12.3 : Titan et Triton

Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

• Expliquez comment l'atmosphère épaisse de Titan rend possible la formation de corps liquides à sa surface
• Décrivez ce que nous avons appris lors de l'atterrissage sur Titan avec la sonde Huygens
• Discutez des caractéristiques que nous avons observées à la surface de Triton lorsque Voyager 2 est passé

Nous tournons maintenant notre attention vers les petits mondes situés dans les parties les plus éloignées du système solaire. Titan, la grande lune de Saturne, s'avère être une étrange cousine de la Terre, qui présente de nombreuses similitudes malgré des températures glaciales. Les observations de Titan par Cassini ont fourni certaines des découvertes récentes les plus passionnantes de la science planétaire. Triton, la lune de Neptune, présente également des caractéristiques inhabituelles et ressemble à Pluton, dont nous parlerons dans la section suivante.

Titan, une lune avec atmosphère et lacs d'hydrocarbures

Titan, vu pour la première fois en 1655 par l'astronome néerlandais Christiaan Huygens, a été la première lune découverte après que Galilée ait vu les quatre grandes lunes de Jupiter. Titan a à peu près le même diamètre, la même masse et la même densité que Callisto ou Ganymède. On peut supposer qu'il a également une composition similaire, environ la moitié de la glace et la moitié de la roche. Cependant, Titan est unique parmi les lunes, avec une atmosphère épaisse, des lacs et des rivières et des pluies tombantes (bien que celles-ci ne soient pas composées d'eau mais d'hydrocarbures tels que l'éthane et le méthane, qui peuvent rester liquides aux températures glaciales de Titan).

Le survol de Titan par le Voyager en 1980 a permis de déterminer que la densité de surface de son atmosphère est quatre fois supérieure à celle de la Terre. La pression atmosphérique sur cette lune est de 1,6 bar, plus élevée que celle de n'importe quelle autre lune et, remarquablement, même supérieure à celle des planètes terrestres Mars et Terre. La composition de l'atmosphère est principalement constituée d'azote, ce qui explique en grande partie pourquoi l'atmosphère de Titan ressemble à celle de la Terre.

Du monoxyde de carbone (CO), des hydrocarbures (composés d'hydrogène et de carbone) tels que le méthane (CH ₄), l'éthane (C ₂ H ₆) et le propane (C ₃ H ₈), ainsi que des composés azotés tels que le cyanure d'hydrogène (HCN), le cyanogène (C ₂ N ₂) et du cyanoacétylène (HC ₃ N). Leur présence indique une chimie active dans laquelle la lumière du soleil interagit avec l'azote et le méthane atmosphériques pour créer un riche mélange de molécules organiques. Il existe également de multiples couches de brume d'hydrocarbures et de nuages dans l'atmosphère, comme l'illustre la figure\(\PageIndex{1}\).

\(\PageIndex{1}\)Structure figurative de l'atmosphère de Titan. Certaines caractéristiques de l'atmosphère de Titan ressemblent à celles de l'atmosphère de la Terre, bien qu'elle soit beaucoup plus froide que celle de notre planète. La ligne rouge indique la température de l'atmosphère de Titan à différentes altitudes.

Ces découvertes de Voyager ont motivé un programme d'exploration beaucoup plus ambitieux utilisant l'orbiteur Cassini Saturn de la NASA et une sonde pour atterrir sur Titan appelée Huygens, construite par l'Agence spatiale européenne. L'orbiteur, qui comprenait plusieurs caméras, des spectromètres et un système d'imagerie radar, a effectué des dizaines de survols rapprochés de Titan entre 2004 et 2015, fournissant chacun des images radar et infrarouges de parties de la surface (voir la section 11.1, Exploration des planètes extérieures). La sonde Huygens est descendue avec succès en parachute dans l'atmosphère, photographiant la surface sous les nuages et atterrissant le 14 janvier 2005. Il s'agissait du premier (et jusqu'à présent le seul) vaisseau spatial à atterrir sur une lune du système solaire externe.

