L'Heuristique: Journal des étudiants de l'ÉTS

Les merveilles de Saturne

Octobre 2019 » Technologie » Par Dmitri Moskalik, étudiant de génie mécanique

Image pour Les merveilles de Saturne
 
NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
Les geysers d’Encelade

Lancée le 15 octobre 1997, la sonde spatiale Cassini de la NASA, jumelée à l’atterrisseur Huygens de l’Agence spatiale européenne, a passé plus de six ans à voyager dans l’espace pour se placer en orbite autour de Saturne. Sa mission est d’explorer le système saturnien et ses nombreuses lunes mystérieuses, en commençant par la lune Titan. C’est en 2005 que l’atterrisseur Huygens s’est posé sur le plus grand satellite naturel de Saturne. Les données recueillies ont approfondi nos connaissances de cet astre, mais un mystère reste toujours non résolu.

Le mystère de Titan

Titan est le seul satellite naturel avec une atmosphère dense dans notre système solaire. Cette densité élevée et la présence de méthane dans l’atmosphère créent un brouillard qui complique l’observation de sa surface à partir de la Terre. L’atmosphère est composée principalement de diazote et la pression au sol est une fois et demie plus élevée que celle de la Terre3.

Il existe plusieurs ressemblances entre cette lune de Saturne et la Terre. Les données recueillies par la sonde Cassini-Huygens en 2005 ont révélé que la géologie de Titan est très diversifiée et son atmosphère génère des nuages et de la pluie. Comme la température à la surface est en moyenne de -179 ­°C, quand il pleut sur Titan, ce sont des précipitations de méthane liquide. La présence d’un liquide sur ce satellite a créé des rivières, des lacs et des mers fermées avec des falaises érodées. Selon les données de la sonde, certains lacs de méthane peuvent atteindre 300 m de profondeur. La sonde a également constaté un changement dans le niveau de méthane liquide des lacs, ce qui confirme la présence de saisons sur Titan. Les forces de marées causées par Saturne sur Titan sont 400 fois plus puissantes que celles causées par la Lune sur la Terre. Ceci provoque des vents dans l’atmosphère et on retrouve des champs de dunes près de l’équateur du satellite. En réalité, malgré l’énorme différence de température, Titan ressemble le plus à la Terre qu’à tout autre astre de notre système solaire.

Le mystère non résolu consiste à savoir d'où provient le méthane sur Titan. Sur la terre, il est estimé que 90 à 95% du méthane dans l’atmosphère est d’origine biologique. Le méthane est un constituant de Saturne, mais les scientifiques ne pensent pas que Titan a hérité de ce gaz lors de sa création. Selon la théorie, Titan ne devrait simplement pas contenir du méthane dans son atmosphère. En effet, depuis sa création, ce satellite a reçu suffisamment d’énergie solaire pour transformer tout le méthane présent en hydrocarbures plus complexes. Comme on en retrouve toujours, il devient fort probable que le méthane est produit sur Titan, soit par une source géochimique ou par des organismes biologiques. C’est à la suite du premier passage de la sonde Cassini que les scientifiques ont formulé l'hypothèse de la vie sur Titan. Depuis, plusieurs expériences ont montré qu’il pourrait avoir de la vie à base de méthane sur cette lune. Malgré l'absence d’eau liquide, certaines réactions chimiques conduisant à différents types de vie sont possibles dans les conditions de Titan, comme démontré par des chercheurs de l’université de Cornell en 2016.

Après une série de quatre survols de Titan, la sonde s’est dirigée vers la lune Encelade. Ce petit satellite naturel a un diamètre de seulement 500 km, mais une découverte étonnante a changé drastiquement le déroulement de la mission.

