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Io et ses volcans : une interview de Franck Marchis

Parallèlement à ses travaux sur les astéroïdes (il a participé à la découverte en 2005 du premier système triple), et sur l’imagerie directe des exoplanètes, l’astronome français Franck Marchis étudie le volcanisme de Io en utilisant l’optique adaptative depuis 1996. Il a ainsi observé la plus puissante éruption volcanique du Système solaire en 2001. Pour en savoir plus sur ce satellite galiléen, qui a connu une recrudescence d’activité importante et inattendue en 2013, Futura-Sciences s’est donc tourné vers le chercheur qui a bien voulu nous accorder une interview.

Cette photographie prise par la sonde Galileo montre la tache sombre produite par une éruption à Pillan Patera en 1997. Pillan Patera est une caldeira volcanique d’un diamètre d’environ 73 km nommée d’après le dieu du tonnerre, du feu, et des volcans des Indiens mapuches dans les Andes. Au cours de l’été 1997, une éruption accompagnée de laves à des températures supérieures à 1.600 °C, avec un panache de 140 km de haut, a déposé un matériel pyroclastique noir riche en orthopyroxène sur une zone supérieure à 125.000 km2. C’est la plus importante éruption effusive dont l’homme ait jamais été témoin avec au moins 31 km3 de laves qui ont été émises sur une période de 100 jours. L’éruption a produit un large dépôt de matière sombre de 400 km de diamètre, qui recouvre partiellement l’anneau de dépôts couleur rouge vif entourant le volcan Pélé. © Nasa, JPL, University of Arizona Cette photographie prise par la sonde Galileo montre la tache sombre produite par une éruption à Pillan Patera en 1997. Pillan Patera est une caldeira volcanique d’un diamètre d’environ 73 km nommée d’après le dieu du tonnerre, du feu, et des volcans des Indiens mapuches dans les Andes. Au cours de l’été 1997, une éruption accompagnée de laves à des températures supérieures à 1.600 °C, avec un panache de 140 km de haut, a déposé un matériel pyroclastique noir riche en orthopyroxène sur une zone supérieure à 125.000 km2. C’est la plus importante éruption effusive dont l’homme ait jamais été témoin avec au moins 31 km3 de laves qui ont été émises sur une période de 100 jours. L’éruption a produit un large dépôt de matière sombre de 400 km de diamètre, qui recouvre partiellement l’anneau de dépôts couleur rouge vif entourant le volcan Pélé. © Nasa, JPL, University of Arizona

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On fête cette année le centenaire de la naissance du volcanologue Haroun Tazieff. Comme en prélude à cet anniversaire, Io, la lune volcanique de Jupiter, a été le lieu de trois éruptions importantes en seulement deux semaines au cours du mois d’août 2013. L’événement est assez inhabituel à tel point que deux articles dans le célèbre journal Icarus lui ont été consacrés en août 2014. Il laisse penser que Io pourrait bien être plus active qu’on ne le croit. Selon les chercheurs, ces « outbursts » comme ils les appellent dans leur jargon, ont probablement pris la forme de fontaines de laves jaillissant de crevasses et formant des rideaux de feu longs de plusieurs kilomètres. Sur Terre, on a déjà vu des éruptions fissurales similaires en Islande (Krafla) et à Hawaï (Pu'u 'O'o).


Les éruptions du Piton de la Fournaise correspondent à un volcanisme de point chaud sur Terre avec des laves particulièrement chaudes et fluides. Il s’y produit parfois des éruptions fissurales. Elles donnent un faible aperçu de l’activité volcanique sur Io. © Iktarov, YouTube

Io semble être est le seul autre astre du Système solaire où l’on trouve un volcanisme actif ressemblant à celui de la Terre. Il existe bien quelques indices laissant penser qu’il en est de même sur Vénus, mais les preuves manquent encore. Bien que l’on savait qu’il se passait quelque chose d’intriguant avec ce satellite de Jupiter depuis le début des années 1970, la découverte de son volcanisme remonte à mars 1979 grâce à l’obstination de Linda Morabito, alors ingénieur de navigation dans l’équipe de la mission Voyager 1. Elle était occupée à traiter les images obtenues par la sonde lorsqu’elle a remarqué ce qui s’est plus tard révélé être un panache volcanique de 300 km de hauteur.

