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Les volcans sur Io, une clé pour l'exobiologie ?

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L'emplacement des volcans sur Io (une lune de Jupiter) semblait, depuis longtemps, contredire les modèles des planétologues. L'un d'entre eux prévoyait que les forces de marée y génèrent de la chaleur au sein d'un corps solide, ce qui ne permet pas d'expliquer la distribution observée de ces volcans.  Un nouveau modèle fournit une meilleure explication : Io abrite un océan de magma. L'hypothèse est également valide pour de l'eau liquide au sein d'autres satellites naturels, voire d'exolunes. Et ces océans internes pourraient être propices à la vie.

Cette photographie de Io 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 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

La première théorie, correcte, des marées a été formulée par Newton. Il l'a établie en appliquant sa théorie de la gravitation à la Lune et au Soleil. Cela lui a permis de déterminer une formule donnant la hauteur des marées en tout point de la surface de la Terre. Malheureusement, sa théorie des marées statiques était trop simple, comme les observations sur la Planète allaient rapidement le montrer. Une théorie plus correcte a ensuite été mise sur pieds par Laplace, il s'agit de celle des marées dynamiques. D'autres mathématiciens l'ont raffinée par la suite, tel Henri Poincaré.

Les forces de marée ne font pas que déformer des enveloppes fluides. La Terre, solide, se comporte comme un corps élastique que le champ de gravitation peut aussi déformer. Les ingénieurs du Cern en savent quelque chose car il faut tenir compte des modifications de la surface de la Terre en réponse aux forces de marée pour faire circuler correctement les faisceaux de protons au LHC (la longueur de son périmètre en est en effet périodiquement affectée). Or, un corps élastique malaxé peut être le lieu d'une dissipation de chaleur. C'est pourquoi, en 1979, peu de temps avant l'arrivée de la sonde Voyager 1 aux abords de Io (une lune de Jupiter), Stan Peale, Patrick Cassen et R. T. Reynolds avaient publié dans Science un article affirmant le scénario suivant : en raison des forces de marée résultant de l'influence de Jupiter, de Ganymède et d'Europe (deux autres satellites naturels de Jupiter), 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 Io devait donc engendrer un volcanisme important. Tel était bien le cas, comme allait le découvrir Linda Morabito, alors ingénieur de navigation dans l'équipe de la mission Voyager 1. Occupée à traiter les images obtenues par la sonde, elle remarqua soudain ce qui s'est plus tard révélé être un panache volcanique de 300 km de hauteur.

Un panache volcanique s'élève au-dessus du volcan Tvashtar sur Io. Cette animation a été réalisée à partir d'images prises par la sonde New Horizons. Le panache s'élève à plus de 300 km de hauteur. © Nasa, Johns Hopkins, University Applied Physics LaboratorySouthwest Research Institute, YouTube

Mais, ces dernières années, les analyses des observations des volcans de Io, notamment celles fournies par la sonde Galileo entre 1995 et 2003, ont débouché sur une énigme. En regardant la position des 400 volcans actifs sur ce satellite de Jupiter, Christopher Hamilton de l'University of Maryland, en compagnie de ses collègues, a en effet découvert un curieux décalage entre les positions observées des volcans et celles prédites par les modèles de chauffage interne de Io par les forces de marée. L'une des hypothèses étudiées par le chercheur il y a quelques années pour rendre compte de cette anomalie postulait l'existence d'un océan de magma dans les entrailles de Io. Il vient de la pousser un cran plus loin dans un article publié dans The Astrophysical Journal.

Des océans internes de magma ou d'eau liquide

Comme l'explique l'un des coauteurs de l'article, l'astrophysicien Robert Tyler : « C'est la première fois que la distribution de la quantité de chaleur produite par les marées dans un océan de magma souterrain sur Io a été étudiée en détail. Nous avons constaté que notre modèle de production de chaleur induite dans un fluide par des forces de marée était capable de reproduire les flux de chaleurs que nous observons à la surface de Io ». Les chercheurs ont donc maintenant une bonne explication du fait que ce flux de chaleur est bien le plus intense dans une zone décalée de 30 à 60° à l'est de Io par rapport au modèle de génération de chaleur dans un corps solide, précisément là où on trouve le plus de volcans.

En fait, les chercheurs ont découvert qu'une combinaison de la production de chaleur dans un fluide visqueux comme le magma ainsi que dans les roches solides sur Io explique le mieux les observations. Mais, surtout, ils ont découvert un mécanisme général s'appliquant à diverses planètes soumises à des forces de marée et qui permet de mieux rendre compte de l'existence et de la pérennité d'un océan interne liquide, qu'il soit de magma ou d'eau, dans des corps célestes.

Ce dernier résultat concerne aussi des lunes comme Europe, Encelade, Ganymède et Titan qui sont censées posséder des océans internes où la vie pourrait se développer et évoluer dans certains cas. L'exobiologiste ne peut que voir d'un très bon œil l'idée que des océans internes d'eau liquide de longues durées, chauffés directement ou indirectement par des forces de marée, doivent exister fréquemment et longtemps, non seulement dans le Système solaire mais aussi dans des exolunes.

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