La matière fondue des impacts sur Titan peut atteindre son océan souterrain

Titan est un monde océanique sous une croûte de glace et à l'atmosphère dense, où la photochimie produit des molécules organiques complexes qui tombent à la surface. Une question importante est de savoir si ce matériau peut se mélanger à l'eau et former des molécules d'intérêt biologique. Une équipe de chercheurs a étudié l'effet des gros impacts qui chauffent la subsurface de Titan et créent des bassins d'eau liquide. Ils publient leur étude dans Journal of Geophysical Research Planets. 

Les "îles magiques" des lacs de Titan : de la matière organique poreuse

Les deux énigmes les plus intrigantes concernant les lacs et les mers de Titan sont d'une part le calme extrême de ces lacs, avec des hauteurs de vagues inférieures à quelques millimètres seulement, et d'autre part ce que les planétologues ont nommé les "îles magiques", des caractéristiques transitoires qui ont été observées par le radar de la sonde Cassini, comme des caractéristiques brillantes sur les deux plus grandes mers de Titan, Ligeia Mare et Kraken Mare. Une étude théorique venant d'être publiée dans Geophysical Research Letters s'intéresse aux îles magiques et montre qu'il doit s'agir de matière organique sous diverses formes flottant à la surface de l'éthane liquide. 

L'atmosphère de Titan analysée avec les étoiles d'Orion

Les astronomes ne manquent pas d’idées pour faire des observations intéressantes. La technique de l’occultation d’étoile est bien connue pour analyser l’atmosphère d’une planète par le spectre d’absorption de la lumière d’une étoile lointaine. Mais le 1^er février 2016, une équipe a profité non pas d’une occultation d’étoile mais de trois étoiles parfaitement alignées, pour analyser avec la sonde Cassini l’atmosphère de Titan en profondeur et sur une large zone en latitude. Et ce n'était pas n’importe quelles étoiles : les trois étoiles de la ceinture d’Orion. Ils publient leurs résultats dans la revue de planétologie Icarus, un article qu'ils ont simplement intitulé Titan occultations of Orion’s belt observed with Cassini/UVIS.

Titan : Une cartographie géomorphologique complète

Titan, le gros satellite de Saturne, possède un cycle hydrologique basé sur le méthane qui a façonné sa surface, la transformant en l'une des surfaces les plus diverses géologiquement dans tout le système solaire, Terre comprise. Aujourd'hui, une cartographie complète de Titan vient d'être produite grâce aux données radars et infra rouge de la sonde Cassini. Une étude parue dans Nature Astronomy.

Titan : des lacs de méthane complexes

Durant son dernier survol rapproché de Titan le 22 avril 2017, la sonde Cassini a été utilisée pour sonder plusieurs lacs de son hémisphère nord avec son radar. Les résultats obtenus sont étonnants : ces lacs sont remplis de méthane liquide et sont très profonds (plus de 100 m), ils sont en outre très différents du principal lac observé dans l'hémisphère sud du satellite saturnien.

Tempête de poussière sur Titan

Des données de la sonde Cassini enregistrées autour de Titan entre 2005 et 2017 révèlent que le satellite Saturnien subit ce qui ressemble à de gigantesques tempêtes de poussière dans sa zone équatoriale.

Dans les sables électriques de Titan

Une équipe de recherche américaine montre que les grains de sable qui couvrent la surface de Titan, le plus gros satellite de Saturne, sont chargés électriquement. Cette charge électrique serait dûe à la friction et persisterait plusieurs mois, avec la possibilité d'accrocher des molécules d'hydrocarbures et expliquerait les formes étranges des dunes de Titan. 

Cassini observe de gros changements saisonniers dans l'atmosphère de Titan

La sonde Cassini nous a encore réservé de bien belles images avant de quitter définitivement le monde des lunes de Saturne. Il s'agit ici de Titan. Cassini vient de mettre en évidence de grosses variations atmosphériques saisonnières et l'apparition d'un énorme vortex au pôle sud du plus gros satellite de Saturne.

Titan : découverte de profonds canyons où coule un fleuve de méthane

Le plus gros satellite de Saturne (qui est visible ce soir au sud-ouest dans un bel alignement avec Mars et Antarès), Titan, continue de bluffer les planétologues : des profonds canyons où coule un fleuve de méthane ont été  observés par la sonde Cassini.

Des photoélectrons pour le vent polaire de Titan

Le monde de Saturne est sans conteste le système le plus complexe du système solaire, ce qui le rend probablement le plus fascinant. Depuis son arrivée en orbite de la planète aux anneaux en 2004, la sonde Cassini a exploré non seulement la planète géante, mais aussi ses anneaux, son gros satellite Titan et d’autres satellites glacés (Encelade, Europe, …).  Et Cassini ne fait pas que des superbes images, elle est également instrumentée pour analyser des fines particules.

