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Pluton, le dieu des Enfers

Le rendez-vous historique de la sonde spatiale New Horizons avec Pluton et Charon en juillet 2015. Document T.Lombry.

La mission New Horizons (II)

Et si nous allions cartographier Pluton se demanda un jour de 1992 l'astronome Alan Stern aujourd'hui au SwRI. Malgré le faible budget accordé à l'exploration spatiale par le Congrès américain, une mission de la NASA devait envoyer deux petites sondes vers Pluton en 1999. Il s'agissait de deux vaisseaux "hauts de gamme", ultra-légers, bourrés d'électronique de pointe et moins chers que les célèbres Pioneer et autres Voyager. Mais les censeurs du Congrès en ont jugé autrement et rejetèrent le projet en 1995.

Mais les scientifiques n'abandonnèrent pas un tel défi. Fin 2000, le projet Pluto-Kuiper Express fut réexaminé par les scientifiques de la NASA. Malheureusement le projet était passé de 0.654 à 1.5 milliard de dollars et fut finalement abandonné.

Cette décision survint après que la NASA ait annulé d'autres projets du même ordre qui alarmèrent la communauté scientifique. Contrainte de réagir, les scientifiques prièrent la NASA de définir clairement quelles étaient dorénavant ses priorités. Dans une lettre adressée le 27 novembre 2000 à la NASA, Michael Drake de l'Université d'Arizona, représentant le sous-comité chargé de conseiller la NASA en matière d'exploration du système solaire écrivait, "la mission vers Pluton [doit] logiquement passer en priorité".

Planifier une mission vers Pluton et la Ceinture de Kuiper était urgent car en 2015 la planète naine se trouvait juste à hauteur de l'écliptique, dans le Sagittaire. En profitant de l'effet de fronde gravitationnelle de Jupiter, la sonde spatiale verrait sa vitesse augmentée d'environ 20 % et on gagnerait ainsi environ 3 ans sur la durée du vol. Le voyage s'effectuerait alors en un peu plus de 9 ans, la vitesse de la sonde à hauteur de Pluton atteignant 49680 km/h soit 14 km/s par rapport au Soleil (vitesse héliocentrique). En temps normal, avec une grande sonde de la classe Voyager, le voyage aurait duré 20 ans.

Pour Andrew Cheng, chef de projet de la mission "New Horizons", ce projet offrait également l'avantage d'envoyer rapidement la sonde sur sa trajectoire grâce à un tir ballistique et d'être meilleur marché que la solution basée sur une propulsion électrique et nucléaire envisagées par la NASA.

Comme on le voit ci-dessous, si n'arrivions pas près de Pluton vers 2015, nous perdions non seulement son atmosphère mais aussi une grande partie de ce que la géologie pourrait nous apprendre. En effet, après cette date l'ombre de Charon cachera temporairement la surface de Pluton, empêchant toute cartographie. La sonde New Horizons s'approcha jusqu'à 13718 km de Pluton, révélant des détails inférieurs à 1 km.

A voir : New Horizons

ScienceCasts: Visit to Pluto

New Horizons: Passport to Pluto and Beyond

Document Mark Garlick.

Il faut aussi savoir que la prochaine fenêtre ne se présentera pas avant l'an... 2237, époque à laquelle les gaz congelés sur la surface de Pluton se seront à nouveaux sublimés dans son atmosphère... Si on se rappelle que la NASA abandonna les programmes "Grand Tour" et "Mark 2" pour causes de restrictions budgétaires, ce projet d'exploration fut une réelle opportunité de nous dévoiler le dernier objet mystérieux du système solaire.

Cette mission fut également intéressante car non seulement elle permit de visiter Pluton et Charon mais elle devrait également passer au large de la Ceinture de Kuiper vers 2026.

Finalement, en 2002 la NASA approuva le programme "New Frontiers" et alloua une budget de 650 millions de dollars à la nouvelle mission New Horizons à la plus grande joie d'Alan Stern, promoteur du projet initial "Pluto FlyBy" et de tous les passionnés d'astronomie.

La sonde spatiale New Horizons

La sonde New Horizons est un bijou de haute technologie et d'intégration (cf. ce résumé technique du SwRI). La sonde spatiale pèse 478 kg et consomme moins de 100 watts dont à peine 28.4 watts pour l'ensemble des sept instruments scientifiques, c'est un record. Par comparaison, les sondes Voyager 1 et 2 lancées en 1977 disposaient de 5 instruments, pesaient 825 kg et consommaient 470 watts).

