L'eau dans le système solaire

Pierre Thomas

ENS Lyon - Laboratoire de Géologie de Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

21/12/2019

Résumé

Abondance de l'eau dans l'Univers, présence dans les différents corps du système solaire et conditions nécessaires à la synthèse de molécules prébiotiques.


L'eau, bien sûr, est présente sur Terre. Elle est présente sous forme de glace dans les cratères polaires de la Lune et de Mercure, et d'un peu de vapeur d'eau dans l'atmosphère de Vénus. Mars possède de la vapeur d'eau atmosphérique, deux calottes polaires, et de la glace d'eau dans son sous-sol ; de l'eau liquide y coulait à la surface dans un passé lointain. Les comètes, Pluton, les satellites des planètes externes sont majoritairement constitués de glace. Sept de ces corps lointains possèdent des océans sous-glaciaires, dont ceux d'Europe et d'Encelade qui ont des conditions qui y permettraient la vie.

L'eau dans l'Univers et dans les systèmes planétaires : la théorie

Juste après le Big Bang, l'Univers n'était constitué que d'hydrogène, d'hélium et d'un soupçon de lithium. Quelques centaines de millions d'années plus tard, se sont formées les étoiles et les galaxies. Dans ces étoiles, des réactions nucléaires ont formé tous les éléments plus lourds. Le résultat, 13,8 milliards d'années plus tard, est un univers, formé principalement d'hydrogène et d'hélium, mais avec aussi de l'oxygène, du silicium, du magnésium…

Figure 1. Composition chimique actuelle approximative de l'Univers

Composition chimique actuelle approximative de l'Univers

La composition d'il y a 4,6 Ga, quand s'est formé le système solaire, ne devait pas être très différente, avec un peu plus d'hydrogène et un peu moins d'éléments plus lourds que l'hélium. L'oxygène est le troisième élément en abondance, et l'hydrogène le premier. L'oxygène peut réagir avec tous les éléments “oxydables” (Mg, Fe, Si… et aussi C et H). Mais vu les abondances, l'oxyde d'hydrogène (H2O) est beaucoup plus abondant que les oxydes de silicium, de magnésium… (qui s'associent pour former des silicates comme l'olivine [(Fe, Mg)2 SiO4] ou que les oxydes de carbone [CO et CO2]. L'eau est également beaucoup plus abondante que les “hydrures” de carbone ou d'azote [méthane (CH4), ammoniac (NH3)]. Les mesures spectrales des nébuleuses et autres objets de l'Univers confirment que l'eau (H2O) est la deuxième molécule pluri-atomique la plus abondante de l'Univers, après H2.


Une étoile se forme par effondrement gravitaire d'un nuage de gaz et de poussières ayant globalement la composition de l'Univers (cf. figure 1). À proximité du cœur du nuage qui va devenir l'étoile centrale, la température est élevée. Seuls silicates et fer sont sous forme de poussière solides, flottant dans du gaz constitué d'H2 et d'He, avec des traces de vapeur d'eau, de méthane, d'ammoniac… Dans les parties externes du nuage, la température est très basse, et H2O surtout, mais aussi CH4, NH3… sont sous forme de cristaux de givre solides, associés aux autres solides que sont silicates et fer. Sauf cas particulier, le givre d'H2O correspond à au moins la moitié de la masse de toutes ces poussières.

Les planètes et leurs satellites se font formés par accrétion de ces poussières. Les corps solides accrétés près de l'étoile centrale doivent donc théoriquement être quasi anhydres, formés de silicates (très peu hydratés) et de fer. La chaleur d'accrétion a dû faire s'échapper la majorité du peu d'eau initialement présent dans les silicates. Les corps solides accrétés loin de l'étoile centrale doivent être majoritairement constitués de glace d'eau, avec en plus un peu de glace d'ammoniac, de méthane…, et aussi un mélange fer + silicates (pour une masse inférieure à 50 % de la masse totale). Les plus gros de ces corps majoritairement faits de glace ont pu attirer l'hydrogène et l'hélium de la nébuleuse en effondrement et se sont retrouvés entourés d'une épaisse couche de gaz. Ainsi ont dû naitre des planètes dites géantes ou gazeuses.

