Titan, les nouvelles du premier passage rapproché de la sonde Cassini

Pierre Thomas

Laboratoire de Sciences de la Terre / ENS Lyon

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

29/11/2004

Résumé

Mission Cassini-Huygens et observation de Titan, satellite de Saturne. Images issues de la caméra infra-rouge (proche infra-rouge, 1 à 5 µm) et du radar imageur.


Titan, le plus gros satellite de Saturne, est l'objectif principal de la mission Cassini Huygens . Cette sonde américano-européenne a quitté la Terre le 15 octobre 1997. Après un voyage de près de 7 ans, elle s'est mise en orbite autour de Saturne le 1er juillet 2004, autour duquel elle va tourner au moins 4 ans si tout se passe bien. Au cours de ses multiples rotations autour de Saturne, elle va survoler de plus ou moins loin les nombreux satellites de Saturne. Mais son orbite est surtout calculée pour faire un maximum de survols rapprochés de Titan.

Titan, d'un diamètre de 5150 km est un satellite constitué d'un mélange de glaces (H2O) et de silicates + fer (densité de 1,9). Recouvert d'une atmosphère dense et de nuages opaques, sa surface nous est totalement inconnue. Son atmosphère est riche en N2, et contient environ 2 % de méthane. Une chimie organique complexe s'y déroule. Tout cela rend ce satellite particulièrement excitant, et c'est pour cela que la mission Cassini-Huygens a été lancée.

Ce que l'on savait sur Titan et surtout les questions que l'on se posait à son propos ont été développées dans un article du mois de juin 2004 sur Saturne.

En juillet 2004, Cassini a fait un premier passage à 400 000 km de Titan, mais n'a obtenu que des résultats préliminaires de ce survol lointain (voir l'article précédent sur Titan)

Le premier survol rapproché (1100 km d'altitude) a eu lieu le 26 octobre 2004. Cassini dispose de deux types d'instruments pour étudier la surface de Titan : une caméra infra-rouge, et un radar imageur.

Voici les premiers résultats tels que les a communiqués la NASA.

Les résultats de la caméra infra-rouge

Il s'agit d'une caméra qui étudie le proche infra-rouge (entre 1 et 5 micromètres, à ne pas confondre avec l'infra-rouge thermique autour de 15-30 micromètres). Le Soleil rayonne toutes les longueurs d'onde, principalement dans le visible, mais aussi dans l' ultra-violet et le proche infra-rouge. L'atmosphère de Titan est opaque à la quasi totalité de ces longueurs d'onde, sauf quelques rares bandes IR qui traversent l'atmosphère , arrivent au niveau de la surface, et sont plus ou moins réfléchies ou absorbées par cette surface. Le rayonnement réfléchi retraverse l'atmosphère, et est "photographié" par la sonde .

La figure 1 montre Titan vu à 2,112 µm (l'atmosphère absorbe complètement cette longueur d'onde, et le globe de Titan (qui ne renvoie rien à cette longueur d'onde là) paraît uniformément "noir". La figure 2 montre Titan pris à 1,997 µm.

Figure 1. Titan vu à la longueur d'onde de 2,112  µm

Titan vu à la longueur d'onde de 2,112  µm

L'atmosphère absorbe totalement cette longueur d'onde, et le globe de Titan paraît noir.


Figure 2. Titan vu à la longueur d'onde de 1,997 µm

Titan vu à la longueur d'onde de 1,997 µm

L'atmosphère laisse passer cette longueur d'onde. Ce rayonnement atteint le sol, est réfléchi, et enregistré par la caméra de Cassini. On peut "voir" ainsi des détails de la surface de Titan.


Dans ce cas, les rayons IR de cette longueur d'onde traversent l'atmosphère, sont réfléchis (plus ou moins en fonction de l'albédo) et sont captés par la sonde qui transforme cela en image en noir et blanc. Les zones figurées en noir absorbent beaucoup cette longueur d'onde, les zones figurées en blanc les réfléchissent beaucoup. Les images montrées par la suite ont toutes été prises dans des longueurs d'onde pour lesquelles l'atmosphère est transparente.

