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Révélations sur la genèse de Titan et de son atmosphère

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L'atmosphère de Titan, telle que l'a révélée la mission Cassini-Huygens, ne correspond pas aux modèles, notamment à cause d'un déficit de certains composés volatils. Une équipe internationale conduite par un chercheur français de l'institut Utinam vient de concilier ces observations, apparemment contradictoires.

Titan, seul satellite du Système solaire à posséder une atmosphère. Crédit : Space Science Institute

En planétologie comme dans de nombreux autres domaines, l'interdisciplinarité permet de résoudre bien des problèmes dont la solution échappe au chercheur isolé. L'équipe pluridisciplinaire conduite par le professeur Olivier Mousis, maître de conférences, astrophysicien membre de Institut Utinam (Univers, Transport, Interfaces, Nanostructures, Atmosphère et environnement, Molécules) de l'INSU-CNRS et de l'Observatoire de Besançon, vient de concilier divers aspects apparemment contradictoires de l'atmosphère de Titan.

Lors de la descente de la sonde européenne Huygens à travers l'atmosphère de Titan, le plus important satellite de Saturne, le 14 janvier 2005, un surprenant déficit en gaz rares primordiaux, tels le xénon, le krypton et l'argon, avait été révélé. Cette carence s'expliquait d'autant plus difficilement que ces éléments étaient aisément détectés dans les atmosphères de toutes les planètes telluriques, et même dans l'enveloppe de Jupiter.

Autre sujet d'étonnement, les mêmes analyses montraient que l'atmosphère de Titan est principalement composée d'azote (N2) et de méthane (CH4). Cette composition contredit les modèles thermochimiques voulant que dans la nébuleuse primitive externe, là où se sont formés Saturne et les premiers constituants de Titan, le carbone et l'azote se présentaient essentiellement sous la forme de monoxyde de carbone (CO) et d'azote moléculaire (N2).

Titan et son atmosphère, vues par Cassini le 2 juillet 2002. Crédit : Nasa/JPL/Space Science Institute

Des scénarios pour résoudre les contradictions

La nébuleuse primitive, berceau du système saturnien, était à l'origine parsemée de planétésimaux formés de blocs de glace. La plus grande partie de cette matière s'est ensuite condensée, formant Saturne et laissant en place une sub-nébuleuse, disque de gaz et de poussières qui a survécu plusieurs millions d'années et au sein de laquelle les planétésimaux se sont agrégés en formant les satellites, dont Titan. Ces planétésimaux se sont réchauffés durant leur migration au sein de la sub-nébuleuse, modifiant significativement leur composition chimique et moléculaire. Ainsi, le monoxyde de carbone et l'argon auraient été évacués avant d'être piégés par la proto-Titan.

La carence en gaz rares pourrait s'expliquer par deux mécanismes distincts, soit avant, soit après la formation de Titan. Dans la première hypothèse, xénon et krypton auraient été piégés par l'ion H3+ dans la nébuleuse primitive, privant ainsi de ces éléments les planétésimaux à l'origine du satellite.

Dans la seconde hypothèse, ces deux gaz rares auraient été réellement intégrés dans la formation de Titan, puis dégazés dans son atmosphère. Dans ce cas, ils auraient été emprisonnés à la surface du satellite dans une couche de clathrates, structures cristallines composées de molécules d'eau formant des cages capables de séquestrer d'autres molécules.

Ont participé à cette recherche :

Olivier Mousis, Caroline Thomas, Ulysse Marboeuf, Yann Alibert, Vincent Ballenegger, Sylvain Picaud, Institut Utinam (INSU-CNRS - Université de Franche-Comté).
Jonathan I. Lunine, Matthew Pasek, Luna rand Planetary Laboratory, Université d'Arizona.
Daniel Cordier, Institut de physique de Rennes (CNRS - Université de Rennes 1) ; Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes.
Yves Ellinger, Françoise Pauzat, Laboratoire de Chimie Théorique (CNRS - Université Pierre et Marie Curie).

Les résultats et conclusions de cette étude sont en cours de parution dans The Astrophysical Journal sous le titre Clathration of volatiles in the solar nebula and implications for the origin of Titan's atmosphere, dont vous pouvez trouver un abstract en ligne ici.

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