Saturne, la planète géante connue notamment pour ses anneaux, abrite autour d'elle des satellites parmi les plus intéressants du Système solaire d'un point de vue astrobiologique : Titan et Encelade. Une nouvelle étude nous en apprend plus sur la formation de ces lunes, et elles n'auraient pas toujours été là où elles sont aujourd'hui...

Le Système solaireSystème solaire s'est formé à partir d'un gros nuagenuage de gazgaz et de poussières, la nébuleuse protosolaire. Ce nuage s'est effondré, l'essentiel de sa massemasse formant notre étoileétoile tandis que les « résidus » ont constitué un disque autour, appelé disque protoplanétairedisque protoplanétaire, à partir duquel se sont formées justement les planètes mais aussi les planètes nainesplanètes naines, astéroïdes, comètes... Une partie de la matièrematière de ce disque a fini en orbiteorbite autour des planètes en formation, devenant le lieu de formation de satellites.

Un disque circumplanétaire, berceau des satellites de Saturne

On pense que les éléments constitutifs de Titan et d'EnceladeEncelade se sont formés dans un tel disque circumplanétaire, à un stade avancé, autour de SaturneSaturne. La composition de ces luneslunes est déterminée par l'emplacement des lignes de condensationcondensation, aussi appelées lignes des glaces, des divers composés volatils au sein de ce disque, c'est-à-dire la distance à laquelle ces composés - eau, monoxyde de carbonemonoxyde de carbone, méthane... - passent de l'état gazeux (près, là où il fait « chaud ») à l'état solidesolide (plus loin, là où il fait plus froid). Pour connaître précisément l'origine du matériaumatériau qui a finalement formé ces deux satellites, il est donc nécessaire d'étudier l'évolution de l'abondance des espècesespèces volatiles dans ce disque en fonction de la migration, de la croissance et de l'évaporation des grains glacés.

Titan et Encelade. © Nasa, JPL-Caltech, Space Science Institute
Titan et Encelade. © Nasa, JPL-Caltech, Space Science Institute

Pour ce faire, Sarah E. Anderson, OlivierOlivier Mousis et Thomas Ronnet ont simulé l'évolution thermodynamiquethermodynamique de ce disque et le transport des principales espèces chimiquesespèces chimiques en son sein : glace d'eau, hydrate d'ammoniaqueammoniaque, clathrateclathrate de méthane (ou hydrate de méthane), monoxyde de carbone et condensats purs de diazote. Les scientifiques ont alors montré que les briques constitutives de TitanTitan et d'Encelade se sont agglomérées entre la ligne de glace du monoxyde de carbone et du diazote (à l'extérieur) et celle correspondant à la cristallisation de l'hydrate de méthane, sorte de glace composée de cages d'eau emprisonnant certains composés volatils (à l'intérieur).

Un approvisionnement constant en nouveaux solides

Les chercheurs ont également démontré que le disque circum-saturnien avait bénéficié d'un approvisionnement constant en nouveaux solides pour former les lunes. En l'absence d'un tel approvisionnement, les solides seraient tombés sur Saturne avant qu'ils n'aient eu le temps de participer à la formation des lunes environnantes. L'emplacement idéal de cette source de solides dans le disque de Saturne était localisé plus loin que les orbites actuelles de Titan et d'Encelade : entre 66 et 100 fois le rayon de Saturne, contre 4 et 20 fois le rayon de Saturne pour les orbites actuelles d'Encelade et Titan respectivement.

Seule cette distance permet la formation et la croissance de solides avec des compositions cohérentes avec celles mesurées dans Encelade et Titan. Les espèces sont alors capables d'évoluer sous forme solide dans le système pendant de plus longues périodes de temps, atteignant même un équilibre, favorisant ainsi la formation des éléments constitutifs de Titan et d'Encelade dans cette région du disque.

Zone de formation des briques constitutives de Titan et d'Encelade dans le disque entourant Saturne. © Sarah E. Anderson
Zone de formation des briques constitutives de Titan et d'Encelade dans le disque entourant Saturne. © Sarah E. Anderson

Ce résultat permet à l'équipe de chercheurs de suggérer que les briques constitutives de Titan et d'Encelade se sont agglomérées plus loin que leurs orbites actuelles autour de Saturne. L'étude démontre aussi l'intérêt d'envoyer une mission robotique dédiée à la mesure de la composition chimique et isotopique de ces lunes afin de mieux connaître leurs conditions de formation.