En s'approchant de Titan, Cassini a imagé des zones avec une résolution croissante lors de l'approche, puis décroissante lors de son éloignement. La sonde a survolé Titan avec le Soleil exactement derrière elle. Il était donc midi au niveau des zones imagées avec une bonne résolution ; il n'y avait alors aucune ombre portée. Les alternances claires et sombres correspondent donc à des zones plus ou moins absorbantes dans l'IR, et pas à des ombres portées . A priori, les zones sombres seraient riches en H2O, bien sûr sous forme de glace vue la température ; les zones claires seraient riches en hydrocarbures.

La figure 3 montre, sur un planisphère de Titan (obtenu avec des image HTS combinées avec celles obtenues lors du survol de juillet), les zones couvertes par ce premier passage rapproché, et la résolution correspondante. La figure 4, montre une image prise pendant l'approche.

Figure 3. Planisphère de Titan dessiné en juillet 2004

Planisphère de Titan dessiné en juillet 2004

Planisphère de Titan dessiné en juillet 2004, utilisant les meilleures images IR- HTS et les images disponibles juste après le premier passage de Cassini. On ne connaît rien des latitudes supérieures à 70°S et 30°N.


Figure 4. Image IR prise pendant l'approche, le 25 octobre 2004

Image IR prise pendant l'approche, le 25 octobre 2004

On devine en bas les nuages de CH4 glacé au dessus du pôle Sud. Vers le haut de la photo, on voit très bien un fort contraste, très net, entre des zones absorbant et réfléchissant les IR.


Les quatre images de la figure 5 montrent les meilleures photographies disponibles juste après ce premier passage du 26 octobre.

La figure 6 montre une image prise lors de l'éloignement.

La figure 7 montre un détail sur le site d'atterrissage prévu de Huygens, le 14 janvier 2005.

La figure 8 montre une mosaïque réalisée par la NASA combinant toutes ses meilleures images, couvrant presque tout l'hémisphère éclairé par le Soleil.

Figure 5. Meilleures photographies de Titan disponibles juste après ce premier passage du 26 octobre2004

Meilleures photographies de Titan disponibles juste après ce premier passage du 26 octobre2004

En bas, une des meilleures images IR, image couvrant une surface de 2000 x 2000 km. Les trois images du haut représentent des agrandissements, d'environ 400 x 400  m.



Figure 7. Le site d'atterrissage du module Huygens sur Titan

Le site d'atterrissage du module Huygens sur Titan

Image détaillée du site d'atterrissage prévu pour le module Huygens (le 14-15 janvier 2005), et sa localisation sur le globe titanien.


Figure 8. Image de Titan centrée sur 15° lat. S et 156° long. O

Image de Titan centrée sur 15° lat. S et 156° long. O

Combinaison des meilleures images IR de Titan, très nettes au centre, de moins en moins nettes vers la périphérie. L'image est centrée sur 15° lat. S et 156° long. O. La région la plus brillante (vers le milieu, légèrement sur la droite) est nommée Xanadu Regio .


Comment interpréter toutes ces images ?

Il y a un fort contraste entre des zones "sombres" c'est-à-dire absorbant l'IR (glace d'eau ?) et des zones claires, c'est-à-dire réfléchissantes (hydrocarbures ?). Le contraste entre ces deux types de zones est parfois très net. On pourrait y voir une "côte", possible limite entre un socle de glace d'H2O et une mer (gelée ou non ?) d'hydrocarbures tels méthane ou éthane.

On ne voit quasiment aucun cratère d'impact ; des processus géologiques affectent et renouvellent la surface, qui est donc géologiquement très jeune .

Les zones claires et sombres sont parfois étroitement imbriquées (figures tectoniques, érosives… ?).

