Des océans glacés existent sur des lunes lointaines. Pourquoi ne sont-ils pas congelés solidement ? | Magazine Quanta

Pendant la majeure partie de l’existence de l’humanité, la Terre était le seul monde connu recouvert d’océan, apparemment différent de toute autre île cosmique.

Mais en 1979, les deux vaisseaux spatiaux Voyager de la NASA ont survolé Jupiter. Sa lune Europe, un royaume gelé, était décorée de rainures et de fractures, ce qui laisse penser qu'il pourrait y avoir quelque chose de dynamique sous sa surface.

"Après le Voyager, les gens soupçonnaient qu'Europe était étrange et qu'elle pourrait avoir un océan", a déclaré François Nimmo, planétologue à l'Université de Californie à Santa Cruz.

Puis, en 1996, la sonde spatiale Galileo de la NASA est passée au-dessus d'Europe et a détecté un étrange champ magnétique venant de l'intérieur. "Nous n'avons pas compris ce que c'était", a déclaré Margaret Kivelson, physicien spatial à l'Université de Californie à Los Angeles, responsable du magnétomètre du vaisseau spatial. Finalement, elle et son équipe ont réalisé qu'un fluide électriquement conducteur – quelque chose à l'intérieur de la lune – était en train de convulser en réponse à l'immense champ magnétique de Jupiter. "La seule chose qui avait du sens", a déclaré Kivelson, "c'était s'il y avait une coquille de liquide fondu sous la surface de la glace."

En 2004, la sonde Cassini de la NASA est arrivée sur Saturne. Lorsqu'il a observé Encelade, la petite lune de Saturne, il a découvert des panaches glacés jaillissant des vastes gouffres du pôle sud de la lune. Et lorsque Cassini a survolé ces souffles, la preuve était sans équivoque : il s’agissait d’un océan salé qui se déversait vigoureusement dans l’espace.

Désormais, les océans de la Terre ne sont plus uniques. Ils sont juste étranges. Ils existent sur la surface ensoleillée de notre planète, tandis que les mers du système solaire externe sont recouvertes de glace et baignées dans l'obscurité. Et ces océans liquides souterrains semblent être la règle pour notre système solaire, et non l’exception. En plus d'Europe et d'Encelade, il existe presque certainement d'autres lunes avec des océans couverts de glace. Une flotte de vaisseaux spatiaux les explorera en détail au cours de la prochaine décennie.

Tout cela soulève un apparent paradoxe. Ces lunes existent dans les confins glacials de notre système solaire depuis des milliards d’années – suffisamment longtemps pour que la chaleur résiduelle de leur création se soit échappée dans l’espace il y a des lustres. Toutes les mers souterraines devraient désormais être constituées de glace solide. Alors, comment ces lunes, dont l'orbite est si loin au-delà de la chaleur du soleil, peuvent-elles encore avoir des océans aujourd'hui ?

De plus en plus de preuves indiquent qu’il pourrait exister de multiples façons de maintenir les océans d’eau liquide pendant des milliards d’années. Décoder ces recettes pourrait accélérer notre quête visant à déterminer dans quelle mesure il est facile ou difficile pour la vie d’émerger dans le cosmos. Fraîchement analysé données d'un ancien vaisseau spatial, ainsi que des observations récentes de la NASA Vaisseau spatial Juno et par Télescope spatial James Webb, s’ajoutent aux preuves croissantes selon lesquelles ces océans chauds contiennent des substances chimiques bénéfiques pour la biologie et que le système solaire interne n’est pas le seul endroit où la vie pourrait potentiellement habiter.

Ces lunes océaniques offrent également de plus grandes possibilités. Des océans tempérés et potentiellement habitables pourraient être une conséquence inévitable de la formation des planètes. La distance entre une planète et ses lunes et le feu nucléaire de leur étoile n'a peut-être pas d'importance. Et si cela est vrai, alors le nombre de paysages que nous pourrions explorer dans notre recherche de la vie au-delà de la Terre est presque illimité.

"Les océans sous les lunes glacées semblent étranges et improbables", a déclaré Steven Vance, astrobiologiste et géophysicien au Jet Propulsion Laboratory de la NASA.

Et pourtant, ces mers extraterrestres restent liquides.

Un océan enveloppé de miroirs

Les scientifiques soupçonnent qu’une poignée de lunes en orbite autour de Jupiter et de Saturne – et peut-être même certaines autour d’Uranus et de Neptune – abritent des océans. Le puissant Ganymède et le cratère Callisto produisent de faibles signaux magnétiques semblables à ceux d'Europe. Titan, couvert de brume, possède également très probablement un océan souterrain d'eau liquide. Ce sont « les cinq sur lesquels la plupart des scientifiques de la communauté ont une certaine confiance », a déclaré Mike Sori, planétologue à l'Université Purdue.