Comme la plupart des sondes d'exploration, New Horizons est alimentée par un générateur thermoélectrique à radioisotope ou RTG. C'est le gros boîtier sombre à ailettes formant la "queue" de la sonde spatiale.

Ce générateur d'énergie exploite la décroissance radioactive d'environ 11 kg de bioxyde de plutonium 238 (PuO2). Sa radioactivité représente 132465 curies de plutonium au départ de la mission dont la demi-vie est de 87.7 ans. La chaleur libérée est convertie en électricité grâce à un thermocouple qui développait au départ de la mission une puissance de 245.7 watts sous 30 volts continus. La puissance du RTG décroît dans le temps à raison d'environ 3.5 watts/an. Il resta donc environ 212 watts lorsque New Horizons survola Pluton.

Emplacement des différents systèmes embarqués à bord de la sonde spatiale New Horizons. Doc JHUAPL adapté par l'auteur.

Bien que l'espace soit glacial, fonctionnant dans un milieu privé d'atmosphère, la chaleur des composants électroniques ne se dissipe pas facilement. Pour y remédier, au lieu d'utiliser des caloducs, les ingénieurs ont exploité le principe des "bouteilles thermos" pour réduire les fuites thermiques et utiliser la chaleur émise par les composants électroniques pour maintenir la température des instruments au niveau de celle d'une pièce de séjour.

La sonde New Horizons tourne uniquement autour de son axe vertical passant par l'axe de l'antenne parabolique. Tous les instruments étant fixés sur la même plate-forme et solidaires, New Horizons ne peut pas photographier et en même temps transmettre ses données à la Terre. Les données sont enregistrées dans deux mémoires flash (SSD), d'une capacité de 8 GB chacune et sont ensuite envoyées sous forme groupée vers la Terre.

Ainsi, les images du rendez-vous proprement dit ne furent transmises que quelques heures plus tard et il fallut près de 5 heures pour les recevoir et les traiter avant de pouvoir les exploiter. Dans l'intervalle, les scientifiques ont dû croiser les doigts en espérant qu'il n'y ait aucune panne, ce qui fut heureusement le cas.

La sonde New Horizons est équipée de trois antennes. L'antenne parabolique à haut gain ou HGA (42 dBi) mesure 2.1 m de diamètre et fonctionne en bande X. Deux antennes backup à gain moyen (MGA) et faible (LGA) situées au foyer de la parabole viennent la seconder en cas de panne (ce qui s'est produit temporairement fin juin 2015). Ce système transmet ses données au réseau DSN, en particulier à l'antenne DSS 43 de 70 m de diamètre installée à Canberra.

Le signal descendant (downlink) de New Horizons est émis sur 8.44 GHz avec une puissance de 12 W. Alors que le débit des transmissions était de 38 kbps lors du rendez-vous avec Jupiter, à la distance de Pluton le taux est tombé à 2.11 kbps soit 263 bytes/s (mais il reste 13 fois plus rapide que celui des sondes Voyager). Le signal est reçu 4h25 mn plus tard par le réseau DSN avec une puissance de 3.45x10-22 W, ce qui explique la taille des antennes de réception.

Le réseau DSN envoie ses instructions à la sonde spatiale (uplink) sur la fréquence de 7.18 GHz avec une puissance de 20.01 kW.

Précisons qu'étant donné la lenteur relative avec laquelle New Horizons transmet ses données à la Terre, il faut plus de 10 heures pour que la sonde transmettre une image de 10 MB. Etant donné que la Terre tourne sur elle-même et que toutes les antennes du DSN ne sont pas disponibles pour cette mission, à chaque connexion la sonde New Horizons ne peut transmettre que 58 mégabits/s soit 7.25 MB/s et 156 MB/jour.

Le complexe du DSN à Canberra en Australie et ses antennes de 34 et 70 m de diamètre.

Bref, l'ensemble des photos prises durant cette mission ne seront disponibles qu'en novembre 2016, ce qui laisse tout le temps aux scientifiques pour nous préparer les plus belles images couleurs en haute résolution dont quelques uns illustrent déjà cet article.

