Pluton, une petite planète à la morphologie étonnante !

Toutes les images de Pluton présentées ici proviennent de, et sont disponibles sur les différents sites web de la NASA et de l'Université Johns Hopkins de Washington, en particulier pluto.jhuapl.edu et photojournal.jpl.nasa.gov.

Figure 1. Pluton, face éclairée et face à l'ombre lors du survol de la sonde New Horizons

À gauche, vue en “vraies couleurs renforcées” de la face de Pluton éclairée par le Soleil lors du survol rapproché du 14 juillet 2015.

À droite, vue prise en direction de Pluton alors que la sonde New Horizons se trouvait dans l'ombre de Pluton. L'atmosphère ténue qui diffuse dans les longueurs d'onde bleues est parfaitement visible.

À part les études télescopiques effectuées depuis la Terre, la planète naine Pluton n'est connue que grâce au survol unique qu'a effectué la sonde New Horizons le 14 juillet 2015. Cette mission a permis de préciser certains paramètres physiques et chimiques : rayon = 1186 km, masse volumique = 1860 kg.m^-3, température superficielle ≈ 40 à 50 K, pression au sol au sol ≈ 1 Pa, composition de l'atmosphère (90 % N₂, 9 % CO, traces de CH₄…). Pour le reste, on s'attendait à des résultats inédits sur la composition des glaces de surfaces, sur la dynamique de la très faible atmosphère, sur l'interaction entre ces glaces et l'atmosphère… et on n'a pas été déçu. Mais c'est surtout de la morphologie et de l'activité géologique de surface de cette petite planète que sont venues les principales surprises.

Mais il n'y a eu qu'un seul survol, et seule la moitié éclairée lors de ce survol est connue avec une bonne résolution. Les conclusions “générales” doivent donc être considérées avec réserve.

Un examen morphologique global de la planète révèle trois résultats majeurs.

Figure 2. Quatre planisphères de Pluton (projection cylindrique équivalente de Mollweide)

Ces planisphères montrent (1) la morphologie et l'albédo, (2) la topographie, (3) les noms (encore informels) des différentes provinces, et (4) la répartition des cratères d'impact (le faible nombre des cratères aux hautes latitudes est due à un effet de la projection ; les chiffres en rouge indiquent l'âge des surfaces).

Figure 3. Pluton et sa bande sombre équatoriale

À gauche, vue globale de Pluton (vraies couleurs renforcées). Au centre détail d'une montagne couverte de neige au sein de la bande sombre équatoriale. À droite image spectrale montrant l'intensité des bandes d'absorption de la glace de méthane, prouvant que la “neige” est principalement constituée de méthane gelé.

Dans le détail, l'examen des images (hors Sputnik Planitia) permet de tirer des conclusions de premier ordre sur la structure superficielle de la croute, la nature de l'érosion, le volcanisme, la tectonique… et aussi des conclusions de deuxième ordre sur l'évolution dans le temps des conditions P et T de surface, sur la structure profonde…

Figure 4. Cratères d'impacts nombreux (surface très âgée) montrant des “terrasses” internes révélant un litage, une “stratification” des premiers kilomètres superficiels de la croute de glaces de Pluton L'origine de ce litage reste à déterminer. La plaine entre les cratères présente un aspect cannelé (fluted en anglais). L'origine de ces cannelures n'est pas claire (érosion éolienne ?). L'image mesure environ 80 km de large.

Figure 5. Les terrains en lames (bladed terrains) de Tartarus Dorsa, Pluton Des “ondulations” de 70 km de large pour plusieurs centaines de km de long (dorsa) sont découpées en “lames” espacées en moyenne de 5 km. L'origine d'une telle morphologie (appelée snakeskin = “peau de serpent” lors de sa découverte) serait à rechercher dans la sublimation de la glace, sublimation orientée par des vents ayant une direction dominante de gauche à droite. Ces lames seraient les équivalents de giga-pénitents de neige, pénitents connus sur Terre au niveau des hautes altitudes équatoriales. L'image mesure 530 km de gauche à droite.

Source - © 2008 dreamX - CC BY-NC-SA 2.0 / avax.news Figure 6. Exemples de pénitents terrestres (Chili, Haute Cordillère des Andes) À l'échelle près, ces structures ressemblent aux bladed terrains (terrains en lames). Ces structures (terrestres) sont dues à la sublimation de la neige ou de la glace quand le soleil “tape”, que la température est inférieure à 0°C, et que la pression est faible (haute altitude).

