Mots clés : Encelade, Saturne, Rhéa, Japet, occultation d'étoile, mesure / anomalie thermique, ride équatoriale, tache sombre, marée, Io

Volcanisme actif sur Encelade, Japet vu de loin et survol rapproché de Rhéa

Pierre Thomas

ENS Lyon

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

07/12/2005

Résumé

La récolte de la mission Cassini continue. Observation d'un volcanisme actif sur Encelade et discussion de son origine. Des images de Japet (vu de loin) et Rhéa (de près), autres satellites de Saturne.


Fin novembre 2005, Cassini a survolé Japet et Encelade de loin, Rhéa de près.

Encelade

On savait depuis 1981 (mission Voyager) qu'Encelade avait eu une activité géologique récente. Les 3 survols d'Encelade par Cassini (février, mars et juillet 2005) ont révélé un monde complexe, avec des surfaces totalement dépourvues de cratères (donc très jeunes), et une activité tectonique très importante, notamment près du pôle Sud.


Survol de juillet 2004 : indices de volcanisme

Résumons en particulier les résultats du survol de juillet 2004 (voir détail dans l'article sur Encelade du 15 septembre 2005). Les études dans l'infra-rouge ont montré que la région du pôle Sud avait une température de 20°C supérieure à celle des régions environnantes (figure 2). Des données IR précises montraient que les zones à haute température étaient localisées près de failles (figure 3).

Figure 2. Anomalie thermique au pôle Sud d'Encelade

Anomalie thermique au pôle Sud d'Encelade

À gauche : carte de la température de surface, telle que les chercheurs l'avaient modélisée avant les dernières mesures de rayonnement infra-rouge au-dessus du pôle sud. On s'attendait à ce que, comme sur Terre, le Pôle Sud soit plus froid que l'équateur en raison de l'arrivée oblique des rayons du Soleil. Les zones les plus chaudes correspondaient aux régions où le Soleil est au zénith.

À droite : carte de la température de surface, issue des mesures du rayonnement infra-rouge de surface entre 9 et 16,5 μm. L'observation a été réalisée par Cassini à 84.000 km d'Encelade. Les températures à l'équateur sont comparables à celles prédites. En revanche, le Pôle Sud est occupé par une zone chaude, dont la température dépasse de 15-20° c la température prédite.


Figure 3. Localisation des zones chaudes au niveau de failles, pôle Sud d'Encelade

Localisation des zones chaudes au niveau de failles, pôle Sud d'Encelade

Le rayonnement infra-rouge entre 9 et 16,5 μm a été mesuré sur chacune des 10 surfaces carrées. Chaque carré mesure 6 km de côté. Le nombre indique la température de surface (en degrés K) approximative de chaque carré déduite des mesures dans l'infra-rouge.


Des données d'occultation d'étoile indiquaient la présence de dégagement gazeux à l'aplomb du pôle Sud d'Encelade (figure 4).

Figure 4. Mise en évidence d'une atmosphère au-dessus du pôle Sud d'Encelade par occultation d'étoile

Mise en évidence d'une atmosphère au-dessus du pôle Sud d'Encelade par occultation d'étoile

En juillet 2005, le spectromètre imageur UV de Cassini a observé le passage de l'étoile Bellatrix derrière Encelade. La décroissance progressive de la luminosité de l'étoile à l'approche d'Encelade (courbe en rose sur dessin A) a indiqué la présence d'une atmosphère. L'étude du spectre d'absorption de l'étoile a permis d'identifier la présence de vapeur d'eau dans cette atmosphère. Lorsque Bellatrix est sortie de son occultation, aucune décroissance de luminosité n'a été observée ce qui indique que la présence d'une atmosphère riche en vapeur d'eau ne peut être généralisée à la surface d'Encelade, mais est plutôt limitée à la région du pôle Sud.

Cette dernière observation a été confirmée par l'occultation de l'étoile Lambda Scorpius en février 2005, qui n'avait montré qu'une décroissance brutale de la luminosité (courbe en bleue sur dessin B) de l'étoile au moment où celle-ci disparaissait derrière Encelade, au-dessus de l'équateur. Les flèches indiquent le trajet des deux étoiles qui ont été occultées par Encelade.


Tout laissait donc supposer qu'il y avait un volcanisme (volcanisme d'H2O et éventuellement d'hydrocarbures) actif ou très récent dans la région du pôle Sud. Mais il restait à en avoir la preuve par l'image. C'est chose faite depuis le 27 novembre 2005

Survol de novembre 2005 : preuves du volcanisme par l'image

Durant cette journée du 27 novembre 2005, Cassini qui venait de survoler de près Rhéa a tourné ses caméras en direction d'Encelade, alors éloigné de 145.000 km et qui était en position de contre-jour, au voisinage du Soleil. Encelade apparaissait donc comme un disque noir bordé d'un fin croissant lumineux, un peu comme un premier croissant de Lune. Dans cette configuration, le pôle Sud se trouve en bas à gauche du globe, à peu près au centre du croissant lumineux. Cette observation a révélé de fins jets de matière qui s'élèvent à plus de 200 km au-dessus de la surface d'Encelade.


