Une équipe de chercheurs a exploité les données de la sonde Cassini lors de son survol des panaches d'eau de Encelade et qui étaient archivées depuis 2017. Dans leurs analyses des composés chimiques, en plus des composés organiques qui avaient déjà été identifiés (H2O, CO2, CH4, NH3 et H2), ils identifient aujourd'hui d'autres molécules très intéressantes : HCN, C2H2, C3H6, C2H6. mais aussi un alcool (CH3OH). L'étude est publiée dans Nature Astronomy.
L'identification des espèces mineures dans le panache de Encelade reste un défi en raison du grand nombre de combinaisons possibles qui peuvent être utilisées pour ajuster les données de l'instrument INMS (Ionic and Neutral Mass Spectrometer). Les nouvelles analyses des données du spectromètre de masse lors du survol de Cassini à faible vitesse permettent grâce à une nouvelle méthode statistique, de distinguer des espèces chimiques qui étaient auparavant ambiguës.
En caractérisant le contenu du spectre de masse moyen obtenu lors des survols E14, E17 et E18, Jonah Peter (JPL/Caltech) et ses collaborateurs déterminent des contraintes sur le nombre d'espèces pouvant être extraites de manière fiable de l'ensemble de données dans des conditions où elles sont le moins modifiées par fragmentation. Les chercheurs utilisent la méthode de minimisation de l'entropie relative pour évaluer la probabilité de dizaines de milliards de modèles potentiels. Ils montrent que l'inférence multimodèle permet l'identification de plusieurs composés qui n'avaient pas été confirmés auparavant.
Pour capturer la gamme complète des constituants possibles du panache, Peter et ses collaborateurs ont construit une grande bibliothèque spectrale contenant la liste la plus récemment publiée des espèces plausibles du panache qui sont détectables par l'instrument INMS. Ils ont ajouté plusieurs composés supplémentaires trouvés dans des expériences en laboratoire de synthèse organique simulant des satellites glacés. À l’aide de cette bibliothèque, ils ont alors effectué une recherche exhaustive parmi des dizaines de milliards de modèles potentiels pour la composition du panache. Les chercheurs montrent que les performances optimales du modèle (la vraisemblance relative maximale dans tous les modèles) sont obtenues avec seulement 13 espèces chimiques différentes, et elles chutent précipitamment pour les modèles plus complexes. Les modèles comportant plus de 15 espèces surajustent considérablement les données INMS et extraient de manière incorrecte les faux signaux du bruit statistique.
Donc, en plus des molécules qui avaient déjà été identifiées (H2O, CO2, CH4, NH3 et H2), Peter et ses collaborateurs trouvent des preuves significatives de la présence de HCN, CO, C2H2, C3H6, C2H6. mais aussi l'alcool CH3OH (avec une probabilité de 82%), ainsi que le dioxygène O2 , l'argon et un fragment inconnu de masse 43 unités atomiques (possiblement C2H6N2 ou C3H6O). Hormis le CO qui est connu pour être un produit de la fragmentation de molécules plus complexes dans le détecteur de Cassini, toutes les autres espèces doivent être présentes dans les panaches de Encelade, selon les chercheurs.
Une découverte majeure de ces travaux est que l'azote est également présent sur Encelade, sous forme de HCN. Les études antérieures n'avaient pas permis de résoudre l'abondance de HCN en raison de signaux confus provenant des produits de fragmentation de masse 28. Dans l’ensemble, les résultats de Peter et ses collaborateurs indiquent que Encelade héberge un environnement chimique multiphasique et de composition diversifiée qui est compatible avec un océan souterrain habitable. Les espèces identifiées dans ces travaux suggèrent également que cet océan pourrait contenir les éléments constitutifs nécessaires à la synthèse de composés importants à l’origine de la vie. Les détections d'hydrocarbures partiellement oxydés ainsi que les détections très probables d'un alcool et d'oxygène moléculaire sont particulièrement intéressantes car ces espèces impliquent potentiellement un environnement redox diversifié au sein de l'océan. La présence d'O2 et de composés carbonés partiellement oxydés impliquent notamment une multitude de voies d'oxydoréduction qui pourraient contribuer à la vie dans l'océan souterrain d'Encelade selon les chercheurs. Ils précisent que ces composés pourraient servir de substrats directs pour la croissance biologique, ou être des intermédiaires d'autres réactions métaboliques impliquant des substances organiques et des oxydants supplémentaires.