Immédiatement après que les planètes majeures se sont formées, les masses des éventuelles planètes géantes ont pu perturber les orbites de multiples petits corps externes, non encore accrétés en planètes majeures, corps très riches en glace. Ces corps glacés ont pu tomber sur les corps du système stellaire interne et ont pu y apporter pendant quelques dizaines de millions d'années une faible quantité d'“eau additionnelle”, ainsi que d'autres volatils (CH4 …). On parle de « vernis tardif ».

Figure 2. Représentation d'artiste de la formation d'un système planétaire autour d'une étoile

Représentation d'artiste de la formation d'un système planétaire autour d'une étoile

L'accrétion des poussières de la zone centrale a dû donner des planètes (et satellites) anhydres. L'accrétion des poussières en zone périphérique a dû donner des planètes et satellites très riches en H2O. Les plus gros de ces corps externes se sont entourés d'hydrogène et d'hélium et sont devenus des planètes géantes.


L'eau dans le système solaire interne

La Terre est très pauvre en eau. Elle contient environ 1021 kg d'eau, soit 0,1 % des 1024 kg qui constituent la masse de la Terre. La moitié environ de cette eau forme les océans (5/7 de la surface de la Terre, mais sur seulement 4 à 5 km d'épaisseur alors que le rayon de la Terre mesure 6371 km). L'autre moitié est dispersée, contenue dans les minéraux des roches, en particulier celles du manteau qui en contiennent entre 0,1 et 0,5 ‰.

Cette pauvreté de la Terre en eau s'explique par son origine. Quand la Terre s'est formée, elle a dû se faire par accrétion de poussières et de petits corps assez proches du Soleil en formation, poussières et petits corps pauvres en eau.

Une bonne partie de cette eau dite primordiale a dû s'échapper dans l'espace lors de l'accrétion, à cause de la chaleur dégagée par cette accrétion, et à cause du choc qui a formé la Lune 50 à 100 millions d'année après la formation de la Terre. Mais le “vernis tardif” a dû apporter de l'eau supplémentaire à celle qui restait après la formation de la Lune. On espère que des études géochimiques permettront d'évaluer les parts respectives entre l'eau primordiale (très probablement très minoritaire) et l'eau “tardive” probablement très majoritaire.

Mercure et la Lune, avec une gravité faible et une température diurne largement supérieure à 100°C n'ont pas pu retenir l'eau arrivée juste après leur formation. Mais Lune et Mercure reçoivent encore depuis cette époque reculée des petits corps venant de la ceinture d'astéroïdes (météorites, dont certaines contiennent quelques pourcents d'eau) et du système solaire externe (comètes, majoritairement faites de glace). Cette faible quantité d'eau “tardive” peut subsister dans le fond des cratères polaires qui ne sont jamais éclairés par le Soleil et qui ont en permanence une température inférieure à −200°C. Les sondes Messenger (sur Mercure) et LCROSS (sur la Lune) ont effectivement détecté cette glace d'eau dans les cratères polaires. La sonde LCROSS a évalué la teneur en glace de la poussière du fond des cratères polaires à environ 5 %.

Sur Vénus, il n'y a évidemment ni eau liquide ni glace en surface car la température superficielle y est de +460°C. La vapeur d'eau correspond à moins de 1 ‰ de la très importante atmosphère. Vénus a pourtant dû recevoir autant d'eau que la Terre. Mais entièrement sous forme de vapeur, elle a été photodissociée par les ultra-violets solaires, et H2 et O2 résultant de cette dissociation sont partis dans l'espace.