On observe parfois un alignement et un vague parallélisme de ces zones claires et sombres (cf figures 6 et 7) suggérant un mouvement (écoulement type glacier, mouvement éolien ayant formé des dunes ou des zones d'ablations alignées… ?).

Tout cela montre une géologie extrêmement complexe, que ce premier survol révèle, mais ne permet pas de comprendre. Une phrase de la NASA résume cette perplexité : «  Scientists are actively debating what processes may have created the bizarre surface brightness patterns seen here. The images hint at a young surface with, no obvious craters. However, the exact nature of that activity, whether tectonic, wind-blown, fluvial, marine, or volcanic is still to be determined  ».

Rappelons que sur ce satellite de glace, un éventuel volcanisme signifierait fonte du manteau glacé et coulées de lave faite d'H2O liquide. Rappelons aussi que les éventuels fleuves et mers seraient constitués d'hydrocarbures (CH4 et/ou C2H6) liquides.

Le 13 décembre 2004, aura lieu un nouveau survol rapproché, et donc de nouvelles données nous aideront (peut-être) à comprendre ce nouveau monde.

Les données du radar imageur

Le radar de Cassini peut fonctionner en mode "altimétrique", ou en mode imageur.

En mode altimétrique, le radar établit un profil d'altitude le long d'un trajet. La NASA a publié un profil altimétrique, long de 400 km, situé vers +25° lat. N et 5° long. O.

Ce profil est étonnement plat , avec moins de 150 m de dénivelé entre les zones les plus hautes et les plus basses.

Figure 9. Titan : profil altimétrique long de 400 km, vers 25° lat. N et 5° long. O

Titan : profil altimétrique long de 400 km, vers 25° lat. N et 5° long. O

Profil altimétrique long de 400 km, vers 25° lat N et 5° long O. Les "dentelures" du profil ne seraient que du "bruit" et ne reflèteraient donc pas un relief tourmenté. Il n'y a que 150 m de dénivelé entre la partie haute du profil (à gauche) et la "plaine" basse de droite.


Mais c'est surtout de son fonctionnement en mode imageur que l'on attendait des images à haute résolution.

Rappelons qu'une image radar, généralement traduite en divers teintes de noir et blanc n'indique en rien une quelconque teinte ou couleur, mais une plus ou moins grande réflexion des ondes radar. Une surface est figurée en "clair" si elle renvoie bien les ondes radar, ce qui peut être dû à deux facteurs : soit la surface présente une pente dirigée vers l'émetteur radar (la sonde Cassini), soit la surface n'a pas de pente, mais est très rugueuse et irrégulière. À l'opposé une zone apparaît "sombre", si elle ne renvoie pas les ondes radar, soit parce qu'il s'agit d'une pente dirigée à l'opposé de l'émetteur, soit parce que c'est une zone particulièrement lisse et plate. Le noir et blanc d'une image radar n'a donc aucun rapport avec le noir et blanc d'une image IR, et encore moins avec ce que verrait un œil humain si il n'y avait pas de nuage autour de Titan.

La NASA a publié trois images radar ce 26 novembre 2004. Ce sont des images détaillées ne couvrant que 100 à 300 km dans leur plus grande dimension, avec une résolution allant de 300 m à 1 km. Toutes trois sont situées au Nord de la zone couvertes "optiquement" par le HST ou par les deux survols IR de Cassini, là où il n'existe pour l'instant aucune couverture IR. On ne peut donc pas, pour l'instant, re-situer ces images dans un quelconque contexte géologique. La surface couverte par ce premier survol radar ne couvre que 1% de la surface de Titan. À chaque passage rapproché, la sonde couvrira ainsi un tout petit pourcentage de la surface globale. Au bout de ses 40 passages programmés d'ici 2009, nous aurons ainsi une bonne couverture d'une petite moitié de Titan.


