Mots clés : Pluton, Charon, atmosphère de Pluton, glace, réseau hydrographique, New Horizons

Pluton – Charon, octobre 2015 : nouvelles images, nouvelles données, nouvelles interrogations

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

19/10/2015

Résumé

Pluton et ses réseaux érosifs de type hydrographique, un lac asséché, des écoulement de glaciers, des alignements de puits de soutirage, des terrains en peau de serpent ( snakeskin ), une atmosphère structurée... et Charon parcourus de canyons et dépressions atypiques.


Depuis nos deux derniers articles ( Le 14 juillet 2015, la sonde NASA New Horizons survole et découvre Pluton et Charon et ...« it's complicated »... ), la NASA a mis en ligne de nouvelles images et données assez extraordinaires acquises en juillet 2015 lors du survol de Pluton et de Charon. On peut classer en cinq thématiques ce nouveau train de données : (1) mosaïque d'images en fausses couleurs et à haute résolution de l'ensemble de l'hémisphère éclairé de Pluton, (2) images obliques prises à contre-jour au niveau du terminateur lors de l'entrée de la sonde dans le cône d'ombre de Pluton, (3) données spectrales sur la répartition des glaces de méthane et d'eau, (4) mosaïque d'images en fausses couleurs et à haute résolution de l'ensemble de l'hémisphère éclairé de Charon, et (5) animations reconstituant un survol de Pluton et de Charon.

Nous allons, simplement sous forme d'images rapidement commentées, faire le tour de ces nouvelles données.

Pluton en haute résolution et fausses couleurs

Ces images, regroupées en une superbe mosaïque ont été obtenues par l'instrument Ralph (Ralph / Multispectral Visual Imaging Camera - MVIC). Elles combinent des images obtenues en longueurs d'onde bleue, rouge et infrarouge, et renforcent les différences de teinte, ce qui révèle les différences de composition chimique des glaces et dépôts de givres de la surface. La légende de la figure de la NASA dit : « Pluto's surface sports a remarkable range of subtle colors, enhanced in this view to a rainbow of pale blues, yellows, oranges, and deep reds. Many landforms have their own distinct colors, telling a complex geological and climatological story that scientists have only just begun to decode. The image resolves details and colors on scales as small as 1.3 kilometer ».

Cette image à haute résolution (1,3 km / pixel) est mise à disposition sur le site de la NASA (vous est aussi proposée une "copie locale").

Dans cet article, cette image a été tournée pour être présentée avec le même type d'orientation que dans nos deux précédents articles, afin que les limites des images individuelles de la NASA ait des bords "horizontaux" et "verticaux".


Figure 2. Détail de la partie inférieure gauche de l'image globale de Pluton

Détail de la partie inférieure gauche de l'image globale de Pluton

La région très sombre et cratérisée du bas a été (provisoirement) nommée Cthulhu Regio . Au-dessus à gauche, Viking Terra et au-dessus à droite Sputnik Planum .

Cthulhu Regio et Viking Terra sont parcourus par des grabens ( fossae dans la terminologie officielle). Un de ces grabens est "rouge" dans cette composition colorée, ce qui indique une composition chimique différente de celle du reste de l'image.


Figure 3. Détail de la région du cratère Eliot (centre droit de l'image) et de Virgil Fossa qui le recoupe dans Cthulhu Regio

Détail de la région du cratère Eliot (centre droit de l'image) et de Virgil Fossa qui le recoupe dans Cthulhu Regio

Cette image montre que Virgil Fossa et le fond de certains cratères ont une couleur (donc une composition chimique) différente de celle de l'ensemble de la région.

On peut comparer ce fragment de la mosaïque avec les vues en noir et blanc reçues les semaines précédentes (cf. figure 6 de ...« it's complicated »... ).


Figure 4. Zoom sur Djanggawulf Fossae (centre gauche de l'image globale) et sur un curieux réseau polygonal visible à droite

Zoom sur Djanggawulf Fossae (centre gauche de l'image globale) et sur un curieux réseau polygonal visible à droite

En plus des teintes claire et sombre de ce réseau polygonal, on note que sa bordure droite (orientale) est de teinte orangée. Le fond ou les bords des Djanggawulf Fossae est rouge. Tout cela traduit des différences de composition chimique qu'il reste à interpréter.