Saturne et Titan vus par Cassini (ESA/NASA/JPL)

Des particules neutres dominent en fait la magnétosphère de Saturne et la région proche des satellites de la planète géante. Et la lumière solaire peut ioniser ces particules, produisant alors des ions et des photoélectrons avec une certaine énergie, que la sonde Cassini est capable de détecter et d’identifier. Ces photoélectrons peuvent également être exploités en tant que traceurs de la morphologie du champ magnétique environnant. Comme ces électrons relativement énergétiques se meuvent facilement le long des lignes de champ magnétique, ils peuvent en outre induire un champ électrique local qui facilitera l’échappement de plasma. C’est le phénomène de « vent polaire », qui est notamment observé sur Terre, Mars et Vénus, où une petite fraction des atomes ionisés de la haute atmosphère au niveau des pôles s’échappe dans l’espace le long des lignes de champ magnétique, aidés par le potentiel électrique créé par des électrons.

Une équipe de chercheurs anglais vient de publier une étude consacrée au phénomène du vent polaire, non pas sur Saturne elle-même mais sur son gros satellite Titan, grâce à l’étude des photoélectrons détectés par la sonde Cassini et son spectromètre à plasma et à électrons.

Les particules neutres qui sont la source des photoélectrons détectés aux alentours de Titan proviennent principalement d’une autre lune de Saturne : Encelade, qui se trouve à une distance de 4 rayons de Saturne. Ce sont les geysers de Encelade qui projettent dans le milieu quantité de grains de glace et de gaz. Ces particules se retrouvent ensuite assez rapidement au niveau de l’orbite de Titan, qui lui, orbite à une distance de 20 fois le rayon de Saturne. Titan est connu pour être un satellite muni d’une atmosphère riche en méthane et en azote, où une chimie organique complexe se développe.

La sonde Cassini et ses instruments (CNES)

Les photoélectrons produits par l’ionisation de ces fines particules ont un spectre énergétique qui dépend du spectre de la lumière solaire et de la nature de la molécule ou de l’atome cible (leur potentiel d’ionisation). Les planétologues montrent que leur énergie forme un pic dans la région située entre 19 et 26 eV. L’instrument Cassini Plasma Spectrometer Electron Spectrometer (CAPS-ELS) permet de mesurer un spectre de 63 niveaux d’énergie toutes les 2 s avec une précision de l’ordre de 17%.

Ces électrons de quelques dizaines d’électronvolt vont ensuite interagir avec leur environnement (plasma et champs électromagnétiques). Cassini a pu détecter de tels photoélectrons autour de Titan dans son ionosphère insolée et jusqu’à plus de 6 fois le rayon du satellite.

Andrew Coates et ses collaborateurs parviennent grâce à ces mesures, à fixer une valeur maximale au potentiel électrique ambipolaire  associé au phénomène de vent polaire sur Titan : 2,95 Volts. Cette valeur est légèrement plus basse que celle qui est mesurée pour la Terre et indique que le flux de particules s’échappant de l’atmosphère de Titan par ce mécanisme de vent polaire doit être limité.

La sonde Cassini grâce à ses détecteurs de particules permet de connaître des détails étonnants sur les mécanismes physiques à l’œuvre dans la haute atmosphère de Titan, un moyen supplémentaire pour caractériser ses mondes fascinants, au-delà des données d’imagerie qui sont plus connues car immédiatement accessibles à nos yeux.

Source :

A new upper limit to the field-aligned potential near Titan

A.J Coates et al

Geophys. Res. Lett., 42 (2015)

Titan : Un Vortex Polaire Inattendu

C'est au printemps 2012 qu'apparut un nuage étrange dans l'atmosphère de Titan, le plus gros satellite de Saturne (avec plus de 5000 km de diamètre, et le seul satellite connu possédant une atmosphère dense). Ce nuage tourbillonnaire se trouve toujours aujourd'hui au niveau du pôle Sud de Titan. Et ce n'est qu'aujourd'hui, plus de deux ans après son apparition, que nous savons de quoi il est composé, et c'est une surprise.

Dans un article paru cette semaine dans la revue Nature, l'astrophysicien néerlandais Remco De Kok et ses collègues anglais et français fournissent les résultats des analyses spectrales qu'ils ont pu effectuer sur ce nuage tourbillonnant de Titan.