À la fin de sa descente en parachute, la sonde Huygens de 319 kilogrammes s'est posée en toute sécurité, a glissé sur une courte distance et a commencé à renvoyer des données à la Terre, y compris des photos et des analyses de l'atmosphère. Il semble avoir atterri sur une plaine plate parsemée de rochers, mais la surface et les rochers étaient tous deux composés de glace d'eau, qui est aussi dure que de la roche à la température de Titan (voir Figure\(\PageIndex{2}\)).

Les photos prises pendant la descente montraient diverses caractéristiques, notamment des canaux de drainage, suggérant que Huygens avait atterri sur la rive d'un ancien lac d'hydrocarbures. Le ciel était orange foncé et la luminosité du Soleil était mille fois inférieure à celle de la lumière du soleil sur Terre (mais toujours plus de cent fois plus brillante que sous la pleine lune sur Terre). La température de surface de Titan était de 94 K (−179 °C). L'engin spatial plus chaud a chauffé suffisamment de glace à l'endroit où il a atterri pour que ses instruments puissent mesurer les gaz d'hydrocarbures libérés. Les mesures en surface se sont poursuivies pendant plus d'une heure avant que la sonde ne succombe à la température glaciale.

\(\PageIndex{2}\)Vues figuratives de la surface de Titan. L'image de gauche montre les vues de Titan prises par la caméra de descente, dans une projection aplatie, à différentes altitudes. L'image de droite, prise après l'atterrissage, montre une surface parsemée de rochers illuminée par un léger soleil rougeâtre. Les rochers sont composés de glace d'eau.

L'imagerie radar et infrarouge de Titan depuis l'orbiteur Cassini a progressivement permis d'obtenir une image d'une surface remarquablement active sur cette lune, complexe et géologiquement jeune (Figure). Il existe de grands lacs de méthane à proximité des régions polaires qui interagissent avec le méthane de l'atmosphère, tout comme les océans de la Terre interagissent avec la vapeur d'eau de notre atmosphère. La présence de nombreuses caractéristiques d'érosion indique que le méthane atmosphérique peut se condenser et tomber sous forme de pluie, puis s'écouler dans les vallées jusqu'aux grands lacs. Ainsi, Titan possède un équivalent à basse température du cycle de l'eau sur Terre, avec un liquide à la surface qui s'évapore, forme des nuages, puis se condense pour tomber sous forme de pluie, mais sur Titan, le liquide est une combinaison de méthane, d'éthane et d'une trace d'autres hydrocarbures. C'est un paysage étrangement familier et pourtant totalement extraterrestre.

Figure\(\PageIndex{3}\) Titan's Lakes. (a) Cette image de Cassini prise lors d'un survol de septembre 2006 montre les lacs liquides de Titan. Leur composition est très probablement une combinaison de méthane et d'éthane. (Comme il s'agit d'une image radar, les couleurs sont ajoutées artificiellement. Les zones bleu foncé sont les surfaces lisses des lacs liquides, et les zones jaunes sont les zones solides les plus accidentées qui les entourent.) (b) Cette mosaïque de la surface de Titan provenant de la mission Cassini-Huygens montre en détail une zone de haute crête et de nombreux canaux d'érosion étroits et sinueux qui semblent faire partie d'un vaste réseau de « rivières » creusées par des hydrocarbures en écoulement.

Ces découvertes soulèvent la question de savoir s'il pourrait y avoir de la vie sur Titan. Les hydrocarbures sont essentiels à la formation des grandes molécules de carbone qui sont essentielles à la vie sur notre planète. Cependant, la température sur Titan est bien trop basse pour l'eau liquide ou pour de nombreux processus chimiques essentiels à la vie telle que nous la connaissons. Il reste cependant une possibilité intrigante que Titan ait développé une forme différente de vie à base de carbone à basse température qui pourrait fonctionner avec des hydrocarbures liquides jouant le rôle de l'eau. La découverte d'une « vie telle que nous ne la connaissons pas » pourrait être encore plus excitante que de découvrir une vie comme la nôtre sur Mars. Si une telle vie véritablement extraterrestre est présente sur Titan, son existence permettrait d'élargir considérablement notre compréhension de la nature de la vie et des environnements habitables.