Sur Mars, la quantité d'eau est intermédiaire entre celle de la Terre et celle de Vénus. La faible gravité martienne a “laissé partir” une majorité de l'eau. La température moyenne (−60°C) et la faible pression (6 hPa, soit 0,6 % de la pression terrestre) ne permettent pas la présence d'eau liquide en surface. Mais il reste un peu de vapeur d'eau dans l'atmosphère (0,03 %), vapeur qui précipite en givre toutes les nuits d'hiver. Il y a deux grandes calottes de glace aux pôles, majoritairement faites de glace d'eau, bien que recouverte de quelques mètres de glace carbonique pour la calotte Sud. Si ces calottes fondaient, cela recouvrirait la surface de Mars d'une trentaine de mètres d'eau liquide. Il y a aussi beaucoup de glace d'eau piégée dans les pores et les fractures du sous-sol, à une profondeur de quelques dizaines de mètres à l'équateur, beaucoup moins dans les hautes latitudes. La sonde Phoenix qui s'est posée par 68° de latitude Nord a trouvé de la glace d'eau en creusant une petite tranchée de quelques centimètres de profondeur. Il est probable que cette glace soit fondue à partir de quelques kilomètres de profondeur, et que le sous-sol profond martien soit imbibé d'eau liquide aujourd'hui. S'il n'y a plus d'eau liquide aujourd'hui sur Mars, il y en a eu pendant le premier milliard d'années de l'histoire de Mars. Les sondes en orbite révèlent que des rivières coulaient sur Mars et se jetaient dans des lacs et dans un océan. Ces mêmes sondes révèlent, par études infra-rouges, la présence de nombreux minéraux hydratés, comme des argiles, du gypse... Les robots de la NASA qui se sont posés au sol ont analysé ces mêmes minéraux, et ont trouvé des couches sédimentaires et autres éléments morphologiques prouvant l'existence d'eau liquide dans un passé lointain. La perte progressive de l'atmosphère due à la faible gravité à fait baisser pression, effet de serre et température, et Mars s'est elle-même “mise au congélateur” depuis 3 milliards d'années.


L'eau dans le système solaire externe (température externe inférieure à −150°C)

Les noyaux des quatre planètes géantes (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) sont théoriquement très riches en glace d'eau, glace de haute pression et de haute température, comme on peut en faire dans les laboratoires terrestres en comprimant de l'eau à quelques dizaines de milliers d'atmosphères. Mais ces noyaux n'ont jamais pu être analysés ni directement, ni indirectement. La surface des nuages qui enveloppent ces planètes contient un peu de vapeur d'eau dispersée dans l'hydrogène et l'hélium dominants, 0,1 % dans le cas de Jupiter. Et, à l'exception notable de Io (satellite de Jupiter) qui est constitué de roches, tous les satellites des planètes géantes, Pluton et Charon, les comètes… tous ont une surface au moins partiellement constituée de glace d'eau d'après les études spectrales. Tous, sauf Europe (autre satellite de Jupiter), ont une faible masse volumique, comprise entre 1000 et 2220 kg/m3, ce qui indique qu'H2O constitue entre 30 et 90 % de leur masse. À tous ces satellites, planètes naines, objets transneptuniens et autres comètes, on peut rajouter certains astéroïdes, dont le plus gros d'entre eux, Cérès, qui contient une proportion notable d'eau (sous forme de glace) dans son manteau.

Les plus petits de ces corps, les comètes et les très nombreux petits satellites de taille inférieure à 400 km, sont des “patatoïdes” de glace, comme par exemple la cinquantaine de satellites de Saturne découverts par la mission Cassini. Les comètes qui s'approchent périodiquement du Soleil du fait de leur orbite très elliptique se subliment partiellement lors de ces passages près du Soleil. Les gaz issus de cette sublimation sont majoritairement composés de vapeur d'eau, environ 80 % pour la comète Churyumov-Gerasimenko étudiée par la mission européenne Rosetta. Et les particules formant les anneaux des planètes géantes sont aussi majoritairement composées de glace d'eau.

Figure 4. La comète 67P/Churyumov-Gerasimenko mesure 5 km dans sa plus grande dimension

La comète 67P/Churyumov-Gerasimenko mesure 5 km dans sa plus grande dimension

De forme bilobée, “Chury” est constituée d'un mélange de glace d'H2O, de CO, de CH4… et de nombreuses autres grosses molécules carbonées. Son orbite l'amène à passer près du Soleil tous les 6,5 ans. Cette proximité avec le Soleil réchauffe les glaces qui se subliment. La comète émet alors des jets que la sonde Rosetta a pu analyser. H2O constitue 80 % (en masse) de ces jets.


