Cette lune qui ressemble à l’« Étoile de la Mort » dans Star Wars cacherait un océan sous sa surface

Mimas est un satellite naturel de Saturne, le plus petit -- environ 400 kilomètres -- et le plus proche de la planète -- à environ 185 500 kilomètres -- parmi les sept ayant une forme sphéroïdale. Sa taille modeste et son manque d'activité géologique suggèrent une histoire figée et inactive car, MimasMimas étant actuellement séparé de sa planète par moins de 3 rayons de SaturneSaturne et son orbiteorbite étant « fortement » excentrique (0,02), cela devrait stimuler une intense activité de maréesmarées. Par ailleurs, Mimas est fortement cratérisé et n'a pas les caractéristiques typiques d'une lunelune océanique, comme la surface activesurface active de sa voisine Encelade.

Cependant, les mesures de Mimas faites par la mission Cassini s'expliquent mieux par un océan sous une coquille de glace relativement épaisse (voir notre article de 2014 ci-dessous). Une étude plus récente a par ailleurs montré que, grâce aux marées, la petite lune pouvait générer la bonne quantité de chaleurchaleur pour abriter un océan interne liquideliquide (voir notre article de 2022 ci-dessous également). Ces résultats ont alors encouragé l'étude de la surface de Mimas pour comprendre comment son intérieur avait pu évoluer.

Un jeune océan sous une coquille de glace qui s'amincit

Des simulations numériquessimulations numériques du bassin d'impact Herschel, le cratère de 139 kilomètres de diamètre qui donne à Mimas son air d'étoile de la mort, ont montré que la structure du bassin et le manque de tectonique sur Mimas sont compatibles avec une coquille de glace qui s'amincit et un océan géologiquement jeune.

Adeene Denton, alors étudiante au Département des sciences de la Terre, de l'atmosphèreatmosphère et des planètes de l'Université Purdue à West Lafayette (Indiana, États-Unis), a travaillé avec Alyssa Rhoden, planétologue au Southwest Research Institute à Boulder (Colorado, États-Unis), pour mieux comprendre comment Mimas pouvait posséder un océan interne. Leurs résultats ont conduit à un nouvel article paru dans Geophysical Research Letters.

Adeene Denton a modélisé la formation du bassin d'impact Herschel à l'aide du logiciellogiciel de simulation iSALE-2D. Les modèles ont montré que la coquille de glace de Mimas devait avoir une épaisseur d'au moins 55 kilomètres au moment de l'impact qui a formé Herschel. En revanche, les observations de Mimas et les modèles de son réchauffement interne limitent l'épaisseur actuelle de la coquille de glace à moins de 30 kilomètres si elle abrite actuellement un océan. Ces résultats impliquent qu'un océan actuel au sein de Mimas a dû se réchauffer et s'étendre depuis la formation du bassin. Il est également possible que Mimas fût entièrement gelé au moment de l'impact et le soit toujours à l'heure actuelle. Cependant, A.Denton a découvert que l'inclusion d'un océan intérieur dans les modèles d'impact aidait à produire la forme du bassin.

Modèles de l'intérieur de Mimas, d'après Denton et Rhoden (2022). Option A : coquille de glace d'une épaisseur comprise entre 24 et 31 kilomètres surmontant un océan de moins de 40 kilomètres d'épaisseur. Option B : coquille de glace d'une épaisseur de 71 kilomètres surmontant un noyau qui ne serait pas en équilibre hydrostatique. © Nasa/JPL/SSI/SwRI

Des contraintes pour d'autres lunes

Denton, qui est maintenant chercheuse postdoctorale à l'Université de l'Arizona, a déclaré : « Nous avons découvert qu'Herschel n'aurait pas pu se former dans une coquille de glace de l'épaisseur actuelle sans anéantir la coquille de glace sur le site d'impact. Si Mimas a un océan aujourd'hui, la coquille de glace s'amincit depuis la formation d'Herschel, ce qui pourrait aussi expliquer l'absence de fractures sur Mimas. Si Mimas est un monde océanique émergentémergent, cela impose des contraintes importantes sur la formation, l'évolution et l'habitabilité de toutes les lunes de taille moyenne de Saturne ».