Les scientifiques de la mission Cassini et les spécialistes de la présentation visuelle du Jet Propulsion Laboratory de la NASA ont réalisé de beaux films à partir des images prises par Cassini et Huygens. Voir, par exemple, l'approche Titan et le survol du district des lacs du Nord.

Triton et ses volcans

La plus grande lune de Neptune, Triton (ne confondez pas son nom avec Titan) a un diamètre de 2 720 kilomètres et une densité de 2,1 g/cm ³, ce qui indique qu'elle est probablement composée d'environ 75 % de roche mélangée à 25 % de glace d'eau. Les mesures indiquent que la surface de Triton présente la température la plus froide de tous les mondes que nos représentants robots ont visités. En raison de sa réflectivité élevée (environ 80 %), le Triton réfléchit la majeure partie de l'énergie solaire qui lui tombe dessus, ce qui entraîne une température de surface comprise entre 35 et 40 K.

Le matériau de surface du Triton est composé d'eau gelée, d'azote, de méthane et de monoxyde de carbone. Le méthane et l'azote sont présents sous forme de gaz dans la majeure partie du système solaire, mais ils sont gelés à la température de Triton. Seule une faible quantité de vapeur d'azote persiste pour former une atmosphère. Bien que la pression de surface de cette atmosphère ne soit que de 16 millionièmes de bar, elle est suffisante pour supporter de fines couches de brume ou de nuages.

La surface de Triton, comme celle de nombreuses autres lunes du système solaire externe, révèle une longue histoire d'évolution géologique (Figure\(\PageIndex{4}\)). Bien que certains cratères d'impact aient été découverts, de nombreuses régions ont été inondées assez récemment par la version locale de la « lave » (peut-être de l'eau ou des mélanges eau-ammoniac). Il existe également des régions mystérieuses de terrain confus ou montagneux.

Figurine Triton lunaire de\(\PageIndex{4}\) Neptune. Cette mosaïque d'images de Triton dans Voyager 2 montre un large éventail de caractéristiques de surface. La zone rosâtre en bas est la grande calotte polaire sud de Triton. Le pôle sud de Triton fait face au Soleil, et le léger effet de chauffage pousse une partie du matériau vers le nord, où il fait plus froid.

Le survol de Triton par le Voyager a eu lieu à un moment où le pôle sud de la lune était incliné vers le Soleil, ce qui a permis à cette partie de la surface de profiter d'une période de chaleur relative. (N'oubliez pas que « chaud » sur Triton est encore outrageusement plus froid que tout ce que nous connaissons sur Terre.) Une calotte polaire couvre une grande partie de l'hémisphère sud de Triton, s'évaporant apparemment le long de la limite nord. Cette calotte polaire peut être constituée d'azote gelé déposé au cours de l'hiver précédent.

Fait remarquable, les images du Voyager ont montré que l'évaporation de la calotte polaire de Triton génère des geysers ou des panaches volcaniques d'azote gazeux (voir Figure\(\PageIndex{5}\)). (Des fontaines de ce gaz s'élevaient à environ 10 kilomètres de haut, visibles dans la fine atmosphère parce que la poussière de la surface montait avec elles et les colorait en foncé.) Ces panaches se distinguent des panaches volcaniques d'Io par leur composition et également par le fait qu'ils tirent leur énergie de la lumière solaire qui réchauffe la surface plutôt que de la chaleur interne.

Imaginez\(\PageIndex{5}\) les geysers de Triton. Cette vue rapprochée montre certains des geysers de Triton, la lune de Neptune, avec les longs trains de poussière pointant vers le coin inférieur droit de cette photo.

Concepts clés et résumé

Titan, la lune de Saturne, possède une atmosphère plus épaisse que celle de la Terre. Il existe des lacs et des rivières remplis d'hydrocarbures liquides et des preuves d'un cycle d'évaporation, de condensation et de retour à la surface similaire au cycle de l'eau sur Terre (mais avec du méthane et de l'éthane liquides). L'atterrisseur Cassini-Huygens s'est posé sur Titan et a montré une scène avec des rochers, faits de glace d'eau, gelés plus durement que de la roche. Triton, la lune froide de Neptune, possède une atmosphère très mince et des geysers d'azote.