Pendant longtemps, les volcans en éruption sur Io sont passés inaperçus car l'observation des détails sur sa surface était au-delà des capacités des télescopes terrestres depuis le sol en raison de sa petite taille apparente. Io est en effet un satellite de 3.600 km de diamètre, presque la même taille que notre lune, mais situé beaucoup plus loin, à 4,2 fois la distance entre la Terre et le Soleil, soit 630.000.000 km. La photo ci-dessus a été prise le 4 mars 1979 par la sonde Voyager 1. Elle montre un panache volcanique s’élevant à plus de 100 km de hauteur en quelques minutes seulement. La luminosité du panache a été augmentée par traitement de l’image avec un ordinateur pour le rendre plus facilement visible mais la couleur du panache (blanc verdâtre) a été préservée.
Pendant longtemps, les volcans en éruption sur Io sont passés inaperçus, car l’observation des détails sur sa surface était au-delà des capacités des télescopes terrestres en raison de sa petite taille apparente. Le satellite galiléen mesure en effet 3.600 km de diamètre, soit presque la même taille que notre lune, mais est situé beaucoup plus loin, à 4,2 fois la distance entre la Terre et le Soleil, soit 630.000.000 km. La photo ci-dessus a été prise le 4 mars 1979 par la sonde Voyager 1. Elle montre un panache volcanique s’élevant à plus de 100 km de hauteur en quelques minutes seulement. Sa luminosité a été augmentée par traitement de l’image avec un ordinateur pour le rendre plus facilement visible, mais la couleur du panache (blanc verdâtre) a été préservée. © Nasa, JPL, University of Arizona

Tout le monde n’a pas été surpris par la découverte de volcans sur Io. Quelques jours avant, Stan Peale, Patrick Cassen et R. T. Reynolds avaient publié dans Science un article où ils affirmaient qu’en raison des forces de marée résultant de l’influence de Jupiter, Ganymède et Europe, beaucoup de chaleur devait être produite à l’intérieur de Io. Cette chaleur provenant de la dissipation de l’énergie mise en jeu dans les déformations de la lune de Jupiter, elle devait engendrer un volcanisme important.

D’autres preuves de l’activité de Io ont ensuite été fournies par les observations de la mission Galileo entre 1995 et 2003. En 1999, il y eut notamment les images impressionnantes montrant une éruption fissurale de 25 km de long avec des fontaines de laves s’élevant à quelques kilomètres de hauteur. Cet outburst s’est produit dans la patera Tvashtar, une sorte de caldeira volcanique à laquelle on a donné le nom du dieu hindou des forgerons.

La sonde Galileo est restée en orbite dans le système jovien de 1995 à 2003. Elle a observé plus de 160 volcans actifs et un large éventail de styles d'éruption. L'une des plus spectaculaires, à gauche sur l'image ci-dessus, a été photographiée par Galileo en 1999 à proximité du pôle nord de Io. L'éruption a duré 15 mois. Le 26 février 2007 une nouvelle éruption au même endroit a été photographiée par la sonde New Horizons alors qu'elle croisait Jupiter, en route pour Pluton.
La sonde Galileo est restée en orbite dans le système jovien de 1995 à 2003. Elle a observé plus de 160 volcans actifs et un large éventail de styles d’éruption. L’une des plus spectaculaires, à gauche sur l’image ci-dessus, a été photographiée par Galileo en 1999 à proximité du pôle nord de Io. L’éruption a duré 15 mois. Le 26 février 2007, une nouvelle éruption au même endroit a été photographiée par la sonde New Horizons alors qu’elle croisait Jupiter, sur sa route vers Pluton. © Nasa