Jusqu’à présent, la seule certitude océanique absolue est Encelade. "C'est une évidence", a déclaré Carly Howett, planétologue à l'Université d'Oxford.

Dans les années 1980, certains scientifiques soupçonnaient qu'Encelade avait des panaches ; L'anneau E de Saturne était si propre et brillant que quelque chose – peut-être provenant d'une de ses lunes – devait s'infiltrer dans l'espace et le rafraîchir constamment. Après que Cassini ait finalement été témoin de l'action de cette magie qui garnit la planète, les scientifiques se sont brièvement demandé si les panaches polaires sud de la lune pourraient être l'œuvre de la lumière du soleil vaporisant la glace dans la coquille de la lune - un peu comme de la neige carbonique bouillante lorsqu'elle est chauffée, peut-être par la lumière du soleil.

"Pendant un certain temps, il y a eu un débat sur la nécessité ou non d'un océan", a déclaré Nimmo. « Ce qui a vraiment réussi, c'est lorsque [Cassini] a survolé le panache et qu'ils ont trouvé du sel, du chlorure de sodium. C'est un océan. Il y avait encore une chance que ces panaches jaillissent d’une mer plus petite et plus isolée. Mais d'autres observations de Cassini ont révélé que la coquille d'Encelade oscille si fortement qu'elle doit être séparée de l'intérieur plus profond de la Lune par un océan global.

Les panaches pompent également de l'hydrogène et du quartz, signes d'une activité de cheminées hydrothermales en eaux profondes, a déclaré Franck Postberg, planétologue à l'Université libre de Berlin. Sur Terre, de tels évents produisent la chaleur et la chimie nécessaires pour alimenter les écosystèmes qui existent au-delà de la portée de la lumière solaire – des communautés d’organismes que les scientifiques pensaient autrefois ne pourraient pas exister dans notre monde photosynthétiquement dépendant.

Mais qu’est-ce qui pourrait alimenter un système de ventilation suffisamment puissant pour chauffer un océan entier ? Une autre lune – celle-ci de type ardent – ​​fournirait ces indices.

Les marées éternelles et infernales

En juin 1979, un mois avant le survol rapproché d'Europe par Voyager 2, les scientifiques annoncé que Voyager 1 avait aperçu des panaches titanesques en forme de parapluie s'envolant dans l'espace au-dessus d'Io – les empreintes digitales éruptives de plusieurs volcans.

Cette observation aurait dû être déconcertante : le volcanisme nécessite une source de chaleur interne, et Io, comme les autres lunes glacées, n'aurait dû être rien de plus que des braises. Mais quelques mois plus tôt, une équipe indépendante de scientifiques avait correctement prédit que Io pourrait être un monde volcanique hyperactif.

Ils avaient basé leur prédiction sur danse orbitale des plus grandes lunes de Jupiter. Pour quatre orbites complétées par Io, Europe en fait deux et Ganymède une. Cette configuration orbitale, connue sous le nom de résonance, fait osciller Io d'avant en arrière, rendant son orbite elliptique. Lorsque Io est plus proche de Jupiter, la gravité de la planète s'exerce sur elle plus intensément. Lorsqu'il est plus loin, le remorqueur de Jupiter est plus faible. Cette lutte acharnée gravitationnelle sans fin rend la surface rocheuse d'Io monter et descendre de 100 mètres, soit la même hauteur qu'un immeuble de 30 étages. Ce sont des marées, comme celles de la Terre – uniquement dans la roche solide, pas dans l'eau.

Ces marées créent des frictions au sein de la lune qui génèrent de la chaleur. Et ce réchauffement des marées est suffisamment fort pour faire fondre la roche profondément à l’intérieur d’Io. "Io n'a pas d'océan d'eau, mais il y a probablement un océan de magma", a déclaré Nimmo. (Galileo a également détecté un champ magnétique secondaire, généré par un réservoir souterrain mondial de roches en fusion.)

Europe connaît également un certain réchauffement des marées. Mais l’ampleur du réchauffement d’un océan par ces marées dépend de l’endroit où elles se produisent sur la lune ; en d’autres termes, une quantité suffisante de cette chaleur doit parvenir à l’océan pour le maintenir liquide. "Le réchauffement des marées pourrait se produire dans la coquille de glace elle-même, ou dans le noyau rocheux situé en dessous", a déclaré Nimmo. Les scientifiques ne savent pas ce qui est correct – ils ne peuvent donc pas dire avec certitude dans quelle mesure le réchauffement des marées contribue à l’intérieur liquide d’Europe.