La présence de HCN, C2H2 et C3H6 dans le panache est particulièrement intéressante du fait de leur importance pour la chimie prébiotique. La polymérisation du HCN est en effet impliquée dans un certain nombre de voies de formation de bases nucléiques et d'acides aminés, par exemple l'alanine, la glycine, d'acide aspartique et l'adénine. Bien que ces réactions puissent être limitées dans un océan souterrain dilué, Peter et son équipe expliquent que des conditions concentrées favorables à la polymérisation pourraient être obtenues dans la coquille de glace. Le gel et le dégel répétés causés par le cycle des matériaux entre la coquille de glace et les fissures intérieures plus chaudes des évents du panache pourraient fournir des conditions favorables à la synthèse organique.
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Et les chercheurs montrent qu'il existe des preuves que le panache contient au moins une partie de sa matière qui n'a pas été diluée par l'océan de Encelade. Parce que l'eau liquide facilite l'hydrolyse rapide du HCN en CH3NO, qui se désintègre ensuite en CH2O2 et NH3. Cela suggère donc que le panache pourrait provenir, au moins en partie, d'un matériau en phase solide qui résiderait dans la croûte de glace. La nature macromoléculaire de ces composés, certains dépassant 200 unités atomiques, pourrait être la preuve d’une chimie qui serait en cours de synthèse. L'accumulation et l'isolement de composés organiques flottants à l'interface glace-eau entre l'océan et la croûte de glace peuvent également favoriser une durée de vie plus longue et inhiber l'hydrolyse. D'ailleurs, il existe d'autres preuves provenant cette fois de grains de glace qui se trouvaient être riches en matières organiques et qui avaient aussi été détectés par Cassini dans le panache. On pourrait donc avoir une présence de films organiques en phase solide qui seraient transportés à la surface via les évents du panache.
Bien sûr, la disponibilité de composés organiques sur Encelade pour soutenir ou faciliter l'apparition de la vie dépend aussi fortement de la géochimie de l'océan comme le rappellent les chercheurs. Bien que la composition minérale du plancher océanique soit encore inconnue, les détections simultanées de particules de SiO2 par le Cosmic Dust Analyser (CDA) de Cassini et de H2 gazeux par l'INMS indiquent la présence d'un environnement hydrothermal complexe. Les similitudes entre la température et le pH de l'océan de Encelade et ceux des zones de cheminées hydrothermales sur Terre indiquent que les réactions de serpentinisation pourraient être à l'origine de l'abondance observée de H2. Une telle explication serait également cohérente avec les preuves provisoires de la présence de H2S. Et la présence nouvelle de C2H2 et de C2H6 dans le panache impliquerait également des réactions catalytiques entraînées par des minéraux métallifères dans l'océan. Des données de laboratoire suggèrent que la présence de C3H6 dans le panache de Encelade pourrait indiquer la formation possible de structures de type vésicules, qui pourraient alors abriter des proto-métabolismes naissant.
Peter et ses collaborateurs évoquent tout de même un scénario alternatif de synthèse organique complexe qui pourrait être réalisé à partir d'un traitement photochimique des matières océaniques éjectées par le panache sur la surface. Le HCN pourrait dans ce cas être séquestré sous forme de ferrocyanure par des sels de sodium ou de potassium (tous les deux trouvés dans les grains de glace du panache). Le ferrocyanure est une molécule de base importante pour la chimie prébiotique qui repose sur le HCN pour former les sucres nécessaires à l'assemblage des ribonucléotides. Cette production en surface pourrait ensuite se réinjecter dans l'océan et dans le panache via un transport vers le bas à travers la croûte de glace. La question de savoir si ce type de chimie est efficace dans des conditions similaires à celles de Encelade pourrait être étudiée dans de futures études expérimentales. En revanche, un examen plus détaillé de la matière océanique d'Encelade nécessitera de futures missions robotiques, qui ne sont hélas pas prévues avant très longtemps...
En résumé, ces nouveaux résultats sur Encelade à partir d'anciennes données de Cassini indiquent la présence d'un environnement très riche et chimiquement diversifié qui pourrait soutenir une synthèse organique complexe, jusqu'aux briques nécessaires à l'apparition de la vie...
Source
Detection of HCN and diverse redox chemistry in the plume of Enceladus
Jonah Peter et al.
Nature Astronomy (14 december 2023)
Illustrations
1) Vue schématique des espèces chimiques identifiées par les auteurs (Jonah S. Peter et al.)
2) Les panaches de Encelade imagés par Cassini et vue d'artiste de la sonde en action (NASA)
3) Encelade imagé par la sonde Cassini (NASA/JPL)
4) Jonah Peter
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