Il ne faudrait pas croire pour autant que l’étude du volcanisme de Io n'a été possible qu’avec les missions spatiales Voyager, Galileo et même New Horizons. Elle a aussi été conduite depuis le sol et cela a contribué à faire évoluer l’image que l’on s’en était faite. Parmi les astronomes que le satellite fascine, il y a le français Franck Marchis. Il est actuellement l’un des principaux chercheurs en poste au Carl Sagan Center, l’une des divisions de recherche du mythique SETI Institute.

Bien qu’il s’occupe plus particulièrement maintenant du Gemini Planet Imager (GPI) et des possibilités d’imagerie directe des exoplanètes, il a été le premier en 1996 à observer les volcans de Io depuis le sol en utilisant l’instrument Adonis (Adaptive Optics Near Infrared System). Il s’agissait du premier système d’optique adaptative équipant le télescope de 3,6 m de l’Eso à La Silla au Chili.

Franck Marchis a bien voulu répondre aux questions de Futura-Sciences dans une interview qu’il nous a accordée depuis son bureau au Carl Sagan Center. Comme nous allons le voir, l’étude de Io n’a pas que des implications pour la planétologie, mais aussi dans le domaine de l’exobiologie, la recherche d’une vie ailleurs dans la Voie lactée.

Au cours des années 2000, Franck Marchis a poursuivi ses recherches sur les volcans de Io en utilisant le télescope de 10 m du Keck à Hawaï, lui aussi doté d’un instrument utilisant de l’optique adaptative. Il s’est illustré par d’autres travaux, dans le domaine de l’étude des astéroïdes cette fois-ci. Il a notamment fait partie de l’équipe qui a découvert en 2005 le premier système triple d’astéroïdes constitué de Sylvia, dont la taille est d’environ 280 km, entouré de Romulus et Remus, des satellites de tailles kilométriques. En 2006, il a cosigné dans Nature un article annonçant la première mesure de la densité d'un astéroïde troyen de Jupiter, 617 Patrocle.
Au cours des années 2000, Franck Marchis a poursuivi ses recherches sur les volcans de Io en utilisant le télescope de 10 m du Keck à Hawaï, également doté d’un instrument utilisant de l’optique adaptative. Il s’est illustré par d’autres travaux, dans le domaine de l’étude des astéroïdes. Il a notamment fait partie de l’équipe qui a découvert, en 2005, le premier système triple d’astéroïdes constitué de Sylvia, dont la taille est d’environ 280 km, entouré de Romulus et Remus, des satellites de tailles kilométriques. En 2006, il a cosigné dans Nature un article annonçant la première mesure de la densité d’un astéroïde troyen de Jupiter, 617 Patrocle. © Seth Shostak, Seti Institute

Futura-Sciences : Comment vous est venue votre passion pour l’observation des volcans de Io ?

Franck Marchis : Ma famille est originaire de l’île de la Réunion où se trouve l’un des volcans les plus actifs de la planète : le Piton de la Fournaise. J’ai pu ainsi m’y rendre plusieurs fois, de là est né mon intérêt pour le volcanisme. Il s’est conjugué avec une autre de mes passions, l’astronomie. Comme beaucoup, j’ai été marqué par la série Cosmos de Carl Sagan et j’apprécie donc tout particulièrement aujourd’hui de travailler dans le cadre du Seti Institute en tant que l’un des Principal Investigator du Carl Sagan Center. J’ai ainsi le privilège d’y croiser régulièrement Jill Tarter et bien sûr Frank Drake que tout le monde connaît pour leur implication de longue date dans le programme Seti.

Votre travail de chercheur a débuté en 1996 par l’étude des volcans de Io que vous avez été le premier à observer depuis le sol en utilisant de l’optique adaptative, laquelle permet de corriger la perte en résolution des images prises depuis la Terre à cause de la turbulence de l’atmosphère.

