Encelade, le plus surprenant des satellites de Saturne : résultats du survol du 14 juillet 2005

Pierre Thomas

ENS Lyon

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

15/09/2005

Résumé

Sonde Cassini, juillet 2005 : la surface tourmentée d'Encelade, une source de chaleur au pôle Sud, datation des structures nommées "rayures de tigre" à partir de données sur la structure de la glace, une atmosphère riche en vapeur d'eau actuellement localisée au pôle Sud, modèles d'activité d'Encelade.


Les problèmes posés par Encelade

Encelade est un des sept satellites majeurs de Saturne. Ce n'est que le sixième satellite par la taille après Titan (5550 km de diamètre), Rhéa (1530 km), Japet (1440 km), Dioné (1120 km) et Téthys (1050 km). Le diamètre d'Encelade n'est que de 500 km (figure 1) et il n'y a que Mimas comme satellite sphériques d'un diamètre inférieur (390 km). Tous les autres satellites sont tellement petits qu'ils ne sont même pas sphériques.


La densité d'Encelade est comprise entre 1,1 et 1,2.

La surface est extrêmement claire, et presque entièrement dépourvue de silicates.

Si l'on suppose qu'Encelade est composé d'un mélange eau gelée ( ρ = 1) et de silicates (ρ = 3), il faut environ 10% du volume en silicates et 90% en eau pour que la densité globale soit de 1,1-1,2. Si on suppose qu'Encelade est différencié, cela implique qu'il existe un noyau silicaté au centre, représentant 10% du volume, c'est à dire racine cubique de 10% soit 45 % du rayon (115 km), recouvert d'une couche d'eau (+ ou – gelée et impure) représentant 55% du rayon (135 km).

La gravité à la surface d'Encelade est extrêmement faible (6/1000 de la gravité terrestre).

La température superficielle est voisine de –200°C (73K).

On sait depuis les missions Voyager (1981) et cela a été confirmé par les deux survols déjà effectués par Cassini (17 février et 9 mars 2005) qu'Encelade a une géologie extrêmement complexe, "délirante", insoupçonnée et difficilement explicable pour un objet d'aussi petite taille (figures 2 et 3).

Figure 2. Vue générale d'Encelade prise le 9 mars 2005

Vue générale d'Encelade prise le 9 mars 2005

Cette vue montre des régions géologiquement "vieilles" (avec un certain nombre de cratères d'impact) et des régions géologiquement "jeunes", sans cratère d'impact, comme sur toute la partie centrale droite.


Figure 3. Vue de détail d'Encelade prise le 17 février 2005

Vue de détail d'Encelade prise le 17 février 2005

Cette vue montre l'extrême complexité de la géologie d'Encelade (taille de l'image, 300 km de droite à gauche).


Encelade est situé au sein de l'anneau E (figure 4), là où la densité de matière est maximale au sein de cet anneau ténu. Cette coïncidence a été interprétée comme le résultat d'une perte de "poussières" glacées (volcanisme ?) récentes d'Encelade.

Figure 4. Localisation d'Encelade au sein de l'anneau E de Saturne, là où la densité de matière est maximale

Localisation d'Encelade au sein de l'anneau E de Saturne, là où la densité de matière est maximale

La présence d'une atmosphère très ténue a été indirectement déduite des observations magnétiques de février et mars 2005. Une telle atmosphère ne peut pas perdurer sur un corps aussi petit et à aussi faible gravité. Si elle est présente aujourd'hui, c'est qu'elle est récente et n'a pas encore eu le temps de s'échapper dans l'espace. Aucune autre donnée, mises à part les données magnétiques, ne montrait l'existence de cette atmosphère.

On peut avoir plus de détails sur ces données "anciennes" en consultant les anciens articles de Planet-Terre, du plus ancien au plus récent : survols de 1981 (Voyager), survol de février 2005, survol de mars 2005

La trajectoire complexe de Cassini, dont le but principal est d'effectuer 40 survols rapprochés de Titan prévoyait un survol d'Encelade le 14 juillet 2005, à 1000 km d'altitude. En raison de l'intérêt majeur de ce satellite, et en particulier à cause de la possible présence d'une atmosphère ténue, la trajectoire a été déviée et reprogrammée, et le survol s'est fait à seulement 175 km d'altitude. Quels sont les principaux résultats de ce rase-motte ?

