la pesanteur à sa surface est de l'ordre de quelques millièmes de celle de la Terre. Un objet lâché à la surface tombe donc très lentement, tandis que la vitesse de libération n'est que de quelques dizaines de mètres par seconde. Cette faible gravité favorise la redistribution progressive du régolithe après chaque collision.

La rotation de Lutetia est relativement rapide, avec une période d'environ 8,17 heures. Son axe de rotation est fortement incliné, ce qui entraîne d'importantes variations saisonnières au cours de sa révolution autour du Soleil. Lors du passage de Rosetta, une partie importante de l'hémisphère sud demeurait plongée dans l'obscurité permanente, limitant les observations directes de cette région. Les modèles tridimensionnels obtenus grâce à la combinaison des images et des données photométriques permettent néanmoins de reconstituer avec une bonne précision la forme globale de l'astéroïde.

L'intérieur de Lutetia demeure imparfaitement connu, mais plusieurs indices suggèrent qu'il ne s'agit pas d'un simple agrégat de débris faiblement liés. Sa densité relativement élevée, sa résistance aux impacts géants et la stabilité de sa forme indiquent probablement un corps largement consolidé, peut-être partiellement différencié au début de son histoire. Certains modèles proposent qu'il ait connu un échauffement interne modéré, provoqué par la désintégration d'isotopes radioactifs à courte durée de vie comme l'aluminium 26. Cet échauffement aurait permis une légère réorganisation interne sans conduire à une différenciation complète comparable à celle des planètes telluriques.

L'étude de Lutetia présente un intérêt majeur pour la planétologie comparée. Contrairement à des objets plus petits, souvent entièrement fragmentés puis réassemblés sous forme d'amas de gravats (rubble piles), Lutetia semble avoir conservé une partie importante de sa structure primitive. Il constitue ainsi un intermédiaire précieux entre les petits astéroïdes très poreux et les embryons planétaires ayant poursuivi leur évolution jusqu'à former des planètes différenciées. Son histoire permet de mieux comprendre les premières étapes de l'accrétion planétaire ainsi que les processus collisionnels qui ont façonné la ceinture principale.