Un océan se cache-t-il sous la surface gelée d’Encelade, l’un des satellites naturels de Saturne, plus petit que la France ? Image composite prise en 2005 par Cassini entre 61.300 et 11.100 kilomètres de la surface. Les « rayures du tigre » sont visibles dans la région du pôle Sud, en bas de ce portrait. © Nasa, JPL, Space Science Institute
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Encelade, lune de Saturne, aurait des courants dans son océan comparables à ceux de la Terre

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[EN VIDÉO] Le fabuleux voyage de Cassini dans le monde de Saturne  Le 15 septembre 2017, la sonde Cassini plongera dans l’atmosphère de Saturne. Elle aura permis de grandes découvertes, laissant derrière elle des centaines de milliers d’images du « seigneur des anneaux » et nous dévoilant en détail ses lunes. Revivez son inoubliable odyssée. 

La détermination de certaines caractéristiques de la banquise de l'océan global d'Encelade, grâce aux mesures gravimétriques de la sonde Cassini, a permis de préciser un modèle de cet océan. Les calculs effectués avec ce modèle suggèrent alors l'existence de courants un peu analogues à ceux connus sur Terre dans le cadre de la circulation thermohaline océanique, ou plus largement dans ce que l'on appelle la circulation méridienne de retournement.

Avant la découverte de l'océan global d'Encelade, et si l'on excepte Mars, les meilleures chances de trouver des traces de formes de vie ailleurs que sur Terre se trouvaient certainement à la surface d'Europe, la lune glacée de Jupiter. Mais aujourd'hui, on peut se poser des questions car contrairement à Europe, Encelade se trouve dans une région de la magnétosphère de Saturne qui est nettement moins délétère pour l'électronique d'une sonde que dans le cas de Jupiter, si l'on prend en compte les particules chargées qui y circulent. C'est pour cette raison, d'ailleurs, que l'on n'a fait qu'un petit nombre de passages rapprochés d'Europe et qu'il serait une mauvaise idée, sans un durcissement de l'électronique pour résister aux radiations cosmiques, de se mettre en orbite autour d'Europe.

Certes, Europe semble bel et bien posséder des geysers qu'une sonde peut traverser pour en déterminer la composition. En outre, comme le proposait le regretté Freeman Dyson, il suffirait peut-être de partir à la chasse de blocs de la banquise d’Europe éjectés par de gros impacts de météorites, et en orbite rapprochée, pour espérer toucher le jackpot de l'exobiologie. Toutefois, Encelade possède aussi des geysers et comme son environnement est moins dangereux, la stratégie de recherche de Freeman Dyson serait sans aucun doute plus facile à mettre en œuvre aux alentours d'Encelade.

Une partie de la communauté scientifique se concentre donc sur Encelade (et une autre sur Europa Clipper, dont le lancement est prévu à l'horizon 2025, et qui devrait réaliser une quarantaine de survols d'Europe) et la modélisation de son océan. On sait que ce dernier est maintenu liquide en partie au moins à cause de forces de marée gravitationnelles de Saturne dissipant de la chaleur en malaxant le cœur rocheux de la lune, mais pas au point d'y produire le volcanisme observé pour la même raison sur Io.

Une présentation d'Encelade et son océan global. 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

De la géophysique appliquée à la planétologie comparée

Encelade n'a que 500 kilomètres de diamètre mais son champ de gravité est assez fort pour permettre de l'utiliser pour résoudre ce que les géophysiciens terrestres appellent un problème inverse. En l'occurrence, pouvoir remonter aux distributions inhomogènes de masse à l'intérieur d'un corps céleste en analysant les caractéristiques de ce champ tout comme l'oreille humaine reconnaît un instrument, sa forme et sa composition, en écoutant la musique qu'il produit.

Les mouvements de rotation d'une planète donnent aussi des informations sur sa structure interne car ils sont déterminés en partie par son moment d'inertie. Bref, il est possible de contraindre des modèles physiquement crédibles de son intérieur. Les planétologues sont ainsi arrivés à la conclusion, grâce aux données de la sonde Cassini, que l'océan global d'Encelade devait probablement être profond de 30 kilomètres au moins. Ils sont également arrivés à faire des estimations concernant l'épaisseur de cette banquise, environ 20 kilomètres, et il semble bien qu'elle soit plus mince aux pôles qu'à l'équateur.

Des chercheurs sont allés un cran plus loin comme ils l'expliquent dans un article publié dans Nature Geoscience mais que l'on peut trouver en accès libre sur arXiv.

La vie existe-t-elle dans l'océan d'Encelade ? 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

Un analogue de la circulation méridienne de retournement ?