En plus de l'érosion par le vent qui, si elle génère des formes étonnantes par leur taille, n'est pas une surprise, la surface de Pluton montre des morphologies ressemblant étonnement à des figures d'érosion par un liquide (dissection des versants, réseaux “fluviatiles” dendritiques…). Si cette interprétation est exacte, cela signifie qu'à certaines périodes, un liquide a coulé à la surface de Pluton. Quel composé pourrait être liquide à 45 K et 1 Pa ? De tous les composés présents dans l'atmosphère, c'est le diazote qui semble le plus facile à liquéfier. Mais pour être liquide, N₂ doit être à une température > 63,15 K et à une pression > 1252 Pa (T et P du point triple du diazote). Il faudrait donc, au moins localement et temporairement, augmenter la température d'une vingtaine de degrés (ce qui ne semble pas insurmontable), et aussi multiplier la pression par plus de 1000, ce qui semble plus difficile.

Ce serait malgré tout possible parce que l'excentricité de l'orbite de Pluton est de 0,25 (Terre 0,016, orbite quasi-circulaire), parce que si l'inclinaison actuelle de l'axe de rotation de Pluton est de 120° (Terre 23,26°), elle varie de 103° à 127° (Terre de 22,1° à 24,5°) avec une période de 2,8 Ma (Terre 41 000 a). On peut donc modéliser l'insolation (locale ou globale), et calculer les températures superficielles. De là, on peut modéliser la sublimation du diazote et du méthane, calculer la pression, modéliser l'effet de serre et les feedbacks que cela produit (cf. S.A. Stern et al., 2017, Past epochs of significantly higher pressure atmospheres on Pluto). Avec la très grande excentricité de l'orbite, et avec l'inclinaison actuelle de l'axe de rotation (120°), on calcule que la pression peut varier d'environ 10^-2 à 10 Pa au long des 248 ans (terrestres) d'une révolution de Pluton. Mais quand l'inclinaison de l'axe de rotation est minimale (103°), ce qui arrive tous les 2,8 Ma (c'est arrivé il y a 900 000 a, et cela arrivera de nouveau dans 1,9 Ma), la pression et la température peuvent dépasser légèrement les conditions du point triple de N₂ pendant 1/10 de l'année plutonienne (25 années terrestres) au cours de cette année plutonienne. Il pourrait donc pleuvoir du diazote pendant quelques saisons chaudes et “humides” (saisons “humides” qui durent une vingtaine d'années terrestres), saisons “humides” qui reviennent tous les 11 300 années plutoniennes (2 800 000 années terrestres). Pendant ces “brèves” et rares saisons chaudes et humides, il pourrait pleuvoir, des lacs de diazote liquide pourraient exister quelques “mois” plutoniens (quelques années terrestres).

Figure 7. Région d'environ 450 km d'Est en Ouest montrant de nombreuses figures ressemblant à des réseaux “hydrographiques” (doit-on dire nitrographiques ?) asséchés à la surface de Pluton Un réseau avec des petits cours de diazote liquide se rassemblant pour former un cours de diazote principal est bien visible au centre de l'image.

Figure 8. Lac de diazote gelé (frozen pond en anglais) à la surface de Pluton et équivalent morphologique terrestre Ce lac mesure environ 30 km de long. En haut à droite, le contexte général. En haut à gauche, la vue la plus détaillée de ce lac qui montre des terrasses de retrait. En bas, pour comparaison, un lac tibétain (non gelé donc très sombre) avec les mêmes terrasses de retrait. Ce lac plutonien est la preuve que pression et température ont permis l'existence de diazote liquide dans des temps pas si lointain dans le passé de Pluton.

Figure 9. Vue rasante de l'extrémité Sud de Sputnik Planitia bordée à gauche par les Tenznig Montes, montrant la structuration de l'atmosphère de Pluton Aujourd'hui très ténue (≈ 1 Pa), cette atmosphère peut voir sa pression multipliée par plus de 1000 au gré de variations de type Milankovitch, ce qui permettrait l'existence temporaire de diazote liquide en surface.

À côté des manifestations d'une activité géologique d'origine externe, la surface de Pluton montre aussi des manifestations d'activité d'origine interne : volcanisme et tectonique.

Figure 10. Vue sur Wright Montes, une “montagne” de Pluton Cette montagne (150 km de diamètre, 4000 m de haut) est affectée d'un cratère sommital, qui fait penser à un volcan, à un cryovolcan puisque la “lave” qui en sortait était sans doute un mélange d'eau et de matières organiques en train de geler. Un seul cratère d'impact est identifiable sur Wright Montes lui-même, suggérant que ce “volcan” a été actif très tardivement dans l'histoire de Pluton.