Figure 5. Région du pôle Nord de Pluton (en haut de l'image globale)

Région du pôle Nord de Pluton (en haut de l'image globale)

On trouve des cratères de météorites, des dépressions à fond plat qui ne ressemblent pas à des cratères d'impact, des escarpements… En bas à droite, on voit le bord de Sputnik Planum . On retrouve ces subtiles nuances d'orange et de bleu pale, révélant des différences de chimie de la surface.

Les numéros 1 et 2 localisent les quatre figures suivantes.


Figure 6. Réseaux de type "hydrographiques" sur Pluton ?

Réseaux de type "hydrographiques" sur Pluton ?

Image en fausses couleurs (ce qui permet de visualiser les différences chimiques) de la région "1" de le figure 5.

Sur cette image, la région semble parcourue de sillons flexueux ressemblant à des réseaux hydrographiques asséchés. Outre qu'il n'est absolument pas sûr que cette morphologie soit due à l'écoulement d'un liquide, ce liquide potentiel ne serait en aucun cas de l'eau, mais un composé volatil à très bas point de congélation. Les candidats les moins invraisemblables sur Pluton, corps à très basse température et à très faible pression, pourraient être le diazote (température du point triple de -210°C), le monoxyde de carbone (température du point triple de -205°C) ou le méthane (température du point triple de -182°C). Si cette morphologie est bien un réseau d'érosion ("nitrographique", "monoxydecarbonographique" ou "méthanographique"), cela implique qu'il régnait sur Pluton des conditions climatiques plus clémentes dans un passé pas si lointain.

En bas à gauche de l'image, Sputnik Planum et ses "glaciers d'azote" (cf. figures 37 à 40 de Le 14 juillet 2015, la sonde NASA New Horizons survole et découvre Pluton et Charon ).


Figure 7. Réseaux de type "hydrographiques" sur Pluton ?

Réseaux de type "hydrographiques" sur Pluton ?

Image en noir et blanc (ce qui permet de mieux visualiser la topographie) de la région "1" de la figure 5.

Sur cette image, la région semble parcourue de sillons flexueux ressemblant à des réseaux hydrographiques asséchés. Outre qu'il n'est absolument pas sûr que cette morphologie soit due à l'écoulement d'un liquide, ce liquide potentiel ne serait en aucun cas de l'eau, mais un composé volatil à très bas point de congélation. Les candidats les moins invraisemblables sur Pluton, corps à très basse température et à très faible pression, pourraient être le diazote (température du point triple de -210°C), le monoxyde de carbone (température du point triple de -205°C) ou le méthane (température du point triple de -182°C). Si cette morphologie est bien un réseau d'érosion ("nitrographique", "monoxydecarbonographique" ou "méthanographique"), cela implique qu'il régnait sur Pluton des conditions climatiques plus clémentes dans un passé pas si lointain.

En bas à gauche de l'image, Sputnik Planum et ses "glaciers d'azote" (cf. figures 37 à 40 de Le 14 juillet 2015, la sonde NASA New Horizons survole et découvre Pluton et Charon ).


Figure 8. Zoom sur une région du pôle Nord de Pluton

Zoom sur une région du pôle Nord de Pluton

Zoom de la région "2" de la figure 5.

Sur ce zoom, on retrouve les réseaux qui ressemblent à des réseaux hydrographiques. La région est parsemée de dépressions assez vastes, non circulaires et à fond plat. Elle est aussi perforée de lignes de "puits" alignés faisant penser à des catenae (alignements de cratères d'impacts dus à la chute de météorites fragmentées en multiples morceaux). Cette interprétation en termes de catena ne tient pas, car on voit très bien que ces puits sont alignés sur des fractures. Ce pourrait être des entonnoirs de soutirage, des orifices de dégazage-sublimation… La teinte rouge de ces "puits" montre que leurs parois et leur fond n'ont pas la même composition que les environs, ce qui favorise l'hypothèse de dégazage-sublimation.


Figure 9. Zoom sur une région du pôle Nord de Pluton

Zoom sur une région du pôle Nord de Pluton

Zoom de la région "2" de la figure 5.

Sur ce zoom, on retrouve les réseaux qui ressemblent à des réseaux hydrographiques. La région est parsemée de dépressions assez vastes, non circulaires et à fond plat. Elle est aussi perforée de lignes de "puits" alignés faisant penser à des catenae (alignements de cratères d'impacts dus à la chute de météorites fragmentées en multiples morceaux). Cette interprétation en termes de catena ne tient pas, car on voit très bien que ces puits sont alignés sur des fractures. Ce pourrait être des entonnoirs de soutirage, des orifices de dégazage-sublimation… La teinte rouge de ces "puits" montre que leurs parois et leur fond n'ont pas la même composition que les environs, ce qui favorise l'hypothèse de dégazage-sublimation.


