02/06/2016

Les polygones du cœur de Pluton enfin expliqués


La sonde New Horizons a révélé des régions fascinantes à la surface de Pluton dont l’une des plus emblématiques est certainement cette vaste plaine glacée en forme de cœur, nommée depuis Sputnik Planum. Deux articles sont consacrés cette semaine dans la revue Nature aux explications géologiques des détails de cette formation étonnante.



La plus grande partie de la surface de Sputnik Planum, constituée de glace d’azote, est formée de polygones irréguliers larges de plusieurs dizaines de kilomètres et qui sont bombés : leur partie centrale est surélevée de plusieurs dizaines de mètres par rapport à leurs bords. La vaste plaine s’étend sur environ 1200 km, constellée de ces polygones dont les plus grands atteignent une quarantaine de kilomètres.
Les deux équipes indépendantes dont la revue Nature publie les résultats cette semaine ont analysé les images de ces polygones de glace pour en comprendre l’origine et parviennent à des conclusions semblables quant à leur origine mais à des différences sur les processus physiques à l’œuvre. Les deux équipes concluent toutes les deux sur le fait que la surface de Sputnik Planum est bien renouvelée en continu par un phénomène de convection de la glace d’azote. Pluton a donc l’une des surfaces les plus jeunes de tout le système solaire et rejoint Europe, Encelade, Titan et Triton dans le club des corps glacés mais à la géologie active.
L’équipe de Alexander Trowbridge (Purdue University) propose un mécanisme de convection rapide dans lequel la glace d’azote a une épaisseur de plus 10 kilomètres et est âgée d’un million d’années. L’équipe de William McKinnon (dont nous avons parlé récemment ici au sujet des montagnes du satellite Io), elle, montre que les cellules polygonales de grande taille peuvent être expliquées par un phénomène convectif plus lent, sur une épaisseur de quelques kilomètres seulement.
La glace d’azote qui a été identifiée par New Horizons est un solide structurellement fragile, avec un point de fusion situé à 63 degrés Kelvins. Elle doit s’écouler de manière visqueuse sur la surface de Pluton qui a une température de 40 K. L’intérieur de Pluton est plus chaud que sa surface, échauffé par la décroissance d’isotopes radioactifs dans sa croûte rocheuse. La façon dont cette chaleur interne s’échappe à travers la surface de Sputnik Planum a des conséquences directes sur sa géologie. Comme les matériaux sont chauffés par en-dessous, la chaleur va produire une expansion thermique localisée, rendant la glace moins dense que la couche située juste au-dessus. Ce faisant, la matière moins dense remonte en remplaçant la couche supérieure qui elle aussi remonte plus haut et ainsi de suite jusqu’à la surface. Arrivée à la surface, la glace se refroidit rapidement et coule à nouveau en profondeur. Mais des forces de viscosités agissent en s’opposant à ces mouvements de convection, qui ne peuvent donc persister que si la viscosité de la glace d’azote est suffisamment faible.
Les deux équipes ont toutes les deux quantifié le ratio flottabilité/viscosité de la glace d’azote de Sputnik Planum et trouvent une valeur plusieurs dizaines de fois plus grande que la valeur critique à partir de laquelle  toute convection est impossible. La glace d’azote subit donc une forte convection et les formes polygonales sont le sommet des cellules de convection. Les deux équipes américaines tombent également d’accord sur la vitesse du flux convectif, de l’ordre de quelques centimètres par an, ce qui induit que la surface est entièrement renouvelée en environ 1 million d’années. Cela explique très bien l’aspect lisse observé sans la moindre trace d’impact météoritique.
Là où les deux études divergent, c’est sur ce qu’on appelle le régime convectif, qui va déterminer le ratio largeur /profondeur des cellules de convection, et donc par suite l’épaisseur totale de la couche de glace. Trowbridge et ses collaborateurs estiment que la convection se déroule dans un régime de Rayleigh-Bénard, dans lequel les variations de viscosité de la glace dues aux différences d’effort et de température sont relativement  faibles. Dans ce cas, les cellules de convection se forment avec une largeur similaire à leur profondeur, qui implique donc une couche de glace d’au moins 10 km d’épaisseur.

McKinnon et son équipe, eux, estiment que l’évolution de la glace d’azote en fonction de la température doit produire une convection à « couvercle stagnant », dans laquelle la viscosité est plus grande à la surface froide qu’à l’intérieur plus chaud. Ce type de convection conduit à des mouvements de surface plus lents et des tailles de cellule beaucoup plus grandes que leur profondeur, avec une estimation de l’ordre de 3 à 6 km de profondeur seulement. Les chercheurs ont étayé leurs calculs par des simulations qui permettent de reproduire fidèlement les observations.

L’épaisseur de la couche de glace de Pluton n’est pas une mince affaire car elle a des implications importantes pour l’histoire géologique de Pluton. McKinnon et ses collègues, après analyse de la forme du bassin où se trouve Sputnik Planum, pensent qu’il s’agit probablement d’un ancien cratère d’impact, et sa dimension pourrait convenir pour une épaisseur de glace de quelques kilomètres, mais moins de 10. Si la couche de glace est réellement très épaisse, de plus de 10 km, des explications plus complexes devront être cherchées pour expliquer la formation et l’évolution de ce bassin qui ne serait pas un cratère. Une idée déjà avancée serait un affaissement du terrain sous le poids de la glace accumulée.
Il est vrai que la quantité totale de glace d’azote présente dans ce bassin apparaît considérable par rapport au total présent sur Pluton. Elle représente l’équivalent de plusieurs centaines de mètres d’épaisseur si elle était répartie uniformément sur toute la surface de Pluton. L’équipe de Trowbridge et celle de McKinnon ne peuvent que donner des idées spéculatives sur comment une telle accumulation s’est faite ici sur Sputnik Planum, et pas ailleurs. Pour Trowbridge, ce serait due à des effets climatiques tandis que pour McKinnon, des effets glaciologiques seraient en jeu.

Après avoir mieux compris son fonctionnement, la réponse définitive expliquant l’origine de ce qui fait le cœur de glace de Pluton viendra peut-être de nouvelles données toujours en cours de download depuis New Horizons.  


Sources :

Vigorous convection as the explanation for Pluto’s polygonal terrain
A. J. Trowbridge et al.
Nature 534, 79–81 (02 June 2016)

Convection in a volatile nitrogen-ice-rich layer drives Pluto’s geological vigour
W. B. McKinnon et al.
Nature 534, 82–85 (02 June 2016)

Pluto's polygons explained
Andrew J. Dombard & Sean O'Hara
Nature 534, 40–41 (02 June 2016)

Images :

Sputnik Planum imagé par New Horizons, à différents niveaux d'analyse (NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)