Franck Marchis : Oui, j’ai très rapidement compris que l’optique adaptative allait tout changer en astronomie à partir des années 1990. J’ai donc décidé de passer ma thèse dans ce domaine et j’ai eu la très grande chance de pouvoir le faire en étudiant le volcanisme de Io avec Adonis. Il s’agissait d’un des tout premiers instruments disponibles pour une large communauté d’astronomes permettant de faire de l’optique adaptative. Il équipait le télescope de 3,6 m de l’Eso à l’observatoire de La Silla au Chili.

L'image de Io prise en utilisant l'optique adaptative avec le télescope de 10 m du Keck dans la bande spectrale L (en haut à gauche) est dominée par les émissions volcaniques actives des points chauds, tels que celui de Loki, situé près du centre du disque. Une image de Io en haut à droite montre ce que le télescope Keck verrait sans optique adaptative. Dans la bande K (en bas à gauche), et toujours avec l'optique adaptative, les images Keck obtenues au Keck montrent un niveau de détails comparable aux images prises en lumière visible avec la sonde Galileo (en bas à droite).
L’image de Io prise en utilisant l’optique adaptative avec le télescope de 10 m du Keck dans la bande spectrale L (en haut à gauche) est dominée par les émissions volcaniques actives des points chauds, tels que celui de Loki, situé près du centre du disque. Une image de Io en haut à droite montre ce que le télescope Keck verrait sans optique adaptative. Dans la bande K (en bas à gauche), et toujours avec l’optique adaptative, les images obtenues au Keck montrent un niveau de détails comparable aux images prises en lumière visible avec la sonde Galileo (en bas à droite). © Keck Observatory

Après avoir décroché votre thèse en 2000 à l’Université de Toulouse, vous avez continué à observer Io. Début 2001, avec des collègues, vous avez commencé à utiliser pour cela l’optique adaptative équipant le télescope de 10 m du W. M. Keck II à Hawaï.

Franck Marchis : Tout à fait. Et nous avons été témoins de la plus grande éruption volcanique jamais observée par l’homme dans le Système solaire. Le 22 février 2001, le volcan Surt, qui est situé dans l’hémisphère de Io faisant face à Jupiter (la lune est en rotation synchrone autour de la géante), nous est apparu comme extrêmement brillant dans l’infrarouge proche et nous avons pu mesurer une température de la lave émise qui devait être supérieure à 1.400 K. Il devait donc s’agir d’une éruption basaltique, voire même ultramafique.

Trois vues de Io prises à l'aide de l'optique adaptative du télescope Keck II, juxtaposées avec une image prise par la sonde Galileo. Les images ont été prises avec avec trois filtres différents et montrent une grande éruption près du volcan de Surt le 22 février 2001
Trois vues de Io prises à l’aide de l’optique adaptative du télescope Keck II, juxtaposées avec une image prise par la sonde Galileo. Les images ont été prises avec trois filtres différents et montrent une grande éruption près du volcan de Surt le 22 février 2001. © Franck Marchis, UC Berkeley

Pourtant, à voir les images de Io livrées par les sondes Voyager et Galileo, on a l’impression que Io crache des laves essentiellement faites de composés soufrés.

Franck Marchis : C’est ce que l’on pouvait croire, mais les mesures des températures des laves, notamment celles faites depuis le sol dans l’infrarouge, nous ont appris que ce n’était pas le cas. Certaines températures sont si hautes qu’elles permettent de penser que l’on est parfois en présence de laves qui existaient autrefois sur Terre, il y a des milliards d’années, quand elle était plus chaude. En se refroidissant, elles donnent des komatiites, des roches ultramafiques riches en fer et magnésium. Si tel est bien le cas, les éruptions de Io nous donnent peut-être une idée du volcanisme sur Terre il y a plus de 2,5 milliards d’années, aux époques où les premières formes de vies sont apparues et se sont développées. Les couleurs jaunes, oranges et rouges sur Io sont simplement dues aux dépôts soufrés qui recouvrent des roches plus sombres.