Si ces jets de matières éclairés "à contre-jour" sont lumineux et se détachent sur le ciel noir, c'est qu'ils diffusent la lumière du Soleil, ce qui implique qu'ils sont constitués de micro-particules, vraisemblablement de givre (glace d'H2O ou d'hydrocarbures).

Il y a donc, au-dessus du pôle Sud, soit émission directe d'eau sous forme de jets (type "geysers") , soit arrivée d'eau en surface, eau qui se sublime rapidement pour donner cette éjection de matière.

La NASA parle des "fontaines d'Encelade".

Un des responsable de la NASA privilégie la première solution et dit ce 6 décembre 2005 (voir le texte d'origine) : «  I think what we're seeing are ice particles in jets of water vapor that emanate from pressurized vents. To form the particles and carry them aloft, the vapor must have a certain density, and that implies surprisingly warm temperatures for a cold body like Enceladus  », ce qui se traduit par : « je pense que nous sommes en train de voir des particules de glace dans un jet de vapeur qui émane d'une bouche de sortie sous pression. Pour former des particules et les transporter au loin, la vapeur doit avoir une certaine densité et cela implique une température étonnamment chaude pour un corps froid comme Encelade ».

Un traitement poussé des images montre que ces "jets" diffusent sur une zone énorme, de dimension supérieure au diamètre d'Encelade (figure 6).


En ré-examinant de "vieilles" images et en augmentant considérablement les contrastes, la NASA a retrouvé de telles émissions sur des images prises en janvier 2005 (figure 7). Ce volcanisme peut donc être actif sur des périodes de plus de 6 mois consécutifs.


Origine du volcanisme d'Encelade : le rôle des marées ?

Ce "volcanisme" sur un corps aussi petit pose des problèmes. Il faut, en effet, trouver une source d'énergie pour fondre le manteau glacé de ce petit satellite, même si ce manteau est fait de glace d'H2O ammoniaquée qui peut fondre à –103°C. La seule possibilité raisonnable, c'est une déformation périodique du globe d'Encelade par les marées, déformation entraînant frictions internes donc dégagement d'énergie.

À cause des forces de marées, Encelade a une forme d'ellipsoïde dont le grand axe est dirigé vers Saturne. On parle de bourrelet de marée. Encelade faisant un tour sur lui-même pendant qu'il fait un tour autour de Saturne (en 32,88 heures), c'est toujours la même face qui est dirigée vers Saturne, comme dans le cas de la Lune vis à vis de la Terre. Il n'y a donc pas de mouvement relatif entre le globe d'Encelade et son bourrelet (fig 8).

Figure 8. Cas idéal de la rotation d'Encelade (ellipsoïde rouge et bleu) autour de Saturne (cercle et anneaux jaunes) sur une orbite circulaire (vue polaire)

Cas idéal de la rotation d'Encelade (ellipsoïde rouge et bleu) autour de Saturne (cercle et anneaux jaunes) sur une orbite circulaire (vue polaire)

Encelade est déformé par les marées. Arbitrairement, nous lui avons assigné une face bleue et une face rouge avec en son centre une "montagne". Rotation et révolution étant synchronisées, c'est toujours la face rouge et sa montagne qui pointent vers Saturne.


Mais la présence des autres satellites et les résonances entre les périodes orbitales d'Encelade, de Mimas et de Téthys entraînent une ellipticité forcée de l'orbite d'Encelade.

La distance Encelade-Saturne varie donc, ce qui entraîne une variation de l'amplitude du bourrelet de marée. Le globe d'Encelade change donc périodiquement d'allongement (fig 9). Cette variation d'allongement du globe d'Encelade est une source de friction interne, donc de dégagement de chaleur.

Figure 9. Schéma très simplifié montrant variation d'amplitude de la taille du bourrelet de marée à cause de l'ellipticité et de la déformation (forcées) de l'orbite d'Encelade

Schéma très simplifié montrant variation d'amplitude de la taille du bourrelet de marée à cause de l'ellipticité et de la déformation (forcées) de l'orbite d'Encelade

Notez que la géométrie exacte de l'orbite d'Encelade est plus complexe que l'ellipse régulière dessinée ici.


Mais la situation est encore plus complexe !

En effet la vitesse de révolution d'Encelade est variable à cause des lois de Kepler. Dans notre schéma, c'est à droite (position 1) qu'il tourne le moins vite autour de Saturne, et à gauche (position 2) le plus vite. Par contre, sa vitesse de rotation sur lui-même est constante.


Pour comprendre, partons le la position 1 de la figure ci-dessous.

Le bourrelet, la face rouge et sa montagne sont dirigés vers Saturne.

