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Pourquoi l?oc?an d?Encelade ne g?le pas

La sixième plus grosse lune de Saturne, Encelade, est un corps de 500 kilomètres de diamètre recouvert d’une croûte de glace. Ce qui en fait un des satellites les plus étonnants du Système solaire, c’est l’océan d’eau liquide qu’elle cache sous sa surface. Quelle source de chaleur l’empêche de geler ? De nombreux scénarios ont été proposés, sans qu’aucun ne soit complètement satisfaisant. Avec une équipe internationale, Gaël Choblet et Gabriel Tobie, chercheurs CNRS à l’université de Nantes, proposent un nouveau mécanisme qui rend compte de toutes les observations d’Encelade réalisées par la sonde Cassini entre 2004 et 2017.

Le passage des sondes Voyager dans le système saturnien à l’aube des années 1980 avait permis de comprendre que le satellite était probablement formé d’une épaisse couche de glace d’eau autour d’un noyau rocheux. Mais, plus surprenant encore, les données de Cassini ont révélé qu’une partie de cette eau était liquide, notamment sous le pôle sud où la couche de glace ne mesure que un à cinq kilomètres d’épaisseur, contre une vingtaine sur le reste du satellite. Dans cette même région, Cassini a aussi observé des sortes de geysers de glace d’eau, parfois salée et riche en particules rocheuses nanométriques, jaillissant jusqu’à 500 kilomètres d’altitude.

Mais pourquoi cet océan subglaciaire ne gèle-t-il pas ? Une première hypothèse est la présence d’éléments radioactifs dans le noyau, qui libèrent d’importantes quantités de chaleur (sur Terre, par exemple, ce phénomène contribue en partie à maintenir la température du manteau). Mais sur Encelade, ce processus est 100 fois trop faible pour pouvoir maintenir l’eau liquide. Une autre piste est l’influence gravitationnelle de Saturne, qui exerce des forces de marées sur son satellite et déforme sa croûte de glace. Les frottements engendrés produisent eux aussi de la chaleur. Mais encore une fois, ce mécanisme est insuffisant à lui seul pour maintenir l’océan liquide au-delà d’une trentaine de millions d’années.

Le nouveau scénario se penche aujourd’hui sur le rôle du noyau. Gaël Choblet en explique l’approche : « L’origine de la puissance permettant à Encelade de demeurer active était une sorte d’énigme. Avec cette étude, nous éclairons ce mystère en soulignant le rôle clé du noyau rocheux. C’est, selon nous, sa structure particulière, sous l’océan, qui permet la production de cette énergie. ». Une piste également suggérée par le contenu des geysers du pôle sud : la présence de minéraux atteste d’une activité géothermale à la surface de la roche au fond de l’océan. Ce dernier pourrait donc être le lieu du chauffage de l’eau.

Dans ce scénario, le noyau poreux est rempli d’eau et donc facilement déformable. Soumis aux forces de marée intenses de Saturne, ses grains rocheux frottent les uns contre les autres, ce qui chauffe progressivement l’eau infiltrée. Cette idée avait déjà été explorée, mais de façon incomplète. Gaël Choblet et ses collègues ont réexaminé ce scénario en réalisant une simulation tridimensionnelle du système et en prenant en compte aussi bien les effets des forces de marée que les mécanismes de transfert de chaleur par écoulement de l’eau interstitielle.

Les simulations montrent que l’eau chauffée à 90 °C dans le noyau remonte à sa surface où elle forme des points chauds au fond de l’océan. Ce faisant, elle interagit avec la roche et s’enrichit en minéraux. L’eau chaude se diffuse alors dans l’océan, contribuant à chauffer celui-ci et augmenter sa salinité. Chaque point chaud pourrait libérer une puissance équivalente à quelques gigawatts, soit la puissance géothermique consommée par l’Islande ! Au total, la puissance générée serait comprise entre 10 et 30 gigawatts, ce qui compense les pertes de chaleur de l’ensemble de la lune vers l’espace. Avec ce mécanisme, l’océan liquide pourrait persister sur des échelles de temps de l’ordre de plusieurs centaines de millions d’années.

En outre, l’eau, serait expulsée principalement dans la direction des régions polaires, car le chauffage de marée dans le noyau est deux fois plus intense aux pôles qu’à l’équateur. « Nos simulations expliquent à la fois l’existence d’un océan à grande échelle engendré par le transport de la chaleur depuis l’intérieur profond vers la couche de glace et la concentration de l’activité dans une zone relativement étroite au niveau du pôle sud, en accord avec les principales caractéristiques d’Encelade révélées par les observations de Cassini », résume Gabriel Tobie. Notamment, l’eau émise préférentiellement aux pôles ferait fondre davantage la croûte dans ces régions, d’où son épaisseur réduite. Cet effet est surtout important au pôle sud. Les chercheurs ont montré que si l’on part d’une croûte plus fine au pôle sud, le chauffage devient alors plus intense et fait fondre encore plus la croûte, et ainsi de suite. Cet effet d’emballement pourrait en partie expliquer l’asymétrie entre les deux pôles. Pour confirmer ce scénario, les résultats de futures missions avec des sondes munies de radars capables de percer la couche de glace seront cruciaux.

Encelade n’a pas encore révélé tous ses secrets. Le plus fascinant est celui de la vie ailleurs dans le Système solaire. Les sources hydrothermales de la lune ne sont pas sans rappeler celles découvertes dans l’océan Pacifique en 1977. On y a découvert de nombreuses bactéries primitives capables de puiser leur énergie dans ce milieu hostile. Pour de nombreux spécialistes, ces sources ont pu être le berceau de la vie sur Terre. De la même façon, la vie a-t-elle pu aussi apparaître sur Encelade ? Pour en savoir plus, les astrobiologistes espèrent étudier le contenu des jets du pôle sud avec les futures sondes afin d’y déceler des traces de matière organique.

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