Un échantillon de komatiite de 9 cm de long trouvé au Canada. Sur Terre la komatiite est une roche volcanique ultramafique très rare à olivine et pyroxène Tirant leur nom de la rivière Komati, en Afrique du Sud, la plupart des komatiites sont vieilles de plus de deux milliards d'années. Leur formation implique des températures de fusion de l'ordre de 1.600 à 1.650°C contrairement aux 1.250 à 1.350°C des basaltes actuels.
Un échantillon de komatiite de 9 cm de long trouvé au Canada. Sur Terre la komatiite est une roche volcanique ultramafique très rare à olivine et pyroxène tirant leur nom de la rivière Komati, en Afrique du Sud. La plupart des komatiites sont vieilles de plus de deux milliards d’années. Leur formation implique des températures de fusion de l’ordre de 1.600 à 1.650 °C contrairement aux 1.250 à 1.350 °C des basaltes actuels. © DP, Wikipédia

Existe-t-il un programme de surveillance quotidienne de l’activité de volcans d’Io ?

Franck Marchis : Non, et il n’est pas rare que pour obtenir un créneau libre avec un télescope, il faille d’abord en passer par une proposition d’observation dédiée à une autre recherche considérée comme plus intéressante, par exemple au sujet des astéroïdes, mais qui laisse un peu de temps pour jeter un coup d’œil à Io. Avec mon équipe nous avons tout de même conduit entre 2003 et 2012 une quarantaine de campagnes d’observation de Io, toujours au moyen de l’optique adaptative, et en utilisant aussi d’autres télescopes que le Keck comme le VLT de l’ESO et le Gemini Nord à Hawaï. D’autres équipes ont aussi réalisé des observations. Mais depuis 2010, Io semblait plutôt calme et c’est pourquoi les outbursts très rapprochés dans le temps d’août 2013 ont surpris.

Les outbursts ne sont pas les seules traces d’activité volcanique de Io. On observe des éruptions effusives moins spectaculaires et plus fréquentes. Mon intuition me souffle que les pics d’activité de Io sont périodiques. Il y a peut-être un lien avec des phénomènes de résonances gravitationnelles avec les autres lunes de Jupiter comme celle de Laplace avec Io, Europe et Ganymède. Il est intéressant de savoir que le système des lunes galiléennes n’est pas stable. Les perturbations gravitationnelles à l’origine du volcanisme de Io évoluent dans le temps. Ce qui veut dire que dans le passé, il y a des millions d’années, son activité était peut-être différente, plus violente ou plus calme.

Observations de plusieurs éruptions depuis 2004 en utilisant le télescope Keck (mai 2004, août 2007, septembre 2007, juillet 2009), le télescope Gemini Nord de 8 m (août 2007) et le VLT de l’ESO (le Yepun de 8 m en février 2007). La signature thermique d’un outburst à Tvashtar peut être vue près du pôle nord sur les images collectées en 2007. Un autre outburst a été détecté dans la région de la patera Loki en juillet 2009, le dernier avant celui de 2013. © Franck Marchis
Observations de plusieurs éruptions depuis 2004 en utilisant le télescope Keck (mai 2004, août 2007, septembre 2007, juillet 2009), le télescope Gemini Nord de 8 m (août 2007) et le VLT de l’ESO (le Yepun de 8 m en février 2007). La signature thermique d’un outburst à Tvashtar peut être vue près du pôle nord sur les images collectées en 2007. Un autre outburst a été détecté dans la région de la patera Loki en juillet 2009, le dernier avant celui de 2013. © Franck Marchis

Pour mieux comprendre Io, il faudrait un vrai programme de surveillance. Il nous permettrait par exemple de savoir si Io libère son énergie thermique interne principalement avec des outbursts ou à l’aide des nombreux volcans effusifs ainsi que de collecter plus de données sur les températures des laves. Toutes ces informations nous aideraient à mieux trancher entre les modèles proposés pour décrire la structure interne de Io et la machinerie alimentant ses volcans.