Les résultats obtenus par la caméra haute résolution

La trajectoire de Cassini l'a amené à survoler Encelade par le pôle Sud. La NASA a publié une série d'images qui correspondent en fait à une série de zooms photographiés de plus en plus près ( figures 5, 6, 7, 8).

Aux résolutions moyennes (encadré vert) on voit bien ces "rayures de tigre". A haute résolution (encadré rose), on voit bien la surface très tourmentée (tectonique ?) d'Encelade. A très haute résolution (encadré bleu), la morphologie de surface est dominée par des blocs de taille comprise entre 10 et 100 m (la taille d'immeubles d'habitation). L'origine de cette morphologie est pour l'instant parfaitement énigmatique. Aucun cratère n'étant visible dans cette région, cela signifie que ces terrains sont extrêmement jeunes.

D'autres belles images ont été obtenues lors de ce survol, confirmant l'extraordinaire complexité de la surface d'Encelade, complexité résultant de phénomènes (tectoniques, magmatiques ou ...) difficiles à comprendre (figures 9, 10)

Figure 9. Images rapprochées d'Encelade

Images rapprochées d'Encelade

À gauche, aucun cratère d'impact n'est visible (région jeune). À droite, il n'y a aucun cratère en bas de l'image (région jeune), mais on en voit en haut (région plus ancienne). Ces cratères ont, postérieurement à leur formation, été affectés par des structures "tectono-magmatiques".


Figure 10. Croissant d'Encelade pris pendant l'éloignement de la sonde

Croissant d'Encelade pris pendant l'éloignement de la sonde

Mais outre ces images d'une résolution inégalée, ce troisième survol a permis de compléter la couverture d'Encelade, dont on commence à connaître une part notable de la surface.

La NASA a réalisé une carte tectonique préliminaire (figure 11). La géométrie des déformations, au moins les plus récentes et des plus visibles d'entres elles est très particulière : les structures présentent une symétrie par rapport à la direction N-S (l'axe de rotation d'Encelade) et par rapport aux méridiens O et 180° (l'axe du bourrelet des marées) . Cela suggère que rotation d'Encelade sur lui-même et marées interviennent d'une façon ou d'une autre dans la genèse de ces structures.

Figure 11. Cartes tectoniques d'Encelade

Cartes tectoniques d'Encelade

A gauche, l'hémisphère nord, à droite, l'hémisphère Sud. Le bord de chaque carte correspond à l'équateur. En rouge fractures séparant les terrains extrêmement jeunes du pôe Sud des terrains environnants, plus vieux. Ces fractures rouges, dont le tracé global est ondulé, prend plusieurs fois une forme de Y. La "queue" du Y est alors de direction N-S et se continue parfois plus loin que l'équateur (en bleu). Les plus récentes et les plus marquées des fractures, présentes sur les terrains de tous âges ont souvent 2 directions perpendiculaires, NS ou/ou EW. En vert, sont représentées les fractures situées aux longitudes 0 et 180°, c'est à dire situées aux 2 extrémités du bourrelet de marée. Là encore les fractures majeures sont NS ou EW.


L'activité "thermique" actuelle d'Encelade

Lors du survol de juillet 2005, le spectromètre infra-rouge a permis de mesurer la température superficielle d'Encelade au niveau de sa face éclairée par le soleil et de la comparer au modèle théorique . En effet, si la température superficielle ne dépendait que de l'éclairement solaire, c'est là où le soleil est au zénith qu'il fait le plus chaud et là où l'éclairage est rasant qu'il fait le plus froid. En particulier, l'éclairage est rasant au niveau du pôle Sud et la température au pôle Sud devrait être de 70°K (-203°C), contre 80°K (-193°C) là où le soleil est au zénith. La réalité observée est tout autre (figure 12) : c'est au niveau du pôle Sud qu'il fait le plus chaud : 85°K (-188°C). Il y a donc une autre source de chaleur que le Soleil près du pôle Sud.

Figure 12. Comparaison entre la température théorique et la température observée à la surface d'Encelade

Comparaison entre la température théorique et la température observée à la surface d'Encelade

À gauche, température théorique à la surface d'Encelade. À droite, température observée à l'aide du spectromètre infra-rouge (basse résolution). Le pôle Sud est anormalement "chaud".


En utilisant le spectromètre IR au maximum de sa résolution spatiale, on peut localiser avec une précision d'une dizaine de kilomètres la localisation des sources de chaleur : celles-ci se situent au niveau des "rayures de tigre" (figure13).