Le nuage de HCN au pôle sud de Titan
(Space Science Institute/JPL-Caltech/NASA)

La réponse est sans appel, et inattendue : il s'agit de cyanure d'hydrogène, la molécule HCN, composée d'un atome d'hydrogène, d'un atome de carbone et d'un atome d'azote, sous forme de fines particules glacées.

La surprise vient du fait qu'on ne s'attendait pas du tout à trouver un tel nuage de HCN à cet endroit là, à 300 km de la surface de Titan. C'est bien trop haut... Le HCN doit se condenser normalement dans l'atmosphère de Titan, à une altitude de 80 km environ.

Ce nuage est apparu durant l'hiver polaire Titanesque dans une région où la sonde Cassini avait mesuré trois mois plus tôt une température de -100°C, soit 45° trop chaud pour que le HCN se condense...

Il existe donc peut être une anomalie de température dans la haute atmosphère de Titan. 

La sonde Cassini devrait refaire des mesures de température dès l'année prochaine. On en saura alors plus sur ce qui se passe vraiment dans cette atmosphère, qui ressemble par de nombreux aspects à notre atmosphère terrestre. En fait l'atmosphère de Titan ressemble surtout aux modèles de l'atmosphère terrestre très ancienne, à l'époque où il n'y avait pas encore d'oxygène en grandes quantités, et où le méthane était la principale composante carbonée. 

L'atmosphère de Titan est dominée par l'azote (N2) et le méthane (CH4). Ces deux molécules se retrouvent cassées par photolyse par le rayonnement ultra-violet du soleil dans la haute atmosphère de Titan, vers 1000 km. C'est par les radicaux libres ainsi formés que vont notamment se construire les molécules de HCN.

Ces molécules gazeuses peuvent ensuite migrer soit vers le sol du satellite ou bien être emportées par les vents qui peuvent être violents, jusqu'aux pôles fournissant des régions plus froides où peut avoir lieu une condensation en nuages.

L'atmosphère de Titan vue par Cassini dans le visible (NASA)

Cassini, grâce à son instrument VIMS (Visual and Infrared Mapping Spectrometer), a identifié deux familles de nuages dans l'atmosphère polaire de Titan : une couche située à 55 km, constituée d'hyrocarbure (C2H6) et l'autre, à 300 km, celle identifiée aujourd'hui par De Kok et ses collègues faite de HCN. La température au niveau des pôles de Titan semble régulée par de multiples paramètres entrelacés : la chimie atmosphérique, le rayonnement et la dynamique, qui contrôlent l'absorption et l'émission de rayonnement, ainsi que la compression, l'expansion et les mélanges entre gaz. De Kok et avancent une explication à la présence de ce nuage de HCN à cette altitude : ils pourraient être le résultat d'un phénomène de cellules de convection, au cours duquel le gaz froid et dense descend et se réchauffe lentement tandis que le gaz situé autour monte en se refroidissant, et créé des nuages par condensation... Il existe aussi de fortes variations de température en fonction de la latitude qui peuvent renforcer ces phénomènes en produisant des vortex au niveau des pôles, qui vont avoir pour effet d'isoler les nuages en leur donnant un aspect tourbillonnaire, comme ce qui a été observé.

La présence de tels nuages de molécules qui sont des produits de photolyse de l'azote et du méthane est intéressante à plus d'un titre, car il existe d'autres molécules très intéressantes issues de cette même photolyse, que l'on soupçonne Titan de contenir : des acides aminés et des bases de nucléotides...

L'atmosphère de Titan apparaît être un laboratoire de chimie organique à ciel ouvert d'une grande richesse, certes un peu loin, mais qui vaut certainement le coup d'être exploré plus en profondeur pour y découvrir peut-être les briques primordiales qui ont fait de nous ce que nous sommes.

Source : 

HCN ice in Titan’s high-altitude southern polar cloud
R. de Kok et al.
Nature 514, 65–67 (02 October 2014)

Titan, la Lune en Plastique

Titan est la plus grosse lune de Saturne. Il est composé de pas mal d'hydrocarbures, à commencer par le méthane qui y existe sous forme probable d'un océan.

Mais la molécule de méthane est une petite molécule fragile (CH4), qui se casse très facilement sous les rayons du soleil. En se cassant, les molécules de méthane se recollent ensemble, deux à deux pour former éthane, ethylène ou éthyne, ou trois par trois, elles forment alors du propane, du propylène ou du propyne.

Lors de son passage auprès de Saturne et de Titan en 1980, la sonde Voyager 1 avait effectué quelques analyses chimiques et avait mis en évidence la présence de propane (la plus lourde des molécules à trois carbones) et de propyne (l'une des plus légères), mais curieusement, pas de trace de propylène...