Figure 11. Réseau de failles normales et de graben recoupant de nombreux cratères d'impact plutoniens, dont le cratère Elliot au centre droit de l'image Comme toutes failles normales, ces failles résultent d'une extension. Ces failles, recoupant tous les cratères, sont géologiquement “jeunes”. La photo couvre une région de Pluton d'environ 240 km de large.

On trouve de nombreuses failles normales (associées en graben) semblables à celles de la figure 11 un peu partout à la surface de Pluton. Elles sont partout géologiquement “jeunes”. Et, chose étonnante, on ne connait aucune structure que l'on puisse interpréter en termes de compression (pas de plis, pas de faille inverse…). Si on voit de nombreuses structures extensives et aucune structure compressive, c'est que la surface de Pluton est partout en extension. Pluton aurait donc “gonflé”. Comment faire gonfler une “planète” ?

Pluton à une masse volumique de 1860 kg.m^-3. Si on suppose qu'il est constitué d'un mélange de glaces, principalement de glace d'H₂O (masse volumique voisine de 1000 kg.m^-3) et de “roches” (mélange silicates + fer, de masse volumique voisine de 4000 kg.m^-3), et si on suppose que Pluton est entièrement différencié (silicates + fer au centre, glaces en périphérie), on obtient un Pluton fait d'un manteau d'environ 300 km d'H₂O et autres composés volatils et organiques, surmontant un noyau d'environ 900 km de rayon fait de “roches”. Les modélisations thermiques montrent qu'il est possible que la base de ces 300 km d'H₂O ait été ou soit encore liquide et qu'il ait existé ou existe encore un océan liquide profond sous une épaisse couche de glaces. Pour faire gonfler Pluton, il suffit de faire geler entièrement ou partiellement cet océan majoritairement constitué d'H₂O liquide, car l'eau augmente de volume en passant de l'état liquide à l'état solide. On peut peaufiner le raisonnement. Quand de l'eau gèle à basse pression, elle donne de la glace I, ce qui s'accompagne d'une augmentation de volume. Par contre, si elle gèle à haute pression, elle donne des glaces de haute pression (glace III, V, VI ou VII) ce qui s'accompagne d'une diminution de volume (cf. De l'eau à haute pression dans une presse à enclumes de diamant et de la glace à température ambiante, analogies avec le magmatisme et le métamorphisme). Sur Pluton, en fonction notamment de la faible gravité, de l'eau gelant à une profondeur < 260 km donnerait de la glace I, ce qui se traduirait par une augmentation de volume. Par contre, de l'eau gelant à une profondeur > 260 km donnerait des glaces III, V ou VI, ce qui se traduirait par une diminution de volume. Comme aucune structure compressive n'a été observée, c'est que jamais des glaces de haute pression n'ont cristallisé (cf. Hammond et al., 2016, Recent tectonic activity on Pluto driven by phase changes in the ice shell). Si la couche d'H₂O fait bien 300 km d'épaisseur, cela signifie que le front de congélation n'a pas encore atteint 260 km de profondeur, et qu'il reste au moins 40 km d'épaisseur d'eau liquide.

Source - © 2016 Inspiré de Pam Engebretson / phys.org

Figure 12. Modèle probable de la structure interne de Pluton

 Environ 300 km d'H₂O (couleurs bleues, bleu clair pour la glace, bleu foncé pour l'eau liquide) surmontant environ 900 km de “roches” (couleur verte).

Les modélisations thermiques montrent qu'il est possible que la base de cette couche d'H₂O soit encore liquide. Les modèles comportent trop d'inconnues pour que l'on puisse raisonnablement calculer la profondeur x de la limite solide/liquide. L'absence de structure compressive visible à la surface montre que la profondeur x du front de congélation est inférieure à 260 km. Dans le cas d'une couche d'H₂O de 300 km d'épaisseur, l'océan liquide basal aurait donc une épaisseur supérieure à 40 km.

Sputnik Planitia est une caractéristique morphologique majeure de Pluton. Sa position au centre de la face “anti-Charon” (Charon est le plus gros satellite de Pluton, le système étant en rotation synchrone pour les 2 corps) suggère qu'elle correspond à une anomalie de masse positive, due à une épaisseur de glace d'eau plus faible (donc à une épaisseur d'océan liquide plus forte) et à un remplissage par de la glace de diazote (de masse volumique 1 030 kg.m⁻³, supérieure à celle de la glace d'eau – 930 kg.m⁻³). Son origine, sans doute un ancien bassin d'impact de plus de 1000 km de diamètre, n'est pas totalement comprise. Mais, à côté de ces questions “géophysiques”, Sputnik Planitia montre des morphologies de surface étonnantes. Voyons en quelques-unes.