Figure 13. Profil thermique réalisé par le spectromètre infra-rouge

Profil thermique réalisé par le spectromètre infra-rouge

Chaque carré couvre une surface de 6x6 km. Le chiffre indiqué au dessus de chaque carré indique la température moyenne (en °K) de chaque carré. La température au niveau d'une rayure de tigre est de 10 à 15° supérieure à celle des terrains environnants.


L'âge des rayures du tigre

Les divers instruments de Cassini, en particulier le spectromètre IR travaillant aux environs de 2 mètres permettent de distinguer la cristallinité de la glace. La glace "habituelle" est une substance cristallisée. Et quand on condense en glace de l'eau liquide ou de la vapeur d'eau, il se forme de la glace cristalline. Mais à très basse température et sous l'action de radiations comme les UV solaires, le rayonnement cosmique… cette glace cristalline se transforme superficiellement en glace amorphe, et ce en quelques dizaines d'années. L'essentiel de la surface d'Encelade est principalement en glace amorphe, ce qui est conforme aux prévisions. Par contre, au niveau des rayures de tigres du pôle Sud, la glace est cristalline (figure 14), ce qui montre qu'elle n'a pas encore eu le temps de s'amorphiser. Cette glace a donc été "fabriquée" il y a moins de quelques dizaines d'années. Il y a donc eu, au niveau des rayures de tigre, soit arrivée d'eau liquide (qui a gelé) soit arrivée de vapeur, qui s'est condensée en givre.

Figure 14. Carte de la cristallinité de la glace à la surface d'Encelade

Carte de la cristallinité de la glace à la surface d'Encelade

En grisé, il s'agit de glace majoritairement amorphe. Les zones représentées en bleu correspondent aux affleurements de glace cristalline, qui a donc moins de quelques dizaine d'années. Il y a une parfaite coïncidence entre les rayures de tigres et les zones très jeunes (quelques dizaines d'années au maximum).


La présence d'une atmosphère et sa localisation

La présence d'une atmosphère a été prouvée par des expériences d'occultation d'étoile. Si l'on vise une étoile et que l'on mesure sa luminosité, et si la trajectoire de la sonde amène cette étoile à passer derrière Encelade, la mesure de la variation de la luminosité de l'étoile indiquera la présence ou l'absence d'une atmosphère. Si la luminosité de l'étoile cesse brusquement lorsque l'étoile passe derrière Encelade, alors il n'y a pas d'atmosphère. À l'opposé, si avant la disparition de l'étoile derrière Encelade il y a une atténuation progressive, même légère, de la luminosité de l'étoile, c'est qu'il y a une atmosphère. La situation est bien sur symétrique lorsque l'étoile ressort de derrière Encelade. Et ce 14 juillet 2005, en visant l'étoile Gamma Orionis, Cassini a noté une légère atténuation de la luminosité de l'étoile au voisinage d'Encelade (figure 15). Encelade a bien une atmosphère.

Figure 15. Principe d'une occultation : l'occultation de l'étoile Gamma Orionis par Encelade

Principe d'une occultation : l'occultation de l'étoile Gamma Orionis par Encelade

Le trait bleu figure la trajectoire apparente de l'étoile qui passe derrière Encelade (en réalité, c'est Encelade et Cassini qui se déplacent, et l'étoile qui est fixe). La courbe blanche indique la luminosité de l'étoile (analyse par le spectro-imageur UV), qui est bien sur nulle quand l'étoile passe derrière Encelade. Mais avant de disparaître (et après être ré-apparue), la lumière de l'étoile diminue (et augmente) légèrement. Il y a bien une atmosphère ténue autour d'Encelade.


Une expérience similaire avait été faite quelques jours avant, le 11 juillet, avec l'étoile Bellatrix, l'occultation ayant lieu au dessus du pôle Sud, la région chaude et jeune d'Encelade. La diminution progressive de la luminosité était très apparente. En février 2005, une occultation similaire avec l'étoile Lambda Scorpius, mais qui disparaissait derrière l'équateur d'Encelade n'avait donné qu'une interruption brutale, sans atténuation (figure 16). Soit l'atmosphère n'existait pas en février, ce qui est contraire aux données magnétiques, soit l'atmosphère n'est présente qu'au dessus du pôle Sud.