Un quart de période (8,22 heures) plus tard (position 2), Encelade a fait moins d'1/4 de tour autour de Saturne (il va lentement), mais déjà 1/4 de tour sur lui-même. La face rouge et sa montagne ont donc fait 1/4 de tour : ils sont dirigés vers "le bas". Par contre, le bourrelet est toujours dirigé vers Saturne, donc décalé par rapport et à la face rouge et à sa montagne. Le bourrelet a pris de l'avance par rapport à la montagne.

1/ 4 de tour après (position 3), la face rouge et sa montagne ont encore fait 1/ 4 tour, et se retrouvent alignés avec le bourrelet. Encore 1/ 4 de tour plus tard (position 3) un décalage se reproduit, pour re-disparaître au bout d'un tour complet (position 4).

Il y a donc mouvement relatif entre le globe d'Encelade (avec ses faces rouge et bleue et sa montagne) et le bourrelet de marées. Ce deuxième mouvement s'ajoute au premier (variation de l'amplitude du bourrelet) pour créer friction interne et dégagement de chaleur.

On peut remarquer que la situation est la même pour Io, satellite de Jupiter. Dans ce cas, des calculs théoriques effectués avant les missions Voyager avaient prévu le fort dégagement d'énergie interne et le volcanisme actif. Dans le cas d'Encelade, les calculs montrent que ce dégagement d'énergie interne est à peine suffisant, et pourtant… (Voir dossier sur le volcanisme dans le système solaire, dossier qui date déjà de 5 ans).

Volcanisme sur d'autres satellites

Pour conclure ce chapitre sur le volcanisme, montrons trois belles images du volcanisme actif de Io, satellite de Jupiter, le seul volcanisme (avec celui de la Terre) pour lequel on a pu photographier du magma (silicaté) liquide et "incandescent". En effet, sur Triton où il y a des émissions volcaniques d'azote (cf. photojournal.jpl.nasa.gov/), et sur Encelade, on n'a jamais pu photographier de "magmas" liquides, et seuls ont pu être photographiées les émissions de gaz ou de givre.


Figure 12. Déplacement d'une éruption volcanique sur Io entre novembre 1999 et février 2000

Déplacement d'une éruption volcanique sur Io entre novembre 1999 et février 2000

On voit très nettement le déplacement des zones éruptives et des fontaines de lave incandescente vers la gauche pendant les deux mois qui séparent ces deux prises de vue de Galiléo.


Figure 13. Image Infra Rouge (à gauche) et en lumière visible (à droite) montrant la très haute température de certains volcans de Io

Image Infra Rouge (à gauche) et en lumière visible (à droite) montrant la très haute température de certains volcans de Io

La zone blanche au sein de la tache rouge nommée L est à 1250°C.


Japet

Cassini a survolé de loin (415.000 km) Japet le 12 novembre 2005.

Figure 14. Vue générale de Japet, satellite de Saturne

Vue générale de Japet, satellite de Saturne

On repère la ride équatoriale (flèches rouges) au centre de la "tache sombre" de Japet.


La NASA publie aussi un film de ce survol lointain de Japet.

Ce survol n'apporte pas de renseignements franchement nouveaux par rapport aux précédents survols voir l'article du 14 janvier 2005) mais confirme magnifiquement que la "Ride Equatoriale" est au centre de la "Tache Noire".

Rhéa

Rhéa était le dernier des satellites majeurs de Saturne à ne pas avoir encore été survolé de près par Cassini. Ce premier survol rapproché a eu lieu le 26 novembre 2005.

La figure 15 montre une vue générale, et la figure 16 une vue oblique très rapprochée. Un examen rapide des images de ce premier survol rapproché montre un satellite criblé de cratères, sans grande activité géologique manifeste (au moins dans la région survolée). Seules des "dépressions linéaires" suggèrent l'existence de failles.


Figure 16. Vue détaillée oblique de la surface cratérisée de Rhéa

Vue détaillée oblique de la surface cratérisée de Rhéa

Deux dépressions linéaires sont visibles, l'une en bas un peu à droite, et l'autre en haut au centre.


Et pourtant, bien que montrant une très faible activité géologique, Rhéa est le plus gros des satellites moyens de Saturne (1528 km de diamètre), trois fois plus grand en diamètre (donc 27 fois plus important en masse) qu'Encelade. Et c'est pourtant le petit satellite qui est actif, pas le gros.

Pour illustrer la variété d'activité des six satellites moyens de Saturne (Mimas, Encelade, Téthys, Dioné, Rhéa et Japet), et pour "fêter" cette formidable année 2005, la NASA publie un montage de quatre images de quatre de ces satellites prises en 2005. Une belle carte de "bonne année"!

Figure 17. Les vœux saturniens de la NASA

Les vœux saturniens de la NASA

Mots clés : Encelade, Saturne, Rhéa, Japet, occultation d'étoile, mesure / anomalie thermique, ride équatoriale, tache sombre, marée, Io