Figure 13. Vue oblique globale de Sputnik Planitia, sur Pluton, vue depuis l'Ouest-Sud-Ouest Noter les terrains chaotiques à gauche.	Figure 14. Vue rasante de la bordure NO de Sputnik Planitia, Pluton Aucun cratère d'impact n'est visible dans la plaine ; sa surface est donc très jeune. Entre le plateau cratérisé (en bas de l'image) et la plaine de Sputnik Planitia (en haut), se trouve un terrain chaotique fait de gros blocs basculés. Le rebord du plateau se serait fracturé et aurait “glissé” vers Sputnik Planitia. Cette image couvre environ 500 km de gauche à droite.
Figure 15. Détail de la limite entre la plaine de Sputnik Planitia et les terrains chaotiques sur Pluton Les terrains chaotiques sont des giga-blocs de glace d'eau qui auraient glissé depuis le plateau en direction de la plaine. Cette image couvre environ 75 km de gauche à droite.	Figure 16. Vue oblique de la bordure Sud-Sud-Est de Sputnik Planitia, Pluton Des montagnes de glace d'eau (noircies) par des molécules organiques (au premier plan) dominent Sputnik Planitia (à l'arrière-plan). Des glaciers de glace de diazote sont visibles au centre de l'image. Ils descendent des montagnes pour s'étaler dans la plaine.
Figure 17. Vue rasante (prise en direction du Sud) de la limite Nord de Sputnik Planitia et comparaison avec des glaciers terrestres En haut, sur Pluton, ce qui ressemble à des glaciers (de diazote) coulent de la plaine (en haut de l'image) vers la limite plaine-montagne (en bas de l'image). Ce sens d'écoulement suggère que le centre de Sputnik Planitia a une altitude plus élevée que sa bordure Nord. Cette image couvre une zone d'environ 300 km de gauche à droite. En bas, pour permettre une comparaison morphologique, image de glaciers de la bordure Ouest du Groenland.

Des glaciers de diazote coulent des montagnes Sud vers Sputnik Planitia et s'y étalent. Par contre, Sputnik Planitia semblent s'écouler vers le Nord, en direction de sa bordure, pourtant bordée de montagnes. Des modélisations climatiques, prenant en compte la topographie, les paramètres astronomiques… ont été développées par le Laboratoire de Météorologie Dynamique de Paris (cf. Forget et al., 2017, A post-new horizons global climate model of Pluto including the N₂, CH₄ and CO cycle) et peuvent expliquer ce qui ne semble pas logique. Ces modélisations montrent que sur un cycle de variation de l'obliquité de l'axe de rotation de Pluton (cycle de 2,8 Ma), la partie Nord de Sputnik Planitia perd de la matière par sublimation du diazote. Cette perte de glace de diazote peut être estimée à 1000 m sur un cycle de 2,8 Ma. Selon ces mêmes modèles, ce diazote va se condenser au Sud de Sputnik Planitia et sur les montagnes bordières (condensation estimée à 750 m sur un cycle de 2,8 Ma).

Si ces simulations montrent une condensation globale au Sud de Sputnik Planitia sur un cycle de 2,8 Ma, elles montrent que ce même Sud de Sputnik Planitia subit (temporairement) une sublimation globale au cours de l'année plutonienne (248 années terrestres) dans la situation orbitale actuelle. Cette sublimation qui a lieu au Sud depuis quelques années plutoniennes expliquerait les étranges puits que la sonde New Horizons a découvert dans ces régions.

Figure 18. Puits affectant la région Sud-Sud-Est de Sputnik Planitia, Pluton

Ces multiples dépressions sont interprétées en termes de sublimation.

La surface de Sputnik Planitia montre un réseau polygonal de bombements limités par des sillons. Ces figures sont interprétées comme l'expression superficielle d'une convection (à l'état solide) de la glace de diazote constituant le plancher de Sputnik Planitia. À un facteur 1000 près, cette surface ressemble à celle d'un lac de lave figée, comme on peut en voir à Hawaii par exemple. En donnant à la glace de diazote des paramètres physiques “normaux”, et avec un flux thermique “classique” vu la taille et la masse de Pluton, on peut calculer le nombre de Rayleigh du remplissage de Sputnik Planitia. On trouve alors que la convection est possible pour une épaisseur de remplissage supérieure à 1500 m (cf. Trowbridge et al., 2016, Vigorous convection as the explanation for Pluto's polygonal terrain et McKinnon et al., 2016, Convection in a volatile nitrogen-ice-rich layer drives Pluto's geological vigour).