Figure 16. Comparaison entre l'occultation de l'étoile Lambda Scorpius et l'occultation de Bellatrix au-dessus du pôle Sud

Comparaison entre l'occultation de l'étoile Lambda Scorpius et l'occultation de Bellatrix au-dessus du pôle Sud

L'occultation de l'étoile Lambda Scorpius (à droite, février 2005) ne montre pas de progressivité dans la disparition de la luminosité de l'étoile. L'occultation de Bellatrix au dessus du Pôle Sud (à gauche, juillet 2005) montre au contraire cette progressivité (partie violette de la courbe). Il semble donc qu'il n'y ait une atmosphère qu'au dessus du Pôle Sud d'Encelade (atmosphère représentée par un nuage grisé sur la figure)


Le spectre UV de la lumière de l'étoile traversant l'atmosphère indique qu'elle est principalement faite de vapeur d'eau. La présence et la localisation de cette atmosphère furent confirmées par l'étude du champ magnétique.


La figure 18 montre la carte de la trajectoire de Cassini au dessus du pôle Sud.

Figure 18. Le trajet du survol du 14 juillet 2005 (trait jaune)

Le trajet du survol du 14 juillet 2005 (trait jaune)

Cassini progressait de gauche à droite. Les graduations chiffrées le long de la trajectoire indiquent le nombre de secondes précédant (chiffres négatifs) ou suivant (chiffre positif) le point le plus rapproché d'Encelade (CA = closest approach, à droite de la trajectoire). On voit que ce survol du pôle Sud a duré moins de 3 minutes.


En survolant au plus près le pôle Sud et pour analyser la possible atmosphère (qui n'a été formellement détectée que par l'analyse des données, quelques jours après le survol) Cassini a utilisé son spectromètre de masse (INMS = Ion Neutral Mass Spectrometer) et son analyseur de poussière (CDA = Cosmic Dust Analyzer). Le premier détecteur a détécté de la vapeur d'eau et le deuxième de très fines particules, très vraisemblablement de la poussière de givre d'H2O. La présence maximale de vapeur et de micro-cristaux de givre d'H2O ne se situait pas au niveau du point le plus rapproché de la surface, mais entre ce point et la zone chaude du pôle Sud, suggérant bien que vapeur et micro-cristaux de givre en suspension provenaient bien du pôle Sud.

Figure 19. Les analyses du CDA et IMS lors du survol du Pôle Sud le 14 juillet 2005

Les analyses du CDA et IMS lors du survol du Pôle Sud le 14 juillet 2005

La sonde a noté une augmentation de la quantité de vapeur d'H2O (losanges jaunes) et de microcristaux de givre (losanges bleus). Les maxima ont été détectés juste avant l'approche proximale de la zone chaude du pôle Sud.


Les modèles d'activité d'Encelade

Si on résume ces données, ainsi que celles des survols de février et de mars 2005, on peut dire que :

  • Certains secteurs d'Encelade sont totalement dépourvus de cratères d'impact : un phénomène de renouvellement de la surface a donc eu lieu jusqu'à une époque très récente . C'est au pôle Sud qu'on trouve les terrains les plus jeunes .
  • Les terrains jeunes comme plus anciens montrent des signes de déformations très complexes et extrêmement variées, parfois de type cassant (faille, fracture, rift …) parfois de type ductile (rides, structures de fluage…).
  • Des morphologie en "chaîne de cratères" suggère l'existence d' appareil volcanique (volcanisme d'H2O = cryo-volcanisme).
  • Au niveau du pôle Sud , il existe des zones dont la température est actuellement anormalement chaude .
  • Ces zones anormalement chaudes sont jeunes à échelle humaine ( moins âgées que quelques dizaines d'années ).
  • Ces zones chaudes et très jeunes "émettent" actuellement une atmosphère riche en vapeur d'eau , localisée au dessus du pôle et qui se condense en une suspension de micro-cristaux de glace.

Encelade est donc, avec la Terre, Io et Triton (satellite de Neptune) un des rares corps du système solaire sur lequel on a observé une activité "volcanique" active (Vénus, bien que très probablement actif, n'a jamais montré des signes d'activité visible, comme des panaches de fumée ou l'allongement d'une coulée de lave, pendant les deux années de son survol par Magellan) .

Il se pose alors le problème (1) de la source d'énergie déclenchant cette activité, et (2) les modalités de cette activité, qui implique la présence de liquide pour expliquer le magmatisme.