Figure 10. Exemples terrestre et martien de "puits" alignés n'étant pas dus aux impacts d'une météorite fragmentée ( catena )

Exemples terrestre et martien de "puits" alignés n'étant pas dus aux impacts d'une météorite fragmentée (catena)

Sur Terre (à gauche), il s'agit d'entonnoirs de soutirage (de cendres volcaniques) à l'aplomb d'une fissure ouverte (que l'on voit au fond de l'image) au niveau du rift islandais.

Sur Mars (à droite), il s'agit de dépressions (soutirage, thermokarst… ?) alignées le long de failles normales bordant des grabens.


Figure 11. Vue d'ensemble de Tartarus Dorsa (en haut à droite de l'image globale de Pluton)

Vue d'ensemble de Tartarus Dorsa (en haut à droite de l'image globale de Pluton)

Il s'agit de reliefs positifs dessinant comme des ondulations à grand rayon de courbure, et séparés par des fossés. La surface de ces ondulations ne contient aucun cratère (et est donc "jeune") et ressemble à de la "peau de serpent" ( snakeskin terrain ). Des dépressions à fond totalement plat sont visibles entre les ondulations. Une telle morphologie n'avait encore jamais été vue dans le système solaire, et a stupéfait l'équipe de New Horizons  : « [this] image [...]has astonished New Horizons team members […]. It looks more like tree bark or dragon scales than geology. This'll really take time to figure out; maybe it's some combination of internal tectonic forces and ice sublimation driven by Pluto's faint sunlight » (News - NASA/JHUAPL/SwRI du 24/09/2015).


Figure 12. Vue de détail de Tartarus Dorsa (en haut à droite de l'image globale de Pluton)

Vue de détail de Tartarus Dorsa (en haut à droite de l'image globale de Pluton)

Il s'agit de reliefs positifs dessinant comme des ondulations à grand rayon de courbure, et séparés par des fossés. La surface de ces ondulations ne contient aucun cratère (et est donc "jeune") et ressemble à de la "peau de serpent" ( snakeskin terrain ). Des dépressions à fond totalement plat sont visibles entre les ondulations. Une telle morphologie n'avait encore jamais été vue dans le système solaire, et a stupéfait l'équipe de New Horizons  : « [this] image [...]has astonished New Horizons team members […]. It looks more like tree bark or dragon scales than geology. This'll really take time to figure out; maybe it's some combination of internal tectonic forces and ice sublimation driven by Pluto's faint sunlight » (News - NASA/JHUAPL/SwRI du 24/09/2015).


Figure 13. Vue oblique sur l'Ouest de Sputnik Planum (centre de l'image globale de Pluton)

Vue oblique sur l'Ouest de Sputnik Planum (centre de l'image globale de Pluton)

La région faite de "blocs" plus ou moins basculés et juxtaposés s'appelle Al-Idrisi Montes . Noter la "dépression" blanche et plate (flèche noire) juste devant Al-Idrisi Montes .


Figure 14. Vue verticale détaillée, en fausses couleurs, de la région des Al-Idrisi Montes , Pluton

Vue verticale détaillée, en fausses couleurs, de la région des Al-Idrisi Montes, Pluton

Les terrains "rugueux" compris entre les blocs basculés sont "rouges" et n'ont donc pas la même composition chimique que les blocs. À droite, Sputnik Planum . Au centre gauche des Al-Idrisi Montes , on retrouve cette dépression (flèche noire de la figure précédente, voir détail figure suivante) qui n'a pas la même composition chimique que les terrains qui l'environnent.


Figure 15. Images en noir et blanc et en fausses couleurs de la dépression signalée vers les Al-Idrisi Montes , Pluton

Images en noir et blanc et en fausses couleurs de la dépression signalée vers les Al-Idrisi Montes, Pluton

Cette dépression (l'éclairage vient de gauche) comprend deux parties, toutes deux très claires et avec très peu de couleur rouge dans l'image en fausses couleurs, contrairement aux terrains environnant : une partie centrale très lisse, avec des structures concentriques internes parallèles, une partie périphérique plus claire, souvent avec un micro-relief irrégulier, et présentant aussi localement une structuration concentrique. Bien sûr comparaison n'est pas raison, mais cette structure fait penser à un "lac" entièrement "asséché" avec les terrasses de retrait encore visibles.