Figure 19. Réseau de cellules polygonales affectant la surface de Sputnik Planitia, Pluton Ce réseau polygonal est interprété comme l'expression superficielle d'une convection à l'état solide de la couche de glace de diazote remplissant Sputnik Planitia. Chaque cellule mesure de 20 à 30 km de “diamètre”. Ces cellules sont bombées en leur centre (panache ascendant). Les sillons bordiers correspondraient aux parties descendantes des cellules.

Source - © 2007 Pierre Thomas Figure 20. Surface refroidie d'un lac de lave à Hawaii (Kilauea Iki), une analogie miniature de Sputnik Planitia

Il y a une interaction “étrange” entre la convection interne à Sputnik Planitia et les glaciers venus des montagnes au Sud-Est de la région. Les glaciers de diazote “coulent” sur des montagnes faites de glace d'eau. Ces glaciers arrachent des blocs de glace (qui ont signification de moraines) et les transportent jusqu'à la plaine. Arrivés au niveau de la plaine, ces blocs de glace d'eau (ρ = 930 kg.m^-3) flottent sur la glace de diazote (ρ = 1030 kg.m^-3) et “dérivent” vers le centre de la plaine. Puisque ces iceberg de glace d'eau dérivent, c'est qu'ils flottent sur la glace de diazote sans en toucher le fond. L'estimation de la hauteur des plus grands de ces iceberg (500 m) et l'application du principe d'Archimède montrent que la glace de diazote a une épaisseur d'au moins 5000 m par endroits.

Figure 21. Image annotée de la bordure Sud-Est de Sputnik Planitia, Pluton Des glaciers de diazote descendent des montagnes (rugged uplands) faits de glace d'eau. Ces glaciers transportent des blocs de glace d'eau jusqu'à la plaine, où ils vont former des “cordons morainiques” (hill chains). Ces blocs de glace d'eau sont repris et déplacés par la convection de la glace de diazote. Ne pouvant couler à cause de leur faible masse volumique, ils s'accumulent au niveau des sillons, branches descendantes des cellules de convection (hill clusters).

Figure 22. Schéma simplifié de la convection interne à Sputnik Planitia expliquant la morphologie de surface (réseau polygonal, hill clusters…)

Depuis 1959 avec la face cachée de la Lune, puis 1965 avec la mission Mariner 5 qui a survolé Mars, l'humanité explore le système solaire, ses planètes et ses satellites. À quelques rares exceptions près, chaque survol a révélé un monde extraordinaire, avec une morphologie souvent totalement inattendue. Pluton, le dernier gros corps (Ø   1000 km) à être survolé a lui aussi fourni son lot de surprises. Qui aurait imaginé les terrains en lames, les réseaux “hydrographiques”, les champs de puits, l'extraordinaire Sputnik Planitia et ses glaciers d'azote… Espérons que chacun d'entre nous a bien profité des nouvelles de cette année 2015. En effet, Pluton est le dernier “gros” corps (à morphologie totalement inconnue) à être survolé, et il n'y aura pas de prochains survols semblables avant longtemps. Toutes les planètes et leurs satellites, les deux plus gros astéroïdes… ont déjà été survolés au moins une fois, et il va falloir attendre les survols des autres planètes naines de la ceinture de Kuiper (Eris, Makemake, Haumea…) pour avoir d'aussi belles surprises sur des “gros” corps. Aucune mission vers ces corps lointain n'est pour l'instant programmée. Et comme il faut compter de 5 à 10 ans pour “monter” une nouvelle mission et au moins une dizaine d'années de voyage pour dépasser l'orbite de Neptune, il va falloir attendre longtemps. Heureusement, il reste des petits corps à explorer, qui, eux aussi, révèlent des surprises comme nous l'a montré 2014 MU 69 (Ultima Thulé) survolé le 1^er janvier 2019 par la même sonde New Horizons.

Figure 23. L'objet transneptunien 2014 MU 69, officieusement (et provisoirement) nommé Ultima Thulé

Ultima Thulé est le premier objet transneptunien à être survolé après le système de Pluton. Il mesure 33,5 × 19,5 km. Sa couleur rouge-brunâtre indique que sa surface est riche en macro-molécules organiques.