Titan, vu par Cassini (NASA/JPL)

Bien heureusement, la sonde Cassini, qui est toujours actuellement en orbite saturnienne et qui rend périodiquement visite au gros Titan, possède un instrument très performant pour l'analyse à distance de composés gazeux, par l'analyse de leurs émissions dans l'infra-rouge. Cet instrument s'appelle le Composite Infra Red Spectrometer (CIRS). Pour la première fois, le CIRS vient de découvrir une nouvelle molécule sur une lune, et il s'agit du propylène manquant ! 

Le propylène, vous en touchez tous les jours, sous sa forme de chaîne polymérisée qu'on appelle le polypropylène. C'est le plastique peut-être le plus répandu, celui de vos sacs d'hypermarchés ou de vos boites de rangement.

Il y a donc du plastique sur Titan en quantités non négligeables, du plastique naturel...

Cette nouvelle pièce du puzzle va maintenant aider les planétologues à mieux comprendre encore le véritable zoo chimique qu'est l'atmosphère de Titan.

source :

http://saturn.jpl.nasa.gov/news/newsreleases/newsrelease20130930/

A paraître dans The Astrophysical Journal Letters 30 septembre 2013

Un Drone à propulsion Nucléaire pour explorer Titan

Les planétologues américains ne manquent pas d’idées. On le sait, Titan, le plus grand satellite de Saturne, est très intéressant par ces nombreuses spécificités, dont l’une des plus intéressantes est sans doute sa couche d’eau liquide présente en subsurface. On dit souvent que Titan est l’une des trois cibles les plus intéressantes à explorer dans le système solaire.

 Il a été exploré sous différentes formes, depuis Pioneer 11 en 1979, puis Voyager 1 en 1980, qui a fait le détour exprès vers Titan sacrifiant ainsi ses possibilités de rencontrer ensuite Uranus et Neptune… et surtout par la sonde Cassini-Huygens, à la fois en orbite (orbiteur Cassini) et sur son sol glacé (module au sol Huygens). Mais Titan possède également une épaisse atmosphère qui rend l’observation depuis l’orbite un peu complexe…

Comme cette zone intermédiaire entre le très grand vu en orbite et le très petit vu du sol reste aujourd’hui inexplorée, une équipe américaine pluridisciplinaire propose d’aller y aller jeter un œil, ou plus exactement un tas d’instruments. Et ils n’ont pas trouvé mieux que d’utiliser pour cela un objet volant dans l’atmosphère…  Un avion sans pilote, qu’on appelle couramment un drone.

Il faut savoir que cette atmosphère est si dense que la portance y est grandement facilitée. Un physicien du nom de R. Zubrin avait même calculé dès 1990 qu’un homme muni d’ailes tel le mythologique Icare, pourrait aisément y voler avec sa propre puissance musculaire…

Avec environ une densité 4 fois supérieure et une gravité 7 fois plus faible que sur Terre, les vols sont ainsi 28 fois plus « faciles » : un avion donné peut porter 28 fois plus de masse sur Titan que sur Terre… Si on comparait avec l’atmosphère de Mars, ça serait 1000 fois plus facile sur Titan que sur Mars… 

Ce drone, encore au stade du papier, a été baptisé AVIATR pour Aerial Vehicle for In-situ and Airborne Titan Reconnaissance. 

Vue d'artiste du projet AVIATR

Le concept est fondé sur une sonde de transport qui serait envoyée en orbite autour de Titan en sept années puis qui larguerait ce petit oiseau dans l’atmosphère Titanesque. Le but d’AVIATR est ensuite de parcourir le satellite de long en large, à différentes altitudes, et ce durant de longs mois sans s’arrêter ni se poser bien évidemment, le tout en envoyant ses données directement vers la Terre sans passer par un orbiteur relais… 

Autant la propulsion d’une sonde dans le vide du système solaire est relativement aisée, autant c’est une autre paire de manche lorsqu’il s’agit d’un déplacement dans une atmosphère, où il y a des vents, un freinage, etc… Bref, il faut un vrai moteur pour avancer. C’est aussi pour cette raison des vents forts qu’une solution de type ballon a été rejetée après étude.

Mais quel type de moteur utiliser pour pouvoir voler durant plusieurs mois sans s’arrêter une seule fois ? Un moteur électrique assurément. Mais comment produire cette électricité ? Des panneaux solaires ? Impossible du fait de la couverture nuageuse et des alternances d’ensoleillement.  Il fallait donc s’inspirer de ce qui a été fait pour les sondes lointaines ne pouvant pas compter sur la puissance solaire… Des générateurs nucléaires à radioisotopes… Les RTGs selon l’acronyme anglosaxon pour Radioisotope Thermoelectric Generators sont des systèmes thermoélectriques qui utilisent la chaleur pour la transformer en courant électrique par un thermocouple.

