L'énergie apportée pour chauffer les quatre principales lunes de Jupiter, en particulier Io la volcanique et Europe et son océan global, ne proviendrait pas principalement des forces de marée de Jupiter mais de ces lunes elles-mêmes, les unes sur les autres.

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    Grosso modo, l'essentiel des outils mathématiques et physiques, utilisés encore aujourd'hui en mécanique céleste pour comprendre les mouvements et les formes des astres sous l'effet de la gravitation, ont été mis en place entre 1750 et 1850 avec les travaux de Lagrange, Laplace, Gauss et Hamilton, sans oublier ceux de d'Alembert, Euler, Legendre, PoissonPoisson et Jacobi. On pourra consulter à ce sujet Le traité de mécanique analytique de Lagrange et celui de mécanique céleste de Laplace pour s'en convaincre, ou pour ceux qui sont plus pressés et qui ne veulent pas rentrer dans tous les détails des théories des perturbations, des fonctions elliptiques ou du potentiel, l'ouvrage du regretté André Brahic, Planètes et Satellites : Cinq leçons d'astronomie.


    Des images des missions Voyager de la Nasa. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa, Jet Propulsion Laboratory

    Des forces de marée qui malaxent des lunes

    Ces outils ont contribué au succès des navigations des mythiques missions Voyager à la découverte des mondes de JupiterJupiter et de SaturneSaturne, sans oublier ceux de NeptuneNeptune. Complétés par ceux de Fourier décrivant la théorie de la chaleur, ils avaient conduit Stan Peale, Patrick Cassen et R. T. Reynolds à publier en 1979 dans Science un article où ils affirmaient que, en raison des forces de maréeforces de marée résultant de l'influence de Jupiter, GanymèdeGanymède et Europe, beaucoup de chaleur devait être produite à l'intérieur de IoIo.

    Cette chaleur provenant de la dissipation de l'énergieénergie mise en jeu dans les déformations de la lunelune de Jupiter, elle devait engendrer un volcanisme important. De fait, quelques jours après cette publication, en mars 1979, Linda Morabito, alors ingénieur de navigation dans l'équipe de la mission Voyager 1Voyager 1, remarqua un curieux détail sur des photographiesphotographies prises par la sonde. Tenace, elle décida de s'y intéresser de plus près de sorte que, grâce à son travail, il est plus tard apparu comme la manifestation d'un panache volcanique soufré de 300 km de hauteur.

    La mission Voyager a aussi révélé que Europe possédait une banquisebanquise globale et mieux, un océan sous cette banquise. La mission GalileoGalileo, qui prendra la suite pour étudier plus spécifiquement les lunes de Jupiter et la géante gazeusegéante gazeuse en se mettant en orbiteorbite autour d'elle de 1995 à 2003, a confirmé ces découvertes et a aidé à conclure qu'il devait également exister des océans d'eau liquideliquide sous la surface de Ganymède et Callisto, les deux autres lunes principales de Jupiter.

    On pensait jusqu'à présent que l'origine principale de la chaleur dégagée dans les entrailles de ces astres provenait des forces de marée de Jupiter, malaxant et déformant les corps solidessolides mais élastiques qu'ils constituent, les chauffant donc comme un corps gazeux soumis à des pressionspressions variables similaires.


    Le lac de lave du Nyiragongo donne un faible aperçu du gigantesque lac de lave sur Io, la lune volcanique de Jupiter. © Patrick Marcel.

    Des résonances mécaniques dans des océans

    Mais voilà, Hamish Hay, post-doctorant au Jet Propulsion LaboratoryJet Propulsion Laboratory de Pasadena (Californie) et Antony Trinh, également post-doctorant au Lunar and Planetary Laboratory de l'Université de l'Arizona, viennent de publier, avec leur collègue planétologue Isamu Matsuyama, un article dans Geophysical Research Letters où ils remettent en cause cette théorie.

    Pour comprendre pourquoi ils sont arrivés à cette conclusion, il faut se souvenir de ce qu'est un phénomène de résonancerésonance en mécanique. Tout enfant en connaît un exemple quand il fait de la balançoire avec un autre enfant et qu'il lui demande de le pousser. Cela ne peut se faire qu'à une fréquencefréquence précise, la fréquence de résonance comme l'appellent les physiciensphysiciens. Si l'on pousse n'importe comment, non seulement le mouvement de balancement n'est pas amplifié mais il peut être stoppé.

    Les systèmes physiques peuvent avoir aussi des fréquences de résonance propres qui vont faire que leurs mouvements, sous forme d'oscillations notamment, vont être amplifiés si on les « excite » avec des forces variant selon ces fréquences.

    Les trois chercheurs ont découvert qu'il existait des fréquences pour des ondes mécaniques dissipant de la chaleur dans les océans possédés par les lunes de Jupiter, fussent-ils de magmamagma. La quantité de chaleur dissipée sera plus importante à ces fréquences dont les valeurs dépendent notamment de l'épaisseur de ces océans.

    Tous calculs faits, en tenant compte de ces épaisseurs estimées pour chaque lune et qui varient entre quelques dizaines et quelques centaines de kilomètres, il est apparu que les forces de marée de Jupiter, fluctuant périodiquement en fonction des mouvements des lunes, n'étaient pas assez proches des fréquences de production de la chaleur nouvellement estimées pour rendre compte de l'existence des océans. Toutefois, ces fréquences correspondent bien à celles produites par les mouvements relatifs et les distances entres les lunes.

    Il reste toutefois du travail à faire pour confirmer cette nouvelle théorie.


    L'Institut Henri Poincaré produit un documentaire exclusif de 32 minutes sur le mathématicien d'exception Joseph-Louis Lagrange, en coproduction avec le CNRS Images et en partenariat avec l'Institut Lagrange de Paris. © Institut Henri Poincaré