Encelade est également étirée et comprimée par son tango gravitationnel avec une lune voisine appelée Dione. En théorie, cela pourrait produire des marées qui réchaufferaient l’intérieur de la Lune. Mais les marées créées par sa résonance avec Dioné, du moins sur le papier, ne semblent pas suffisantes pour expliquer son océan. Les chiffres ne fonctionnent pas encore, a déclaré Sori, et la quantité de chaleur produite n'est pas suffisante pour maintenir un océan global pendant les milliards d'années écoulées depuis la naissance du système solaire. Peut-être, comme pour Europe, les scientifiques ne savent pas vraiment où les marées créent de la chaleur au sein d'Encelade.

Un autre facteur de confusion est que les orbites ne sont pas fixes sur le temps astronomique. À mesure que les systèmes planétaires évoluent, les lunes migrent et « le réchauffement des marées peut s’allumer et s’éteindre à mesure que les choses entrent et sortent de différentes résonances », a déclaré David Rothery, planétologue à l'Open University au Royaume-Uni. Les scientifiques soupçonnent que cela s'est produit avec Miranda et Ariel, deux satellites uraniens qui pourraient être d'anciens partenaires de danse ; ces lunes semblent avoir été autrefois géologiquement actives, mais elles le sont maintenant étant gelé jusqu'à leur noyau.

Dans le même ordre d'idées, Encelade n'a peut-être pas toujours eu Dione comme partenaire de danse : peut-être que leur boogie tournant autour de Saturne a démarré plus récemment et a réchauffé une lune auparavant solide. Mais ce scénario est également difficile à expliquer. "Il est plus facile de conserver un océan et de l'entretenir, plutôt que de le geler et de le refondre", a déclaré Sori. Ainsi, si le réchauffement des marées est exclusivement responsable de l'océan d'Encelade, alors la Lune est une danseuse chevronnée qui danse depuis plusieurs milliards d'années.

Pour l’instant, la seule certitude concernant l’océan de cette lune est qu’il existe. Comment cela a-t-il vu le jour, et comment cela existe-t-il encore aujourd'hui, « est l'une des très grandes questions non résolues », a déclaré Sori. "Encelade est difficile à comprendre."

Renégats radioactifs 

Heureusement, les intérieurs chauds et lunaires ne dépendent pas exclusivement des marées.

La moitié de la chaleur interne de la Terre provient de sa naissance. Le reste provient d'éléments radioactifs en décomposition. De même, les profondeurs rocheuses des lunes glacées devraient contenir une quantité décente d’uranium, de thorium et de potassium – des réserves radioactives qui peuvent cuire leur environnement pendant des centaines de millions, voire des milliards d’années avant de se désintégrer en éléments stables et de cesser de libérer de la chaleur. .

Les lunes plus grosses auront commencé avec des caches plus abondantes de matière radioactive. Et c’est peut-être tout ce dont leurs océans ont besoin. "Pour les lunes plus grandes comme Ganymède, Callisto et Titan, elles sont en quelque sorte inévitables à cause de ce facteur radiogénique", a déclaré Vance. Certains scientifiques affirment même que Pluton a un océan souterrain. Comme les trois lunes, cette planète naine est probablement isolée par une croûte suffisamment épaisse pour ralentir la fuite de son four radioactif dans l’espace.

Pourtant, les cœurs relativement petits des lunes lilliputiennes comme Encelade ne contiennent pas suffisamment de matière radioactive pour les garder au chaud pendant des milliards d'années. Une solution insatisfaisante à cette énigme est qu’Encelade a peut-être eu de la chance : la radioactivité pourrait expliquer une première partie de son passé océanique, et sa danse avec Dioné un épisode plus récent. Peut-être que « nous sommes maintenant au point de croisement, où le [chauffage] radiogénique devient si faible que le chauffage par marée prend le relais », a déclaré Postberg.

Si tel est le cas, Encelade est peut-être un microcosme de l’univers : une combinaison fortuite de réchauffement des marées et de radioactivité. Cela signifierait que les lunes océaniques pourraient exister partout – ou, à l’inverse, presque nulle part.

Des océans jeunes

Alternativement, et de manière controversée, certains scientifiques affirment qu'Encelade pourrait être remarquablement jeune.

Derrière les nombreuses données recueillies par la sonde spatiale Cassini se cachent des indices selon lesquels Saturne n'est pas née avec ses anneaux emblématiques. Au lieu de cela, de nombreux scientifiques sont désormais convaincus que les anneaux se sont formés il y a seulement quelques centaines de millions d'années. De nouvelles recherches utilisant des superordinateurs pour simuler la violence entre lunes suggèrent que les anneaux de Saturne se sont formés lorsque deux anciennes lunes sont entrées en collision à l'époque où les stégosaures parcouraient la Terre. Ce smashup a jonché l'orbite de Saturne de légions d'éclats glacés ; tandis que beaucoup formaient les anneaux, d'autres détruisaient les lunes existantes et en a créé de nouveaux. Et si les anneaux sont jeunes, Encelade et une poignée d’autres lunes pourraient l’être aussi.