Quel est l’avenir de l’étude de l’activité volcanique de Io ?

Franck Marchis : Les observations au sol vont se poursuivre en utilisant l’optique adaptative dont la technologie se perfectionne au cours des années. Même si j’observe encore Io quand c’est possible, je m’occupe plus particulièrement depuis quelques années de l’imagerie directe des exoplanètes avec le Gemini Planet Imager. Des observations d’Europe ont été menées avec le GPI et d’autres sont prévues avec lui pour Io. Une fois que la construction du Télescope de Trente Mètres (en anglais Thirty Meter Telecope ou TMT) sera achevée, son système d’optique adaptative permettra des observations avec une résolution spatiale dix fois supérieure à celle du télescope spatial Hubble. On devrait pouvoir obtenir des images globales avec une résolution comparable à celles livrées par Galileo lors de ses survols de Io.

Ces images globales de Io prises par la sonde Galileo montrent clairement son activité éruptive. Deux volcans associés à des paterae, des sortes de caldeira volcanique, sont indiqués.
Ces images globales de Io prises par la sonde Galileo montrent clairement son activité éruptive. Deux volcans associés à des paterae, des sortes de caldeira volcanique, sont indiqués. © Nasa, JPL, University of Arizona

Il n’y a de toute façon pas de réel programme à court terme d’observation avec des sondes spécifiquement dédiées à Io, même si le projet Io Volcano Observer (IVO), une sonde qui se mettrait en orbite autour de Jupiter, est à l’étude. Une sonde en orbite autour d’Io pour surveiller en permanence son activité poserait de nombreux défis. Les flux de particules chargées dans la magnétosphère de Jupiter au voisinage de Io sont particulièrement intenses, ce qui nécessiterait un durcissement vraiment efficace de l’électronique de la sonde. Comme dans le cas de Galileo, les instruments risqueraient d’être facilement saturés par la lumière émise lors des outbursts de Io.

Dans l’idéal, pour comprendre le volcanisme sur Io, comme me l’a dit un ami géophysicien, il faudrait envoyer des volcanologues avec des équipements aux bords des volcans de Io. On ne voit pas comment cela pourrait se faire dans les prochaines décennies.

Une comparaison de la résolution des images de la surface de Io obtenues avec le Keck et une simulation de celle que devrait fournir le TMT.
Une comparaison de la résolution des images de la surface de Io obtenues avec le Keck et une simulation de celle que devrait fournir le TMT. © Franck Marchis

L’étude de Io a bien sûr un intérêt intrinsèque, en particulier pour un volcanologue, mais a-t-elle d’autres justifications ?

Franck Marchis : Absolument. Des exoplanètes gazeuses sont plus faciles à détecter et à imager que des superterres. C’est une hypothèse raisonnable qu’elles possèdent aussi des exolunes. Plusieurs scénarios ont été avancés pour expliquer l’origine de la vie sur Terre en faisant intervenir de façon cruciale du volcanisme, par exemple au niveau des sources hydrothermales ou pour rendre compte de la formation des océans. On peut transposer ces scénarios à des exolunes en orbite autour de géantes gazeuses dans la zone d’habitabilité de leur étoile hôte. D’ailleurs, c’est déjà ce que nous faisons d’une certaine façon avec Europe. Détecter et comprendre du volcanisme sur des exolunes à partir des connaissances que nous aurons acquises avec l’étude de Io peut donc nous aider à chercher de la vie ailleurs et à la découvrir. Il se pourrait que la Pandora d’Avatar soit bien plus que de la Science-fiction.


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