Pas moins de 30 jets ont été identifiés sur cette image d'Encelade, prise dans la région du pôle sud par la sonde Cassini le 21 novembre 2009. Mais d'où vient l'énergie à l'intérieur de cette lune ? © Nasa, JPL, Space Science Institute

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D'où vient l'énergie à l'intérieur d'Encelade ?

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Petite et éloignée du Soleil, Encelade, lune de Saturne, montre des signes d'activité : geysers, activité hydrothermale et océan global. L'énergie interne de ce satellite glacé de seulement 500 km de diamètre est une énigme, mais un nouveau modèle en a peut-être trouvé la clé...

  • En orbite autour de Saturne, à 1,3 milliard de kilomètres du Soleil, Encelade est une petite lune fascinante. Les observations de Cassini nous ont montré que cette boule glacée en surface renferme un océan global.
  • De ses fissures au pôle sud, jaillissent des panaches de vapeur d’eau et de glace. Tout indique aussi qu’il y aurait une activité hydrothermale soutenue.
  • Que nous cache exactement Encelade ? Et, s’interrogent depuis longtemps les scientifiques, comment cet astre parvient-il à entretenir une activité interne aussi importante ?

En 2005, Cassini arrivait dans le système de Saturne. Les scientifiques de la mission s'aperçurent alors que de la matière giclait de la minuscule lune glacée Encelade. Cette découverte restera l'une des plus importantes de la sonde spatiale qui, durant treize ans, a arpenté et étudié sans relâche le « Seigneur des anneaux » et sa cour de satellites.

Plus tard, les survols répétés de Cassini ont appris aux chercheurs que les panaches de vapeur d'eau et de glace jaillissant des fissures concentrées dans la région du pôle sud de l'astre contenaient des sels minéraux et des grains de silice nanométriques. Ceux-ci ne pourraient résulter que d'une chimie hydrothermale à des températures minimales de 90 °C.

Non seulement ce corps enveloppé d'une couche de glace de 20 à 25 km d'épaisseur abrite, selon les observations, un océan global, mais, en plus, des sources hydrothermales y seraient actives... Encelade apparaît comme un milieu favorable au développement de la vie. Est-ce le cas depuis longtemps ? Et, surtout, question qui taraude les chercheurs : comment cette lune de 504 km de diamètre parvient-elle à entretenir une activité interne aussi importante et, semble-t-il, durablement ? Le Système solaire, rappelons-le, a déjà 4,5 milliards d'années...

La dernière image d’Encelade prise par Cassini avant son plongeon suicide dans Saturne le 15 septembre 2017. © Nasa, JPL, Space Science Institute

La structure du noyau d'Encelade, clé de l'énigme

Pour les chercheurs, le moteur de cette activité n'est pas l'énergie fournie par la désintégration des éléments radioactifs que le noyau de ce petit corps céleste pourrait renfermer. Celle-ci n'est en effet pas suffisante : il en faudrait 100 fois plus.

Les forces de marée engendrées par son orbite elliptique autour de Saturne (voir article ci-dessous) ne suffisent pas non plus à expliquer l'activité interne de l'astre. Du moins, sur le long terme. Les recherches montrent qu'Encelade se congèlerait en 30 millions d'années.

La solution est à chercher dans ses profondeurs. Via de nouvelles simulations plus complexes et, pour la première fois, en 3D, une équipe de chercheurs français et américains pense avoir trouvé la clé de l'énigme : « C'est, selon nous, la structure particulière du noyau rocheux, sous l'océan, qui permet la production de cette énergie », déclare Gaël Choblet, du CNRS, principal auteur de cette étude qui vient de paraître dans Nature Astronomy.

Schéma de la structure interne d’Encelade. L’eau salée de l’océan pénètre dans le noyau poreux (1). Chauffée, elle interagit avec les roches (2) puis remonte vers le plancher océanique et forme des points chauds (3). Des panaches chauds remontent à travers l’océan jusqu’à la banquise et transportent de la matière (4). La banquise s’amincit et des fissures se créent (5). De la matière s’y engouffre et se retrouve projetée dans l’espace, ce qui est le cas au pôle sud (6). © Nasa, JPL-Caltech, Space Science Institute et LPG-CNRS, U. Nantes, U. Angers, ESA

Les mécanismes au cœur d'Encelade

Le modèle utilisé s'accorde bien avec les caractéristiques d'Encelade observées par Cassini. Le noyau de cette petite lune serait en réalité poreux, avec 20 à 30 % d'espace vide. Au cours de l'orbite autour de Saturne, les roches sont déformées et malaxées par les forces de marées. Perméable, le noyau laisserait s'infiltrer les eaux froides de l'océan. Les chercheurs estiment qu'il faut entre 25 et 250 millions d'années pour que l'ensemble de l'océan d’Encelade (son volume représente 2 % des océans terrestres) passe par le noyau. Une fois réchauffées, ces eaux remontent vers le plancher océanique, où se créent alors des points chauds. « Un seul de ces points chauds à la base de l'océan peut fournir jusqu'à 5 GW sous forme de chaleur — à titre de comparaison, cette quantité équivaut à la puissance géothermale consommée chaque année en Islande », explique le CNRS.

