Les panaches d'eau de Encelade liés à ses "rayures de tigre"

Une équipe de planétologues vient de démontrer que les lignes de faille d'Encelade qui sont visibles à son pôle sud sont responsables de ses panaches d'eau salée. Ils ont publié leur étude dans Nature Geoscience.

Encelade est une petite lune (~ 500 km de diamètre) potentiellement habitable de Saturne. Les survols d'Encelade par la sonde Cassini entre 2005 et 2015 ont révélé la présence de nombreux panaches d'eau localisés le long de quatre fractures de surface à grande échelle (officieusement connues sous le nom de « rayures de tigre » (Tiger Stripes). L'activité et la luminosité des panaches à Encelade varient sur une période de 32,9 heures. La coïncidence de cette période d'oscillation de la luminosité des panaches et de la période orbitale (33 heures) de Encelade suggère que les marées (résultant de l'orbite excentrique et verrouillée d'Encelade autour de Saturne) régulent le transport de chaleur et de masse en déformant cycliquement la croûte de glace externe du satellite. A partir de 2014, il a été émis l'hypothèse dans différentes études que l'ouverture provoquée par les marées le long des fractures pouvait moduler l'activité des geysers en exposant l'interface eau-liquide dans les rayures du tigre au vide de l'espace. 

Les caractéristiques de surface les plus déterminantes d'Encelade sont clairement ces grandes fissures qui ont été appelées les Tiger Stripes, les rayures de tigre. Il s'agit de quatre dépressions linéaires parallèles à la surface de la lune, d'environ 130 km de long, 2 km de large et 500 mètres de profondeur. Elles ont des températures plus élevées que leur environnement, ce qui indique que le cryovolcanisme y est actif. Les premières interprétations des données de Cassini avaient suggéré que le chauffage par cisaillement le long des failles des rayures de tigre pourrait provoquer la sublimation de la matière glacée dans le panache. Mais il est difficile de concilier un mécanisme d'éruption dû au chauffage et au cisaillement avec la découverte de sels dans les grains de panache solide. Néanmoins, un mécanisme d'éruption entraîné par un mouvement de décrochement pourrait entraîner deux pics d'activité tout au long du cycle de marée et pourrait ne pas nécessiter l'action d'un processus supplémentaire pour retarder de 6 à 7 heures la luminosité maximale du panache comme ce qui est observé. 

Les nouvelles analyses de Alexander Berne (CalTech) et ses collaborateurs, qu'ils ont effectuées à partir de simulations de la croûte de glace, suggèrent que des failles de décrochement au niveau des caractéristiques proéminentes des rayures de tigre de la lune permettent effectivement aux panaches d'eau d'Encelade de s'échapper dans l'espace. Il se trouve que les panaches au-dessus des Tiger Stripes ne sont pas stables et continus. Ils croissent et décroissent à mesure que Encelade parcourt son orbite de 33 heures autour de Saturne. Le réchauffement des effets de marée maintient l'eau de la lune sous forme liquide et, selon les chercheurs, ces mêmes forces de marée sont responsables des panaches intermittents.

Ils montrent que les forces de marée ouvrent et ferment les failles des Tiger Stripes, ce qui a pour effet d'allumer et d'éteindre les panaches. Les chercheurs montrent également que le forçage des marées ne fournit pas à lui seul suffisamment d’énergie pour ouvrir et fermer les failles. Berne et ses coauteurs affirment que les failles décrochantes des Tiger Stripes s’ouvrent et se ferment de façon similaire à ce qui se passe sur Terre dans des endroits comme la faille de San Andreas. Il s’agit d’une faille dite décrochante, où un côté dépasse l’autre, et qui provoque des tremblements de terre. L’élément essentiel est que les défauts de décrochement nécessitent moins d’énergie que le scénario d’ouverture et de fermeture de type ouverture d’ascenseur.

Berne et ses collaborateurs ont construit un modèle numérique qui simule les failles sur Encelade. Ils prennent en compte les forces de friction, de compression et de cisaillement.  En utilisant une approche numérique (éléments finis) entièrement 3D, les chercheurs constatent que le mouvement de décrochement provoqué par les marées le long des rayures de tigre suit de très près le timing des panaches et le flux de chaleur d'Encelade. Ils ont simulé le forçage des marées en soumettant une coquille de glace quasi-sphérique à des forces associées à des marées à excentricité variable dans le temps, en supposant une coquille d'une épaisseur moyenne de 30 km, une rhéologie élastique uniforme, des variations latérales de l'épaisseur de la croûte (avec une épaisseur locale près du pôle Sud qui est d'environ 10 km ) et des failles radiales traversantes aux emplacements des rayures de tigre. Le glissement des failles apparaît cohérent avec celui attendu des interfaces soumises au frottement et aux contraintes hydrostatiques normales.

Berne et ses collaborateurs calculent la déformation sur un nombre suffisant de périodes orbitales de telle sorte que les différences entre les déplacements pour une anomalie moyenne donnée entre les cycles soient négligeables. Ils supposent également que la pression de l'eau liquide neutralise l'impact de la contrainte hydrostatique normale sur la déformation des failles en dessous d'environ 1 km de profondeur de la nappe phréatique. Et le modèle numérique montre les failles agissant de concert avec l'évolution des panaches. Cela suggère donc fortement que c'est l'orbite d'Encelade et les forces de marée associées agissant sur la lune qui provoquent l'ouverture et la fermeture des failles de décrochement. 

Les planétologues ont maintenant des raisons à la fois géologiques et géophysiques de soupçonner que l'activité des geysers se produit au niveau des séparations le long des rayures de tigre d'Encelade. Des mesures détaillées des mouvements le long des rayures du tigre sont néanmoins nécessaires pour confirmer les hypothèses formulées par Berne et ses collaborateurs. Lorsqu'une sonde spatiale sera envoyé en orbite de Encelade, elle pourra surveiller les failles et les jets sur plusieurs orbites, ce qui permettrait aux chercheurs de tester leurs prédictions et pourrait fournir de nouvelles contraintes clés sur la nature mécanique de la croûte, ainsi que le contrôle des marées sur l'activité des geysers et plus globalement sur  l'évolution du terrain polaire sud de Encelade. 

Source

Jet activity on Enceladus linked to tidally driven strike-slip motion along tiger stripes

Alexander Berne et al.

Nature Geoscience (29 april 2024)

https://doi.org/10.1038/s41561-024-01418-0

Illustrations

1. Encelade imagé par Cassini (NASA/JPL Caltech)

2. Carte orthographique du pôle sud de Encelade (NASA/JPL-Caltech/SSI/Lunar and Planetary Institute, Paul Schenk)

3. Vue rapprochée des Tiger Stripes (NASA/JPL Caltech) 

4. Vue de loin de Encelade par Cassini montrant les panaches du pôle sud (NASA/JPL Caltech)

5. Vue rapprochée des panaches de Encelade par Cassini (NASA/JPL Caltech)

6. Alexander Berne