La sonde spatiale New Horizons a été conçue pour étudier la géologie globale de Pluton, sa composition et sa température en surface, sa météorologie (température, pression et composition de son atmosphère), le taux de déperdition calorifique et chimique dans l'espace ainsi que ses satellites naturels dont Charon.

Dans ce but, New Horizons dispose de 7 instruments d'analyses en plus de son antenne et des systèmes de contrôles (propulseur, système de guidage, système informatique, régulateur thermique, RTG, télécom).

Il y a tout d'abord LORRI, un imager, c'est-à-dire un télescope qui prend des images CCD noir et blanc en haute résolution. Il est de conception Ritchey-Chrétien comme le Télescope Spatial Hubble et de nombreux satellites espions. Sa résolution est d'environ 50 m/pixel au plus près de Pluton, c'est-à-dire largement supérieure à celle de beaucoup de satellites de télédétection terrestres. Ainsi, à titre de comparaison ce télescope peut observer des détails à 16000 km d'altitude avec la même résolution qu'un satellite de télédétection en orbite à 600 km d'altitude. De plus il dispose d'un correcteur et aplanisseur de champ et les images sont améliorées par les équipes au sol par la technique de déconvolution. Les astronomes comptent donc beaucoup sur LORRI pour obtenir des images très détaillées de la surface de Pluton.

Pour éviter toute déformation du miroir suite aux écarts de température pouvant générer des images floues, son miroir de 208 mm de diamètre a été fabriqué en carbure de silicium. Ce système pèse 8.8 kg et consomme 5.8 watts.

Ce télescope est complété par "Ralph", un imager multispectral visible et infrarouge à basse résolution qui permet par exemple de connaître la distribution spectrale et la couleur de Pluton. Cet instrument pèse 10.3 kg et consomme 6.3 watts.

Il y a également "Alice" un spectrographe UV qui permet notamment d'analyser la diffusion de la lumière dans l'atmosphère de Pluton, PEPSSI, un spectromètre qui permet de détecter les molécules s'échappant de l'atmosphère, complétés par un radiomètre (REX) pour mesurer la composition et la température de l'atmosphère, un détecteur de vent solaire (SWAP) et un compteur de poussière (SDC) fabriqué par des étudiants de l'Université d'Hawaï.

New Horizons fut installée à bord d'une fusée Atlas V qui décolla de KSC le 19 janvier 2006, fournissant l'impulsion nécessaire à la sonde spatiale pour rejoindre Pluton qu'elle atteignit le 14 juillet 2015 au terme d'un voyage de 9.5 ans et parcouru 4.77 milliards de kilomètres.

La gestion du projet fut confiée au Laboratoire de Physique Appliquée de l'Université Hopkins (APL), au SwRI et au JPL (JHUAPL). Les données brutes transmises par le réseau DSN sont d'abord traitées au Centre des Missions Opérationnelles (MOC) de l'APL installé à Laurel au Maryland dont voici une vue aérienne des installations, puis mises à disposition des chercheurs avant d'être archivées, quelle soient brutes ou calibrées, dans les bases de données du système PDS du JPL.

Voyons à présent les résultats préliminaires de la mission New Horizons.

Le 14 juillet 2015, 11:49 UT (13h49 à Paris) au Mission Operations Center (MOC) du JHUAPL au cours de la mission New Horizons. "We are in lock with carrier", annonça Alice Bowman, mission operations manager. "Stand by for telemetry... We are in lock with the telemetry with the spacecraft !". La NASA (DSN) venait d'établir la connexion avec New Horizons et recevait la télémétrie, et notamment les images en haute résolution de Pluton, confirmant le succès de la mission ! A cet instant Pluton se trouvait à 4.92 milliards de kilomètre du Soleil soit 32.9 UA et à 4.77 milliards de kilomètres de la Terre. New Horizons s'est rapprochée jusqu'à 13718 km de Pluton ! Aussitôt des cris de joie et des applaudissements retentirent dans la salle de contrôle. Quelques instants plus tard la NASA annonça que la sonde spatiale New Horizons avait réussi comme prévu son rendez-vous avec Pluton ! L'évènement était historique ! Documents JHUAPL et NASA/Bill Ingalls rectifié par l'auteur.