La présence d'un possible lac pose les mêmes problèmes que les possibles réseaux hydrographiques : quel(s) liquide(s) aurai(en)t pu être stable(s) dans un passé pas si lointain à la surface de Pluton ?


Figure 16. Vue d'un lac tibétain en cours d'assèchement

Vue d'un lac tibétain en cours d'assèchement

Possible analogie de la figure morphologique de la figure précédente.


Images à contre-jour prises au bord ou dans le cône d'ombre de Pluton

Après avoir abordé puis survolé Pluton au-dessus de sa face éclairée, New Horizons a franchi le terminateur (limite jour/nuit, en bas à droite de l'image globale) et a pénétré dans le cône d'ombre de Pluton. Juste avant d'y pénétrer, alors qu'il venait de survoler les Norgay Montes , il s'est "retourné" et a photographié à contre-jour l'atmosphère et le fin croissant de Pluton encore éclairé par le Soleil.

Figure 17. Fin croissant de Pluton surmonté d'une atmosphère que l'éclairage révèle très zonée, avec une douzaine de niveaux de brume superposés

Fin croissant de Pluton surmonté d'une atmosphère que l'éclairage révèle très zonée, avec une douzaine de niveaux de brume superposés

L'image du croissant de Pluton est centrée sur la partie Sud de Sputnik Planum , avec les Norgay Montes juste à gauche.



Figure 19. Zoom sur le terminateur à l'Est de la pointe Sud de Sputnik Planum

Zoom sur le terminateur à l'Est de la pointe Sud de Sputnik Planum

Les "traînées" sombres au milieu de l'image correspondent aux ombres de montagnes obscurcissant une couche de brume située "au ras du sol".


Figure 20. Lumière diffusée par l'atmosphère de Pluton, perçue par New Horizons située dans le cône d'ombre

Lumière diffusée par l'atmosphère de Pluton, perçue par New Horizons située dans le cône d'ombre

Une image en noir et blanc avait déjà été publiée. La NASA en a publié une autre en "vraies couleurs", c'est-à-dire comme la verrait un œil humain. L'atmosphère de Pluton parait alors bleue. Il existe deux types extrêmes de diffusion : une diffusion par des particules très petites devant la longueur d'onde de la lumière (par exemple les molécules N2 de dimension 0,1 nm), et une diffusion par des particules de taille voisine de celle de la longueur d'onde (par exemple des aérosols faits de particules de 0,5 µm, soit 500 nm). Pour une diffusion quasi parallèle à la direction de propagation de la lumière (ce qui est le cas de la lumière reçue de l'atmosphère par New Horizons situé dans le cône d'ombre de Pluton), le premier type de diffusion diffuserait une lumière rougeâtre (c'est pour cela que le soleil couchant sur Terre est rouge). Dans le deuxième cas, la lumière diffusée est blanc-bleutée. L'atmosphère de Pluton contient donc des aérosols de macro-molécules, sans doute des tholins (grosses molécules organiques azotées).


Figure 21. Structures ressemblant à des glaciers, s'écoulant de droite à gauche, vers Sputnik Planum

Structures ressemblant à des glaciers, s'écoulant de droite à gauche, vers Sputnik Planum

Cette image est prise au Sud-Est de Sputnik Planum . On connaissait déjà des structures ressemblant à des écoulements au Nord et à l'Ouest de Sputnik Planum . Mais ces écoulements allaient de Sputnik Planum vers ses bordures. Ici, il s'agit donc d'une situation inverse. Si ce sont bien des glaciers (de glace d'azote, sans doute), le cycle de l'azote sur Pluton doit être bien complexe.


Figure 22. Vue "verticale" du secteur des glaciers au Sud-Est de Sputnik Planum

Vue "verticale" du secteur des glaciers au Sud-Est de Sputnik Planum

La figure précédente correspond à ce qui serait vu par l'œil dessiné ici.


Figure 23. Image (brute et interprétée) des gaciers ci-dessus, prise en vue oblique (figure 21) puis projetée sur une vue verticale

Image (brute et interprétée) des gaciers ci-dessus, prise en vue oblique (figure 21) puis projetée sur une vue verticale

Cette projection permet de bien visualiser les figures morphologiques ressemblant à des glaciers.