Cette chaleur est produite naturellement par un bloc d’oxyde de plutonium-238. Cet élément radioactif émet presque exclusivement du rayonnement alpha énergétique qui a la propriété de chauffer le métal dans lequel il est créé. Le bloc d’oxyde de plutonium est donc une source de chaleur continue qui est entièrement indépendante de son environnement, et qui décline simplement par la décroissance de la radioactivité de l’isotope en question : elle est divisée par deux tous les 88 ans, ce qui donne une diminution de la puissance thermique de 0.79% par an…Cette source de chaleur est analogue à la chaleur interne de la Terre qui est issue du même phénomène de radioactivité alpha d’isotopes (d’uranium et de thorium). Sauf qu’ici, le plutonium est un radio-isotope artificiel, fabriqué par l’homme, et essentiellement dans des réacteurs nucléaires. 

Ces  RTG au plutonium-238 ont équipé de nombreux vaisseaux  depuis 1961 pour les alimenter en électricité, comme les sondes Pioneer 10 et 11, Voyager 1 et 2, Galileo, Ulysses, Cassini et jusqu’à New Horizons qui ne pouvaient recourir aux panneaux solaires pour leurs missions lointaines. Des RTG furent aussi utilisés sur Mars avec les deux modules d’atterrissages Viking, ainsi que pour les expériences scientifiques menées sur la Lune par les missions Apollo 12 à 17.

Non seulement leur fabrication est très couteuse, mais les stocks actuels de Pu-238 sont de plus en plus faibles et l’efficacité énergétique des RTG est pour ainsi dire déplorable avec environ seulement 8% (c’est la quantité d’énergie thermique transformée finalement en électricité)… 

Titan et Saturne vus par Cassini

C’est donc vers un nouveau type de générateur nucléaire, toujours à base de Pu-238 mais beaucoup plus efficace, que ce sont tourné les physiciens du projet AVIATR. Ils proposent de recourir à l’un des plus vieux moteurs imaginés, puisqu’il s’agit d’un moteur de Stirling, dont le concept date du début du 19ème siècle, auquel ils fournissent une source chaude de type nucléaire, parvenant ainsi à multiplier par 4 le rendement énergétique, donc à réduire d’autant la masse de plutonium à emporter, ou bien, à augmenter la puissance par 4 à masse égale…  Ce générateur nouveau porte le doux nom de ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator). 

Mais revenons à notre drone et à ces instruments embarqués maintenant bien alimentés. Les buts scientifiques de la mission sont très nombreux : géologie de surface et science atmosphérique sous de nombreux aspects passionnants. On peut citer entre autres :

• Comprendre les interactions mer/terre à partir de la diversité des berges et interfaces 
• Caractériser les interactions atmosphère/lacs à partir de la dynamique des vagues. 
• Étudier l’histoire de la formation des lacs à partir des couches géologiques en bordure 
• Étudier les flux de liquide et sédimentaires des lacs 
• Caractériser les zones d’érosion 
• Déterminer où sont localisées les liquides de surface et pourquoi 
• Étudier les transports de sédiments 
• Étudier l’activité des champs de dunes sur la surface de Titan 
• Mesurer les vents et étudier le climat 
• Étudier les changements climatiques à partir des évolutions des dunes 
• Étudier les mouvements de la lithosphère à l’origine des reliefs 
• Étudier l’origine cryovolvanique de structures observées précédemment par Cassini 
• Observer les cratères pour l’étude de la lithosphère 
• Exploration de zones non observées auparavant 
• Identifier des sites d’atterrissage (atitanissage) d’après leurs caractéristiques géologiques, météorologiques, chimiques, … 
• Rechercher des molécules organiques prébiotiques et mise en évidence d’activité astrobiologique 
• Étudier globalement la circulation atmosphérique des vents et du méthane 
• Étudier les nuages et la pluie 
• Étudier les propriétés des brouillards 

Cette proposition innovante de nouvelle mission vers Titan, détaillée sur 73 pages par Jason W. Barnes et ses collègues (dont quelques français) dans Experimental Astronomy a été chiffrée à 715 millions $, ce qui en fait un projet éligible au programme « New Frontiers » de la NASA. 

 Les études seront poursuivies pour améliorer encore le design de cet oiseau titanesque, premier avion à propulsion nucléaire de l’histoire, en attendant une réponse budgétaire d’ici quelques années…