Rhoden, coresponsable du réseau de coordination de la recherche sur les mondes océaniques de la NasaNasa et qui a précédemment siégé au comité des Académies nationales sur l'astrobiologieastrobiologie et la planétologie, précise que, « bien que [leurs] résultats soutiennent un océan actuel au sein de Mimas, il est difficile de concilier les caractéristiques orbitalesorbitales et géologiques de la lune avec [leur] compréhension actuelle de son évolution thermique-orbitale. Évaluer le statut de Mimas en tant que lune océanique permettrait de comparer les modèles de sa formation et de son évolution. Cela [les] aiderait à mieux comprendre les anneaux et les lunes de taille moyenne de Saturne ainsi que la prévalenceprévalence des lunes océaniques potentiellement habitables, en particulier autour d'Uranus. Mimas est une cible incontournable pour continuer l'enquête ».

Cette lune de Saturne cacherait aussi un océan sous sa surface

Autour de Saturne, il y avait déjà EnceladeEncelade et TitanTitan. Parmi les lunes de la planète aux anneaux qui cachent un océan liquide sous leur surface, il faudra désormais sans doute aussi compter la petite Mimas.

Article de Nathalie MayerNathalie Mayer paru le 29/01/2022

Il y a plusieurs années déjà, l'hypothèse avait été soulevée. Sous sa croûtecroûte de glace, Mimas, un nom de géant pour un tout petit satellite de Saturne -- son diamètre est de l'ordre de 400 kilomètres seulement --, cacherait un océan. L'hypothèse était soutenue par des mesures renvoyées par la sonde Cassini (Nasa). Mais les astronomesastronomes restaient perplexes. Rien. Absolument rien à la surface du satellite ne permettait de le confirmer.

« La surface de Mimas est criblée de cratère dont un particulièrement immense - certains y voient même une ressemblance avec l'ÉtoileÉtoile de la Mort de Star Wars. Nous pensions que ce n'était qu'un bloc de glace », raconte Alyssa Rhoden, spécialiste de la géophysique de ce type d'objets célestes, dans un communiqué du Southwest Research Institute (SwRI, États-Unis). « Rien à voir avec les surfaces que nous connaissons à d'autres "mondes océaniques intérieurs" qui sont fracturées et qui montrent des signes d'activité géologique. » Et c'est justement en voulant le démontrer que les astronomes ont découvert de nouvelles preuves que le satellite possède bien un océan interne liquide.

Ce qui a trahi le secret de Mimas, c'est la librationlibration enregistrée il y a quelques années déjà maintenant, toujours par la sonde Cassini. Une libration, c'est le nom que les astronomes donnent aux lents mouvementsmouvements d'oscillation qu'un satellite peut avoir lorsqu'il est vu depuis le corps autour duquel il est en orbite. Or les physiciensphysiciens savent que le phénomène des marées -- dont une partie est causée par la libration en question -- a tendance à dissiper de l'énergieénergie sous forme de chaleur dans un satellite. Et dans le cas présent, suffisamment pour qu'un océan liquide persiste sous la croûte glacée de Mimas.

Allez voir sur Mimas ce qu’il s’y passe

Selon les modèles développés par les chercheurs, la croûte de glace à la surface de Mimas aurait ainsi une épaisseur comprise entre 20 et 30 kilomètres environ. Et elle couvrirait entièrement un océan liquide. Pourtant, le conditionnel reste de mise. Car comme le reconnaissent les astronomes, « il est difficile de concilier les caractéristiques orbitales et géologiques de Mimas avec notre compréhension actuelle de son évolution ». L'hypothèse d'un noyau en forme de ballonballon de rugby également formulée pour expliquer la libration enregistrée reste possible. Seule une mission envoyée sur place semble en mesure de trancher Elle pourrait du même coup étudier, s'il existe bien, la composition de cet océan, sans doute remplie d'une eau piégée là depuis des milliards d'années.

Comprendre mieux le modèle de Mimas pourrait éclairer les astronomes sur le nombre de « mondes océaniques intérieurs » qu'ils peuvent s'attendre à trouver. Non seulement dans notre Système solaire. Peut-être du côté d'UranusUranus et de MirandaMiranda, ArielAriel ou UmbrielUmbriel. Et sur des objets plus petits que ce qu'avaient jusqu'alors imaginé les chercheurs. Mais aussi autour d'étoiles plus éloignées.

De quoi aussi ouvrir un peu plus encore le champ des possibles pour la vie. En effet, la plage définie par les chercheurs comme « habitable » autour d'une étoile pourrait bien ainsi se voir assez largement agrandie. Et ne plus se cantonnée à une zone située autour d'un équivalent de la distance Terre-Soleil. Grâce à une eau souterraine qui s'avèrerait bien plus commune que l'eau de surface.