Données des études spectrales

La NASA a publié deux résultats concernant la composition chimique de la surface de Pluton : une carte de la répartition du méthane couvrant la moitié de la face éclairée, et une carte de la répartition de la glace d'H2O dans le secteur du cratère Eliot

Figure 24. Intensité des bandes spectrales du méthane sur une partie de Pluton

Intensité des bandes spectrales du méthane sur une partie de Pluton

Les régions violettes correspondent aux régions riches en glace de méthane, les régions sombres étant pauvres en méthane. Il y a des régions riches en méthane ( Sputnik Planum , les terrains montagneuses au Sud de Cthulhu Regio …), des régions très pauvres comme Cthulhu Regio et des régions "intermédiaires". La flèche blanche localise le "peut-être lac asséché" de la figure 15. Cela ne correspond pas à une intense tache violette. La région de ce possible "lac" ne contient pas beaucoup de glace de méthane.


Figure 25. Pluton, région du cratère Eliot , image fausses couleurs et localisation de la glace d'eau

Pluton, région du cratère Eliot, image fausses couleurs et localisation de la glace d'eau

En haut, image fausses couleurs de la région du cratère Eliot (d'après la figure 1). On peut noter que le fossé Virgil qui le traverse est très nettement de couleur rouge, ainsi que d'autres régions en haut au centre ainsi qu'au centre droit.

En bas, les régions colorées en bleu sont très riches en glace d'H2O à l'affleurement. Le secteur le plus riche semble être Virgil Fossa . Au moins dans cette région, la couleur rouge sur l'image globale en fausses couleurs indiquerait une richesse en glace d'H2O. On peut alors regarder les figures 4, 8 et 9, 14, 15 en supposant que les affleurements rouges sont riches en glace d'H2O.


Charon en moyenne et haute résolution et fausses couleurs

La NASA a également publié une image globale de Charon en fausses couleurs et moyenne résolution, et une autre image, partielle, en résolution encore meilleure. Charon se révèle différent de Pluton, mais presque aussi compliqué et avec une histoire géologique mouvementée.

Figure 26. Image globale de Charon en fausses couleurs

Image globale de Charon en fausses couleurs

Ce qui frappe dans cette vue d'ensemble, c'est la grosse tache brun-rouge près du pôle Nord (composition chimique différente du reste), le système de falaises et de canyons sub-équatoriaux ( Macross Chasma à gauche, Serenity Chasma à droite) et la plaine plus lisse au Sud de ces falaises.


Figure 27. Charon, zoom sur Serenity Chasma

Charon, zoom sur Serenity Chasma

Il s'agit d'un ensemble de fossés, grabens et falaises. Certains cratères sont recoupés par ces accidents, mais la majorité des cratères semblent les recouper. Ces accidents ont donc "un certain âge", plus ancien que la majorité des fossae de Pluton qui recoupent plus de cratères que ceux de Charon.

Au centre droit de l'image, on voit une dépression qui ressemble plus à un nombril qu'à autre chose de connu.


Figure 28. Gros plan sur le milieu de Serenity Chasma , Charon

Gros plan sur le milieu de Serenity Chasma, Charon

On voit bien (à cette résolution) que la majorité des cratères semblent recouper les falaises et autres grabens.


Figure 29. Gros plan sur le terminateur de Charon

Gros plan sur le terminateur de Charon

On observe un ensemble de fossés étroits et une dépression qui ne ressemble pas à un cratère d'impact (un nombril), dépression occupée en son centre par une "montagne" ( Kubrick Mons ).


Figure 30. Téthys et Dioné, autres corps de glace à canyons du système solaire

Charon semble être la "planète" aux canyons. Mais il existe d'autres corps de glace avec de gigantesques canyons. Parmi ceux-ci, deux satellites de Saturne : Téthys (à gauche) et Dioné (à droite), de diamètres respectifs 1072 km et 1120 km, assez voisins du diamètre de Charon (1208 km).


Animations montrant les survols de Pluton et de Charon

Avec des logiciels de traitement d'image 3D, la NASA a réalisé 2 films montrant (1) le survol de Pluton, survol centré sur Sputnik Planum , et (2) le survol de Charon.

Figure 31. Survol de Pluton

Animation mise en ligne le 21/09/2015 sur la page "Vidéos" du site du Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory .


Figure 32. Survol de Charon

Animation mise en ligne le 01/10/2015 sur la page "Photo de science" du site du Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory .


Mots clés : Pluton, Charon, atmosphère de Pluton, glace, réseau hydrographique, New Horizons