Il est possible de transposer les modèles décrivant le comportement des océans salés sur Terre à Encelade. Il y a bien sûr des différences. Ainsi, il n'y a pas de vents et la chaleur est injectée non pas depuis la surface mais depuis le fond de l'océan sur Encelade. Mais les mêmes équations de la physique sont à l'œuvre comme celles de Navier-Stokes pour l'hydrodynamique et de Fourier pour la chaleur. Enfin, les planétologues ont à leur disposition le savoir des océanologues construit en étudiant l'océan Austral autour de l'Antarctique où la glace et l'eau salée sont en interaction, comme dans le cas d'Encelade. Une modélisation de cette interaction a donc été faite sur ordinateur pour la lune de Saturne.

Il apparaît alors qu'aux pôles la glace aurait tendance à fondre plus facilement, ce qui expliquerait qu'elle soit moins épaisse et inversement à l'équateur. Or, de l'eau salée qui gèle expulse le sel qu'elle contient de sorte que l'eau liquide devient plus lourde et qu'elle va donc plonger en profondeur dans de l'eau moins salée. La situation n'est pas sans rappeler un phénomène lié à une instabilité bien connue en océanologie sur Terre, un phénomène ressemblant à l'instabilité de Rayleigh-Taylor (ainsi nommée en hommage aux physiciens britanniques Lord John William Strutt Rayleigh et Geoffrey Ingram Taylor) par ses manifestations. Mais son origine est différente : c'est une instabilité de double diffusion. Il se forme alors les fameux « doigts de sel ». Cette instabilité survient dans un milieu comportant deux fluides de densité différente et stratifiés dans un champ de gravité où le plus dense est initialement au-dessus. Cette situation n'est pas stable, si bien que le fluide le plus lourd développe des sortes de panaches pénétrant le fluide le plus léger, tandis que celui-ci, à l'inverse, crée des panaches analogues qui s'élèvent. Sur Terre, cela intervient dans ce que l'on appelle la circulation thermohaline et plus généralement dans la circulation méridienne de retournement.

Au final, les simulations numériques conduites par les chercheurs nourris des données gravitationnelles de Cassini laissent donc penser que des analogues de cette circulation, avec des courants, se produisent dans l'océan d'Encelade avec de l'eau plongeant au niveau de l'équateur puis se dirigeant vers les pôles où elle monte en surface en devenant plus chaude, chauffée par le plancher océanique, avant de se diriger à nouveau vers l'équateur.

Cette information importante nous renseigne sur les régions de l'océan d'Encelade où l'eau serait plus chaude, également plus riche en nutriments et où la vie aurait donc plus de chance de prospérer.

Pour en savoir plus

Le satellite Encelade abriterait bien un océan global

Article de Xavier Demeersman paru le 27 septembre 2015

En 2015, la sonde Cassini retournait voir Encelade, le satellite glacé sur lequel elle avait observé d'extraordinaires geysers, trahissant une activité à l'intérieur de cette petite lune de Saturne, de seulement 500 km de diamètre. Après une longue et patiente étude de plusieurs années, des chercheurs avaient conclu qu'ils ne sont pas produits par une petite mer régionale mais bien par un océan d'eau global, entre le noyau rocheux et sa surface. Là où les sources d'énergie n'ont toujours pas été clairement identifiées.

À l'aube des années 1980, au cours des visites historiques de Voyager 1 et 2 (novembre 1980 et août 1981) à Saturne, Encelade ne fut survolée que brièvement et à grande distance, ce qui ne délivra pas beaucoup d'informations sur sa surface gelée. Les découvertes et, avec elles, les surprises n'arrivèrent qu'en janvier 2005, lorsque quelques mois après l'arrivée de l'ambitieuse sonde Cassini dans l'environnement de la planète géante, des geysers furent observés en contre-jour, sur le limbe de ce satellite naturel. Tous jaillissent depuis de longues crevasses situées à proximité du pôle sud, baptisées « rayures du tigre ». Après de nombreux survols à des altitudes variables (entre plusieurs centaines et seulement quelques dizaines de kilomètres), les chercheurs découvrirent que les glaces aux points d'émissions étaient jusqu'à 110 °C plus chaudes que partout ailleurs et aussi que la vapeur d'eau expulsée est mêlée à de la matière organique et salée.

Cela fait dix ans que des équipes de chercheurs planchent sur le phénomène. Quelle est l'origine de ces évents ? Pour beaucoup, cette région du pôle sud relativement jeune (très peu de cratères d'impacts y sont visibles) et qui arbore des crevasses dont la profondeur peut atteindre 300 m, cacherait sous sa banquise de 30 à 40 km d'épaisseur, une vaste poche d'eau liquide. Une étude, publiée en 2014, fondée sur des mesures sensibles des changements infimes de gravité du satellite a étayé cette possibilité, supposant que cet océan ou cette mer régionale aurait 10 km de profondeur. Cette année, d'autres recherches ont avancé qu'il pourrait aussi exister une activité hydrothermale sur le plancher océanique. Cette mer intérieure serait en effet en contact avec le noyau rocheux (Encelade est composé à 60 % de roches).