Dix-sept corps de diamètre supérieur à 400 km, de forme sphérique et dont la masse volumique est inférieure ou égale à 2000 kg/m3 ont été survolés par divers sondes de la NASA (Voyager 1 et 2, Galileo, Cassini, New Horizons) parties explorer le système solaire externe. Les faibles valeurs de ces masses volumiques montrent que la proportion de glace (masse volumique voisine de 1000 kg/m3) y est au moins égale à celle des roches (masse volumique voisine de 3000 à 3500 kg/m3). C'est le cas de deux des quatre “gros” satellites de Jupiter, ainsi que des sept satellites majeurs de Saturne, des cinq d'Uranus, de celui de Neptune, ainsi que de la planète naine Pluton et de son satellite Charon. La structure interne de ces corps doit être bâtie sur le même modèle : un noyau central de roches, recouvert d'une couche d'H2O occupant entre le quart et les trois quarts supérieurs du rayon. Le cas d'Europe, satellite de Jupiter, est différent. De masse volumique 3010 kg/m3, c'est une sphère de roches (et de fer) d'environ 1500 km de rayon, surmontée d'une couche d'H2O d'environ 100 km d'épaisseur.

Sous quels états est l'eau dans ces dix-huit satellites et planète naine ? La surface, vu la température externe, est toujours constituée de glace. Et l'intérieur ? Cela dépend de leur taille, et de l'énergie interne dont ils disposent (énergie radioactive et énergie de marées) qui conditionnent la température interne. Les onze plus petits doivent être intégralement gelés, de la surface jusqu'au sommet de leur noyau, même si leur glace peut être sujette à des mouvements solides, comme la glace des glaciers terrestres. Les cinq plus gros corps majoritairement constitués de glace (Ganymède, Callisto, Titan, Triton et Pluton) doivent être partiellement fondus à l'intérieur du fait de la chaleur interne. De l'extérieur vers l'intérieur, ils doivent être constitués (1) d'une couche glace de quelques centaines de kilomètres d'épaisseur, (2) d'une couche d'eau liquide elle aussi de quelques centaines de kilomètres d'épaisseur, (3) d'une autre couche de glace elle aussi de quelques centaine de kilomètres d'épaisseur, de glace de haute pression, l'eau liquide gelant à une température > 0°C sous le poids des couches supérieures, (4) d'un noyau fait de roches silicatées (et de fer).

Figure 5. Vue globale de Ganymède, satellite de Jupiter, d'un diamètre de 5262 km, et d'une masse volumique de 1940 kg/m³

Vue globale de Ganymède, satellite de Jupiter, d'un diamètre de 5262 km, et d'une masse volumique de 1940 kg/m³

Les bandes claires sont constituées de glace d'H2O assez pure, les bandes sombres de glace salie par des silicates et/ou des molécules carbonées. La géométrie de ces bandes suggère des mouvements de ces glaces superficielles. Sous cette couche de glace de quelques centaines de kilomètres d'épaisseur, les modèles prévoient l'existence d'une couche d'eau liquide, surmontant elle-même une autre couche de glace, glace de haute pression, qui l'isole de son noyau de silicates et de fer.


Les cas d'Encelade et d'Europe (satellites, respectivement, de Saturne et de Jupiter) sont différents : ces satellites sont vigoureusement chauffés par les marées, et l'eau devient liquide dès quelques dizaines de kilomètres de profondeur malgré la très faible température superficielle. Cette eau liquide sort en surface sous forme de geysers et de jets de vapeur, de façon permanente à la surface d'Encelade, de façon épisodique pour Europe. Pour ces deux satellites, la couche d'H2O n'est pas assez épaisse et/ou la gravité n'est pas assez forte pour qu'il y ait de la glace de haute pression à leur base. Deux océans liquides sont donc en contact avec des roches réchauffées par les marées, marées qui engendrent un important volcanisme sous-marin dans ces deux satellites.

Figure 6. Vue oblique des “geysers” d'Encelade, satellite de Saturne d'un diamètre de 502 km de diamètre

Vue oblique des “geysers” d'Encelade, satellite de Saturne d'un diamètre de 502 km de diamètre

Ce satellite de Saturne est réchauffé par les déformations dues aux marées et il existe une couche d'eau liquide sous la glace superficielle. Au voisinage du pôle Sud, cette eau liquide profonde ressort par des fractures sous forme de geysers et de jets de vapeur, vapeur se condensant très vite en fines particules de glace dans le froid du vide spatial.