"On a l'impression que les gens sont de plus en plus disposés à considérer que les lunes sont jeunes", a déclaré Jacob Kegerreis, chercheur scientifique au centre de recherche Ames de la NASA à Mountain View, en Californie, et co-auteur de la récente étude sur la formation d'anneaux.

Ce qui conforte cette idée, c'est que les scientifiques ne connaissent pas l'âge de certaines lunes de Saturne. "Encelade pourrait avoir seulement quelques centaines de millions ou dizaines de millions d'années", a déclaré Rothery. Si tel est le cas, la chaleur de sa naissance frénétique pourrait encore maintenir son jeune océan liquide.

Mais l'histoire des jeunes lunes est loin d'être certaine : le grand nombre de cratères que beaucoup exposent suggère que les lunes sont là pour vivre le pandémonium semblable à un flipper du système solaire depuis de nombreuses éons. "Je pense que dans le système de Saturne, quelque chose de bizarre s'est produit il y a quelques centaines de millions d'années", a déclaré Nimmo. "Mais je suppose que tous les satellites ont 4.5 milliards d'années."

Devins satellites

Les missions Galileo et Cassini étant mortes depuis longtemps, les scientifiques placent désormais leurs espoirs dans deux engins spatiaux : le Jupiter Icy Moons Explorer de l'Agence spatiale européenne, qui a récemment été lancé, et l'Europa Clipper de la NASA, qui ne l'a pas encore fait. Tous deux arriveront sur Jupiter au début de la prochaine décennie.

Et cela nous ramène à Europe, la lune qui a été la première à réinventer le contexte cosmique dans lequel existent les mers de la Terre.

L'un des objectifs du vaisseau spatial Clipper, dont le vol est prévu en octobre 2024, est (selon les termes de la liste des objectifs de la mission) pour « confirmer » que l'océan d'Europe existe. "Il y a eu beaucoup de discussions autour de ce mot", a déclaré Nimmo. Clipper pourrait trouver autre chose qu’un océan ; il pourrait plutôt y avoir une mer gelée remplie de poches d’eau de fonte. Ou "cela pourrait être une fine couche d'or", a plaisanté Nimmo. "Je pense qu'il est sûr à 99 % qu'il y a un océan là-bas."

En supposant que Clipper confirme l'existence de l'océan d'Europe, il se mettra au travail pour caractériser la Lune et sa mer souterraine. Pour ce faire, le vaisseau spatial commencera par déterminer quelles molécules se trouvent à la surface de la lune – et, si les scientifiques ont de la chance, dans l’océan en contrebas. En survolant la lune, Clipper ingère toute poussière microscopique, glace ou vapeur d'eau flottant à la surface de la lune. Ces particules seront étudiées par son analyseur de poussière de surface instrument : lorsque les grains frappent sa plaque métallique, ils sont vaporisés et chargés électriquement, permettant à l'instrument de dévoiler l'identité chimique du grain.

L'espoir est que les panaches évacuent doucement l'océan d'Europe vers l'espace, ce qui faciliterait considérablement la quête de Clipper. De tels jets peuvent exister, mais ils ne ressembleront pas à ceux d'Encelade ; ils peuvent être plus intermittents et géographiquement sporadiques. Ou bien ils peuvent ne pas être présents du tout – auquel cas, l’espoir est que les impacts de micrométéorites pourraient ronger la coquille glacée, libérant des soupçons d’océan et les projetant vers Clipper.

Et il se pourrait que pour rester au chaud, Europe et les autres lunes s’appuient sur des astuces chimiques qui ne sont pas aussi étrangères qu’on pourrait le croire. En hiver, « nous saleons les routes pour abaisser la température de fonte », explique Sori. Peut-être que l'océan d'Europe est particulièrement salé, ce qui abaisserait le point de congélation. D'autres composés seraient cependant des antigels plus efficaces – « l'ammoniac, en particulier », a déclaré Sori, qui est plus abondant plus loin de l'éblouissement de vaporisation du soleil.

Marées, radioactivité, chimie et jeunesse : ces ingrédients, lorsqu’ils sont mélangés correctement, peuvent produire – et entretenir – les océans sur ces lunes glacées. "Avec toutes ces choses, je ne pense pas que ce soit l'un ou l'autre", a déclaré Howett. La recette spécifique à chaque satellite peut être différente. Il pourrait y avoir des centaines de façons de créer une lune glacée remplie d’océan.

La découverte de l'océan secret d'Europe « a vraiment changé la façon dont les gens considéraient les lunes », a déclaré Kivelson. Et cela a mis la science sur la bonne voie pour déterminer si des formes de vie extraterrestres pourraient peupler ces mers extraterrestres, et peut-être provoquer une découverte qui modifiera à jamais notre conception de notre place dans l’univers.

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