Figure 11. Première image radar obtenue sur Titan, d'une distance de 2500 km

Première image radar obtenue sur Titan, d'une distance de 2500 km

L'image couvre une surface de 150 x 150 km, centrée sur 45° lat. N et 30° long. W., la résolution est d'environ 1 km. On ne voit pas grand chose, si ce n'est des régions lisses (sombres) traversées par des "bandes" rugueuses (claires).


Figure 12. Image de Titan de 250 x 478 km, centrée sur 50° lat. N et 54° long. O

Image de Titan de 250 x 478 km, centrée sur 50° lat. N et 54° long. O

L'image a été obtenue à partir d'une altitude de 1600 km. La résolution varie de 300 à 1000 m. Au milieu d'un environnement moyennement rugueux (gris sur l'image) se détachent des traînées très rugueuses (claires) et des tâches particulièrement lisses, donc en noir sur l'image. La NASA fait le commentaire suivant : «  The interconnected dark spots [ …] could conceivably be liquid  ».


Figure 13. Image radar de la surface de Titan prise à 1200 km d'altitude

Image radar de la surface de Titan prise à 1200 km d'altitude

Cette image couvre une surface de 250 x 150 km, avec une résolution de 300 m. Cette "bonne" résolution permet de distinguer une grande variété de types de terrain, avec en particulier de gauche à droite d'énigmatiques lignes sinueuses brillantes (rugueuses) traversant des terrains lisses (sombres), un patchwork de terrains lisses et rugueux, des figures en delta (au sens de la lettre grecque) très rugueuses se connectant à une large bande NS rugueuses, puis tout à droite de nouveaux des terrains lisses. Aucun cratère d'impact n'est visible.


Figure 14. Image originale et interprétation colorée par la NASA d'une vue de la surface de Titan

Image originale et interprétation colorée par la NASA d'une vue de la surface de Titan

En bas, image radar "classique" (figure précédente) . En haut, image utilisant un code de couleurs arbitraire superposé aux différentes "unités de gris", ce qui permet de mieux visualiser les différences de rugosité. La NASA a donné la progression de couleurs suivantes en fonction de la rugosité croissante : vert foncé (le plus lisse), vert clair, turquoise, bleu, violet et rose (le plus rugueux).


 

Que penser de ces images radar ?

Nous ne pouvons que reprendre le commentaire NASA suivant : « les scientifiques sont actuellement en train de discuter activement pour savoir quels processus géologiques ont pu donner ces variétés de terrains et ce bizarres agencement de terrains de rugosité si différente. Ces images montrent une surface géologiquement jeune, avec une (des) forte(s) activité(s) géologique(s) puisqu'il n'y a pas de cratères de météorite indiscutablement visibles. Quoi qu'il en soit, la (les) nature(s) exacte(s) de cette (ces) activité(s) est (sont) encore à déterminer : cela peut être tectonique, éolien, fluviatile, marin, volcanique… ». Comme dans le chapitre précédent, rappelons que sur ce satellite de glace, un éventuel volcanisme signifierait fonte du manteau glacé et coulées de lave faite d'H2O liquide, et que les éventuels fleuves et mers seraient constitués d'hydrocarbures (CH4et/ou C2H6) liquides.

Conclusion

Toutes ces données et images, qu'elles soient infra-rouge ou radar commencent à dévoiler un monde nouveau, étrange, singulier, excitant, et pour l'instant incompréhensible.

Mais n'oublions pas qu'une quarantaine de passages rapprochés de Titan sont prévus dans les 4 à 5 ans qui viennent, et qu'à chaque fois ce seront de nouvelles régions qui vont être imagées, en IR et en radar. Petit à petit, le puzzle va se construire. Prochain rendez vous, le 13 décembre pour le prochain survol (avec publication des images par la NASA dans les jours qui suivent), et bien sûr les 14-15 janvier 2005 pour la traversée de l'atmosphère et l'atterrissage du module Huygens.

Saturne et ses satellites vont nous réserver de bien belles fêtes de fin d'année.