Les geysers d’Encelade sont situés dans une région proche de son pôle sud baptisée « les rayures du tigre » (quatre crevasses longues d’environ 130 km nommées Alexandrie, Caire, Bagdad et Damas). Sur ce sondage réalisé en 2010, plus de 100 geysers ont été observés. © Nasa, JPL, Space Science Institute

Un océan global trahi par la libration d’Encelade

Ce réservoir pourrait être beaucoup plus vaste. Une étude qui vient d'être publiée dans la revue Icarus propose, sur la base d'arguments solides, que sous son épaisse coquille de glace, Encelade abrite en réalité un océan global. Pour arriver à cette conclusion, Peter Thomas, membre de l'équipe d'imagerie de Cassini, qui a dirigé ces recherches, concède que cela n'a pas été simple et a demandé « des années d'observations et de calculs impliquant une collection variée de disciplines mais, ajoute-t-il dans le communiqué de la Nasanous sommes confiants sur ce que nous avons trouvé ».

Avec son équipe, ils ont parcouru des centaines d'images de la surface du sphéroïde, acquises ces sept dernières années afin de traquer sur les cartes reconstruites le plus précisément possible, les moindres changements de position -- au fil de ses rotations --, de ses fractures, cratères, etc. Les chercheurs ont mesuré une libration (qui serait observable depuis Saturne, à l'instar de celle de la Lune vue de la Terre) provoquée et par la forme presque sphérique du petit satellite (504 km de diamètre, plus petit que la France) et par son orbite elliptique (synchronisée avec celle de Dioné) autour de Saturne. Les différents modèles élaborés de sa structure interne ont été confrontés aux observations. Le seul qui s'accorde avec suggère donc qu'Encelade possède une couche d'eau liquide entre son noyau et la surface glacée. Dans le cas où « la surface et le noyau seraient reliés de façon rigide, ce dernier constituerait un tel poids mort que l'oscillation serait beaucoup plus faible que ce que nous observons » explique Matthew Tiscareno, de l'institut Seti, qui cosigné l'article.

Outre la question de l'habitabilité d'un tel milieu qui, à certains égards, évoque nos abysses, les géophysiciens continuent de s'interroger sur ce qui peut maintenir durablement (probablement depuis plusieurs milliards d'années) l'activité interne de cette petite lune. Quelle est la source de toute cette énergie ? Le jeu des forces de marée avec la géante Saturne est évidemment une partie de la réponse. Toutefois, cela semble insuffisant. Idem pour la désintégration radioactive de certains isotopes dans le noyau rocheux : il n'en renferme pas assez pour expliquer le phénomène permanent des geysers. L'enquête se poursuit et les chercheurs bénéficient d'un atout avec la présence sur place de Cassini.

Illustration de la structure interne supposée d’Encelade. Un océan global serait pris en sandwich entre l’épais manteau de glace (ice crust) et le noyau rocheux (rocky core). La surface et le noyau ne seraient pas liés de façon rigide comme en témoigne la libration de cette petite lune de Saturne ! © Nasa, JPL-Caltech

Bientôt un survol à 49 km d’altitude

Les découvertes qui accompagnent l'exploration d'Encelade sont un des grands triomphes de Cassini, sonde spatiale développée par la Nasa et l'Esa, qui a quitté la Terre pour Saturne en 1997. Prolongée jusqu'en 2017, la mission fera hélas bientôt ses adieux à Encelade. Trois dernières visites sont programmées. La prochaine se déroulera le 28 octobre, à quelque 49 km de la surface, au-dessus de la région de ses geysers actifs.

On ne peut qu'être émerveillé et fasciné et par la beauté et par la diversité des mondes autour de Saturne. Et cela se retrouve partout dans notre Système solaire et au-delà : il n'est qu'à considérer les reliefs complexes de Pluton et Cérès, récemment révélés ou encore Europe, Io, Ganymède autour de Jupiter, etc.

Avec Europe, Titan, Ganymède et peut-être Cérès -- ainsi que Mars (du moins dans le passé) --, Encelade s'ajoute à la liste des astres qui possèdent de l'eau liquide dans leurs entrailles et sont potentiellement habitables. Aussi, il n'est pas un astronome et exobiologiste qui ne rêve pas d'y envoyer, dans un premier temps, un robot d'exploration.

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