Si la glace d'Encelade est faite d'eau pure, il faut chauffer l'intérieur d'Encelade à plus de 0°C. Si la glace est faite d'eau "salée", chauffer à –20°C suffit. Si il s'agit de glace ammoniaquée, la fusion partielle peut débuter à –100°C. Le mélange H2O-NH3 présente en effet un eutectique, dont la température de fusion est de –100°C (à la pression atmosphérique). La composition de cet eutectique est d'1/3 d'NH3 pour 2/3 d'H2O

Figure 20. Diagramme montrant la température du liquidus d'un mélange H20-NH3

Diagramme montrant la température du liquidus d'un mélange H20-NH3

Si NH3 pure "gèle" à –80°C et l'eau pure à O°C, un mélange d'1/3 d'NH3 et 2/3 de H2O (l'eutectique) gèle à –100°C. Si, par exemple, la glace d'Encelade contient 3% de NH3, et si on chauffe l'ensemble de cette glace ammoniaquée à –100°C, il y a fusion partielle, avec "fabrication" (1) d'un liquide ayant la composition de l'eutectique et représentant 10% du volume initial de glace, et (2) d'un résidu solide de glace d'H2O pure représentant 90% du volume initial. Voir les explications relatives au calcul précédent.


Mais comment chauffer un aussi petit corps, même à –100°C ?

La radioactivité des silicates n'y suffit pas. La seule possibilité serait l'existence d' interactions gravitaires - semblables à celles qui génèrent les marées - avec les autres satellites. Ces interactions déformeraient Encelade et créeraient une friction interne et donc une source de chaleur. C'est ce qui se passe pour Io, satellite de Jupiter et qui est facilement quantifiable. Pour Encelade, pour l'instant, dans l'état actuel des modèles, cette énergie marémotrice semble insuffisante. Et pourtant … Et pourquoi Encelade est il le seul "moyen" satellite à avoir cette activité débordante. Ces deux voisins immédiats (Mimas et Téthys), qui seraient la source des perturbations gravitaires et qui devraient aussi être déformés ont, dans l'état actuel des connaissances, une activité nulle pour Mimas, très modérée pour Téthys. Et pourquoi cette activité actuelle est maximale au pôle Sud ?

Quant aux modalités de l'activité magmatique, la NASA propose deux modèles, non contradictoires et non incompatibles, qui peuvent avoir lieu simultanément en des lieux différents, ou successivement en un même lieu. Ces modèles impliquent l'existence d'un niveau partiellement liquide ( slurry = "gadoue") en profondeur, entre la couche de glace superficielle et les silicates profonds :

  • soit il s'agit de l'émission de vapeur traversant la glace (modèle 1)
  • soit il s'agit de l'arrivée en surface d'un liquide qui se sublimerait en arrivant dans le vide superficiel.

Il y a donc deux possibilités extrêmes quant à la nature des rayures de tigre :

  • soit ce sont des rifts et fossés dont le fond aurait été envahi d'eau liquide il y a quelques dizaines d'années tout au plus, eau liquide qui se sublimerait (la pression atmosphérique est quasi nulle) et gèlerait quasiment instantanément (la température externe est de –200°C) ;
  • soit ce sont des failles par où serait sortie beaucoup de vapeur d'eau, qui se serait condensée sous forme de givre dans les environs immédiats.

Tous les intermédiaires sont bien sûr possibles.

La détection de vapeur d'eau au dessus du pôle Sud lors de ce troisième survol montre que sublimation d'eau ou de glace encore "chaude" (hypothèse 1) ou émission active de vapeur (hypothèse 2) étaient "fonctionnelles" ce 14 juillet 2005.

Quoi qu'il en soit, Encelade, modeste satellite de Saturne révèle bien des surprises et soulève bien des questions. La nature réelle est souvent bien plus complexe que ne le prévoient théories et modèles. Attendons que la NASA publie les résultats de l'analyse de l'atmosphère (autre qu'H2O) si elle a pu en obtenir. La quantification de la présence de l'ammoniac serait capitale pour confirmer (ou infirmer) ces modèles.

Le trajet de Cassini, programmé jusqu'en mai 2008, prévoit encore un survol d'Encelade, le 12 mars 2008. Attendons cette date avec impatience. Mais peut-être la trajectoire sera t-elle modifiée pour avoir d'autres survols d'Encelade, ou la mission prolongée, si Cassini fonctionne encore bien après mai 2008.

Dans les semaines qui viennent, nous ferons un article sur les résultats de l'été (autres que ceux d'Encelade), résultats concernant Saturne, ses anneaux, Titan, Mimas…