Autour de Saturne, Mimas cacherait un océan... ou un noyau aplati

À partir d'observations réalisées par la sonde spatiale Cassini, une équipe internationale de chercheurs a mesuré la rotation de Mimas, une des nombreuses lunes de Saturne, et y a détecté des oscillations. Non conformes aux modèles prédictifs, elles laissent penser que ce petit satellite pourrait abriter soit un noyau fortement aplati soit, sous sa couche de glace, un océan.

Article du CNRS paru le 27/10/2014

Mimas est un des nombreux satellites naturels gravitant autour de Saturne. Sur cette image prise en 2010 par la sonde spatiale Cassini, à environ 16.000 km de distance, on distingue à sa surface le grand cratère Herschel (130 km), caractéristique de cette lune de 396 km de diamètre. Son orbite est synchronisée avec la planète géante. © Nasa, JPL, Space Science Institute

La rotation de Mimas a été mesurée à partir des images de Cassini (Esa, Nasa), à l'aide d'une technique à l'utilisation peu connue, dite de stéréophotogrammétrie. Elle permet de reconstituer en trois dimensions une portion de surface d'un objet dès lors qu'il est observé au moins deux fois sous des angles différents. Tout comme la Lune autour de la Terre, Mimas est en rotation synchronesynchrone autour de Saturne. Cela signifie que ce satellite tourne sur lui-même à la même vitessevitesse qu'il effectue une révolution autour de la planète géanteplanète géante, montrant ainsi toujours la même face à sa planète.

Toutefois, à ce mouvement moyen uniforme, se superposent des oscillations. Celles-ci sont appelées librations, car elles résultent du couple de force gravitationnelle exercée par Saturne sur le satellite d'environ 400 km de diamètre. Les travaux menés par une équipe internationale impliquant des chercheurs français de l'Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (IMCCE) de l'observatoire de Paris (CNRS, Université Pierre et Marie CurieMarie Curie, Université Lille 1) et du laboratoire AIM (CEA, CNRS, Université Paris Diderot) et des scientifiques de l'observatoire Royal de Belgique, l'université de Namur (Belgique) et l'université de Cornell (États-Unis) ont permis de mettre en évidence deux types de librations : l'un à basse fréquence, l'autre à haute fréquence. Or, sur ces deux types, celui à haute fréquence présente une amplitude deux fois plus importante, incompatible avec le modèle de rotation d'un satellite solidesolide, à l'équilibre hydrostatique. Cette amplitude est révélatrice de la distribution de massemasse à l'intérieur du corps et de la présence ou non de couches liquides.

Mimas est un des satellites naturels sphériques les plus proches de Saturne. Bien que photographié par Cassini à plus de 3 millions de km de distance, le cratère Herschel qui domine la surface de cette petite lune se remarque sans difficulté. © Nasa, JPL, Space Science Institute

Mimas pourrait cacher un océan

Ces observations sont donc surprenantes et révèlent une structure interne intrigante. Après avoir exploré plusieurs hypothèses, il apparaît que cette forte amplitude peut s'expliquer soit par la présence, sous le manteaumanteau de glace de Mimas, d'un noyau de roche de forme très allongée, soit par l'existence d'un océan interne caché entre sa surface glacée et son noyau. En effet, les planétologues supposent que le noyau du petit satellite doit être à l'équilibre hydrostatique (où les forces de gravitation, centrifuge et de pressionpression s'équilibrent dans le corps), par conséquent d'un âge de formation très ancien. Or la forte amplitude de la libration à haute fréquence pourrait indiquer un noyau présentant un allongement de 20 à 60 km plus important que dans le cas hydrostatique.

Si le noyau de Mimas est bien allongé, alors il aurait gelé depuis sa formation et aurait conservé en grande partie sa forme initiale. En revanche, si cette lune possède un océan, elle rejoindrait alors le club des « satellites à océan interne » du Système solaire où figurent plusieurs lunes de JupiterJupiter (Europe, GanymèdeGanymède...) et, autour de Saturne, Titan et Encelade. Un tel océan global serait une véritable surprise, car la surface de Mimas ne présente aucun signe d'activité géologique récente. Des observations supplémentaires de Cassini permettront d'affiner les modèles d'intérieur de Mimas.

Que ce soit l'une ou l'autre de ces deux solutions, nous savons dorénavant que Mimas, malgré sa surface apparemment ancienne criblée de cratères et sa petite taille, n'est pas l'astre froid et inerte que l'on imaginait. Percer le secret de son intérieur éclairera sûrement sur sa formation, et par là même sur la formation du système de Saturne dans sa globalité.