Figure 7. Modèle de la structure interne d'Europe, satellite de Jupiter d'un diamètre de 3121 km

Modèle de la structure interne d'Europe, satellite de Jupiter d'un diamètre de 3121 km

Son noyau de fer et son manteau de silicates sont entourés d'une couche d'H2O d'une centaine de km d'épaisseur. Seule la surface de cet “océan” est gelée sous forme d'une banquise dont l'épaisseur doit probablement être comprise entre 5 et 30 km. Toute la base de l'océan doit être liquide, réchauffée par un volcanisme sous-marin sans doute assez similaire au volcanisme actif observé à la surface de Io, autre satellite de Jupiter.


L'eau liquide et la vie

L'eau liquide semble être une condition nécessaire (mais non suffisante) à l'existence d'une forme de vie, si simple soit-elle. Pourrait-il y avoir une certaine forme de vie dans tous les sites du système solaire où existe (ou a existé dans le passé) de l'eau liquide ? Rappelons que de l'eau liquide existe très vraisemblablement dans le sous-sol profond de Mars, et dans les océans sous-glaciaires d'Europe, de Ganymède, de Callisto, de Titan, d'Encelade, de Triton et de Pluton. De l'eau liquide a aussi existé à la surface de Mars dans un passé lointain. Mais l'eau liquide n'est pas la seule condition nécessaire à l'existence d'une certaine forme de vie. Il faut aussi du carbone, et de l'énergie sous une forme utilisable par les êtres vivants pour synthétiser les molécules carbonées complexes qui les constituent. Et avant que la vie ne se développe et prospère, il a fallu qu'un (ou des) processus non biologique(s) synthétise(nt) les molécules carbonées complexes utilisées par les premiers êtres vivants.

Le carbone est omniprésent dans le système solaire sous forme de petites molécules (CO2, CH4…). Sur Terre, la vie utilise deux sources d'énergie : (1) la lumière utilisée directement par les plantes et certaines bactéries (et donc indirectement par leurs consommateurs primaires, secondaires…), et (2) des réactions chimiques que savent utiliser de très nombreux micro-organismes (bactéries et archées). Et les principales réactions chimiques utilisées par la vie terrestre sont celles qui ont lieu quand de l'eau liquide (suffisamment chaude) est en contact avec des silicates (contenant du fer) et du CO2.

Les molécules carbonées complexes nécessaires à l'origine de la vie (molécules dites prébiotiques) peuvent avoir deux origines : (1) il en existe dans certaines météorites et dans les comètes, synthétisées par l'action du rayonnement solaire sur les glaces de CO2, de CH4…, (2) il s'en synthétise théoriquement à chaque fois que de l'eau chaude, du CO2 et des silicates sont en contact. Et on a identifié certaines de ces molécules prébiotiques dans les geysers d'Encelade.

On voit donc que le contact eau liquide, CO2 et silicates réunit toutes les conditions pour que des formes de vie apparaissent, et perdurent. Où y a-t-il cette coexistence entre eau liquide, CO2 et silicates ? Dans le sous-sol de la Terre et au fond de ses océans bien sûr, mais aussi dans le sous-sol profond de Mars, et au fond des océans d'Europe et d'Encelade. Il ne reste plus qu'à aller voir s'il y a effectivement de la vie.

L'Université Lille 1, à Villeneuve d'Ascq, a organisé en 2017-2018 un cycle de conférences sur l'eau, les Rendez-vous d’Archimède, cycle Pouvoirs de l’eau. Cet article, résumé de l'une de ces conférences, a été écrit au printemps 2018 pour la publication d'un livre faisant suite à la série de conférences. Or, en août 2018, la revue Science (Orosei et al., Radar evidence of subglacial liquid water on Mars, 361, 6401, 490-493) annonce la découverte d'un possible lac d'eau liquide sous la calotte de glace Sud de Mars. Cette découverte n'est évidemment incluse ni dans la conférence ni dans cet article-résumé.

Cependant, cinq diapositives au sujet de ce possible lac martien sont mises à disposition en complément de la vidéo chapitrée et du diaporama de la conférence L'eau dans le système solaire – Implications quant aux possibilités de vie extra-terrestre dont cet article est un résumé.

Enfin, en octobre 2019, le livre Pouvoirs de l'eau et eau des pouvoirs, rapidement présenté ci-dessous, est paru.

ISBN: 9782757428108, 120p, 14€

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