Les geysers d’Encelade

Avant la sonde Cassini, les seules images rapprochées d’Encelade étaient prises par les sondes Voyager 1 et 2 dans les années 1980. Ces images montraient une surface recouverte d’eau glacée relativement lisse et avec peu de cratères. Cette caractéristique rend Encelade l’objet le plus réfléchissant de notre système solaire, car cette glace reflète la quasi-totalité de la lumière du soleil. Par conséquent, cette lune est très peu réchauffée par le soleil et la température moyenne est d’environ -200 ­°C. On pouvait également observer des signes d’activité géologique récente. C’était exceptionnel pour un satellite aussi petit et froid d’être encore géologiquement actif. Cette découverte ne pouvait pas être expliquée par les modèles théoriques à l’époque et c’est pour cette raison que l’exploration d’Encelade était un objectif de Cassini.

En approchant Encelade, Cassini a photographié des jets d’eau glacée émergeant à 400 m/s du pôle Sud de ce satellite naturel. Comparables aux geysers terrestres, ces jets proviennent majoritairement de quatre crevasses profondes d’environ 500 m, surnommées les rayures de tigre. Ces quatre failles sont presque parallèles, larges d’environ 2 km et longues de 130 km. Les particules de glace sont projetées à plus de 200 km de la surface et une quantité se rend dans l’espace pour s'intégrer aux anneaux de Saturne. À la suite de cette découverte, la mission a été prolongée deux fois pour permettre une meilleure exploration d’Encelade ainsi que les autres satellites naturels de Saturne. La trajectoire de la sonde a été reprogrammée pour effectuer une série de trois survols d’Encelade à basse altitude en 2008. Lors d’un passage à moins de 50 km de la surface, Cassini a croisé ces jets de glace et a pu analyser les particules. Ce n’est pas juste de l’eau qui sort des geysers, c’est de l’eau ayant une salinité comparable aux océans sur la Terre. La sonde spatiale a également détecté du CO2 et des hydrocarbures dans les jets. Lors de ces trois survols, la sonde a aussi cartographié en détail le pôle Sud d’Encelade et les données ont confirmé une activité tectonique.

                En 2015, après plusieurs orbites de Cassini autour de Saturne et plusieurs visites d’Encelade, la NASA a confirmé la présence d’un océan global sous la couche de glace. En effet, les forces de marée causées par Saturne sont assez puissantes pour réchauffer le noyau d’Encelade et faire fondre l’eau sous la glace. Avec l’augmentation de pression, cette eau liquide est éjectée par les geysers au pôle Sud du satellite. Il est estimé que la couche de glace a une épaisseur de 30 à 40 km et l’océan en dessous peut atteindre 10 km de profondeur. Les forces de marée agissent également sur la glace, ce qui explique l’activité tectonique d’Encelade. Une analyse plus détaillée des données recueillies par Cassini a révélé qu’il y a des molécules organiques dans les jets d’eau. Ces molécules peuvent atteindre une masse molaire relativement élevée et la présence de silice dans l’eau confirme qu’il y a une interaction chimique entre le noyau et l’eau liquide. Étonnamment, aussi loin du soleil, Encelade regroupe les trois conditions primordiales à la vie, soit de l’eau liquide, de la chaleur et des composés organiques. Ceci place ce petit satellite naturel en première position parmi les endroits les plus susceptibles d’héberger une vie extraterrestre.

Pour préserver les lunes dans leur état actuel et éviter tout risque de contamination, la sonde Cassini a été détruite le 15 septembre 2017 par désintégration dans l’atmosphère de Saturne. Au total, la sonde a effectué 294 orbites autour de Saturne et elle a transmis 635 Go de données. Ces données sont encore analysées aujourd’hui.

 

 
L’atmosphère brumeuse de Titan
NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
 
NASA/JPL/ESA/University of Arizona
Ligeia Mare, la deuxième plus grande mer de méthane de Titan
 
NASA/JPL/ESA/University of Arizona
Première image du sol de Titan
 
NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
La surface et les crevasses d’Encelade
 
NASA/JPL-Caltech
Coupe transversale d’Encelade montrant l’océan global