Ces points chauds formeraient des panaches qui remontent à travers l'océan et amincissent la banquise en surface. Les chercheurs ont pu constater dans leur modèle que la position des points chauds « coïncide avec les régions où la croûte de glace est la moins épaisse », au pôle sud, là même où des fissures laissent passer de la matière dans l'espace. Selon les observations de Cassini, l'épaisseur y varie entre 1 et 5 km seulement.

Mais pourquoi à cet endroit ? Pourquoi le pôle nord est-il si différent (la présence de nombreux cratères induit que cette région est plus ancienne) ? Pour les auteurs, il est possible que cela résulte d'un effet d'emballement : « L'amincissement de la croûte de glace sous le pôle produit localement un surcroît de chauffage de marée dans le noyau poreux et entraîne donc des panaches encore plus chauds et vigoureux ».

Les chercheurs sont très contents. C'est la première fois qu'un modèle prédit les principales caractéristiques d'Encelade observées, et cela sur de grandes échelles de temps. « Nos simulations expliquent à la fois l'existence d'un océan à grande échelle, engendré par le transport de la chaleur depuis l'intérieur profond vers la couche de glace, et la concentration de l'activité dans une zone relativement étroite au niveau du pôle sud », souligne Gabriel Tobie, coauteur de l'étude.

Au vu de ces résultats soutenant l'existence d'un mécanisme durable (sur des dizaines de millions voire des milliards d'années) d'apport d'énergie à l'intérieur de cette lune fascinante, on a évidemment hâte qu'un robot aille se poser sur sa banquise pour découvrir ce qui se cache à l'intérieur...

Pour en savoir plus

La source de chaleur d'Encelade : seulement des forces de marée ?

Article de Laurent Sacco publié le 3 juin 2007

Le satellite de Saturne, Encelade, continue à fasciner les planétologues depuis la découverte d'immenses panaches composés de vapeurs d'eau et de cristaux de glace s'élevant près de son pôle sud. Quelle est en effet l'origine de la chaleur faisant fondre l'eau sur un si petit corps céleste ? Pour Francis Nimmo et ses collègues, les forces de marée exercées par Saturne seraient suffisantes, comme ils l'expliquent dans le journal Nature.

À première vue, Encelade possède un volume trop faible pour contenir la quantité d'isotopes radioactifs nécessaires pour produire l'énergie maintenant l'activité tectonique observée de la planète, et faire fondre assez d'eau pour alimenter les panaches observés par la sonde Cassini. Reste les forces de marée, mais, là encore, un problème se pose. Celles-ci ne sont pas aussi importantes que sur sa cousine, le satellite de Jupiter Io. Un scénario a été proposé, récemment, associant ces deux mécanismes et rendant compte des observations.

« Ce n'est pas nécessaire », répondent Francis Nimmo, Robert Pappalardo, John Spencer et McCall Mullen. Les frictions s'exerçant au niveau des failles rappelant des griffures de tigre à la surface d'Encelade, générées par les forces de marée gravitationnelles, produiraient assez de chaleur sans qu'un océan d'eau liquide, juste sous la surface, ne fournisse la vapeur des panaches.

Coupe de l'intérieur d'Encelade au niveau des failles du pôle sud. En jaune, les directions des mouvements causés par les forces de marée et générant de la chaleur. ©Jet Propulsion Laboratory, University of Santa Cruz

À cause de l'excentricité de son orbite, Encelade est soumise à un champ gravitationnel variable en s'éloignant et se rapprochant de Saturne périodiquement. Il en résulterait des contraintes importantes au niveau des failles du pôle sud qui, par leurs déformations et leurs mouvements, généreraient de la chaleur par friction. Or, en appliquant un modèle mathématique pour décrire le phénomène, les chercheurs ont calculé que la quantité de chaleur résultante était suffisante. Ils prédisent même des zones précises plus chaudes que les autres, ce qui devrait permettre de tester bientôt leur théorie à l'aide de nouvelles mesures, et explique aussi la périodicité des éruptions des panaches.

Sans nécessiter un océan d'eau, leur modèle prédit quand même qu'il devrait en exister un entre la croûte glacée d'Encelade et son noyau rocheux. En fait, il est essentiel pour permettre des mouvements d'une ampleur suffisante au niveau des failles pour générer la bonne quantité de chaleur. D'après eux, la croûte doit avoir une épaisseur d'au moins 5 km et probablement de plusieurs dizaines. Enfin, les déplacements tectoniques seraient d'au moins un mètre à chaque période de marée de 1,37 jours.

Cassini : les plus belles surprises  Dans cette vidéo du Cnes (Centre national d'études spatiales), des chercheurs passionnés nous expliquent les découvertes de la sonde Cassini, restée treize années autour de Saturne. Des réponses à de multiples questions... et de nouvelles questions !