L'atmosphère de Pluton

Les premiers indices suggérant que Pluton pouvait avoir une atmosphère apparurent en 1976. Des relevés photométriques en infrarouge réalisés par l'astronome Dale Cruikshank et son équipe grâce au télescope Mayall de 4 m de diamètre du Kitt Peak indiquèrent la présence de glace de méthane sur Pluton. Mais par -200°C, sachant que le méthane entre en ébullition à -161°C, une partie devait s'évaporer dans l'atmosphère.

Sa présence fut confirmée à l'occasion de deux occultations d'étoiles. la première fut réalisée le 19 août 1985 par Noah Brosch et Haim Mendelson de l'Observatoire Wise en Israël. Toutefois, les données étaient de mauvaises qualioté mais pire, la description détaillée ne fut publiée que 10 ans plus tard !

Aussi entre-temps, le 9 juin 1988, la présence d'une atmosphère autour de Pluton fut confirmée par 8 observatoires dont les mesures les plus précises furent obtenues par les astronomes utilisant l'Observatoire Embarqué Kuiper (KAO) de la NASA (il s'agit d'un C-141 Starlifter volant à 41000' ou 12500 m d'altitude, c'est-à-dire au-dessus des 98 % de la troposphère contenant la vapeur d'eau qui absorbe le rayonnement infrarouge). Ils parvinrent également à estimer l'épaisseur de l'atmosphère et le rapport entre la température et la masse moyenne des molécules.

Il faudra toutefois attendre 1992 et l'obtention de spectres infrarouges (1.4-2.4 microns) de Pluton par Tobias Owen et ses collègues grâce au télescope de 3.8 m UKIRT installé à Mauna Kea à Hawaii pour découvrir que la surface de Pluton était recouverte de glace d'azote en quantité 50 fois plus importante que les autres types de glaces. Etant plus volatil (point d'évullition à -195.8°C) que le méthane, ce gaz devait également être présent dans son atmosphère.

Une nouvelle preuve de l'existence d'une atmosphère autour de Pluton apparut en juillet 2011 au cours d'une nouvelle occultation stellaire observée par les chercheurs du programme SOFIA du Centre Ames de la NASA.

A cette époque, les meilleures estimations basées sur l'émission thermique de Pluton indiquaient que la température de son atmosphère était de l'ordre de 42 K soit -231°C mais pouvait varier entre 30 et 60 K soit -243 et -213°C. Les analyses en restèrent là jusqu'en 2015 et le survol de New Horizons.

Eloignée à plus de 5 milliards de kilomètres du Soleil, une grande partie du gaz contenu dans l'atmosphère de Pluton se condense et tombe en neige sur le sol. Dans ces conditions il devient impossible de déceler quoi ce soit dans son atmosphère. Il faut donc absolument observer Pluton lorsqu'il est au plus près de la Terre, dans l'orbite de Neptune ou à peu de distance de lui, où la faible chaleur du Soleil réchauffe le sol et permet aux gaz cristallisés de s'évaporer ou de se sublimer dans l'atmosphère. Les planétologues peuvent en profiter jusqu'en 2020 environ après quoi Pluton sera vraiment perdu dans les régions reculées et glacées du système solaire.

Etendue de l'atmosphère de Pluton comparée à celle de la Terre. Document JHUAPL adapté par l'auteur.

En raison de sa faible gravité, l'atmosphère de Pluton est très ténue et très étendue comme on le voit à droite. Elle n'est détectable que par des instruments (spectromètre, spectrographe, etc) et par le truchement d'occulations stellaires.

En profitant d'une occultation du Soleil, l'instrument Alice de New Horizons a détecté l'atmosphère de Pluton jusqu'à 270 km d'altitude. Le profil correspond à peu près à un modèle dit "stagnant", non turbulent, dans lequel les composés hydrocarbonés sont abondants dans la basse atmosphère et absorbent fortement la lumière du Soleil. Mais cela ne représente que la partie "visible" et la plus dense de l'atmosphère de Pluton.

Sur Terre, 50 % de l'atmosphère se concentre dans les 10 km d'épaisseur de la troposphère (cela varie de 6 à 18 km) et 90 % de cette masse se situe dans une couche de 5 km d'épaisseur. Elle représente 0.17 % du rayon de la Terre. La limite extérieure ou exobase se situe à 600 km et l'exosphère commence à 800 km d'altitude.

Dans le cas de Pluton, l'équivalent de la troposphère présente une épaisseur de 40 km soit un peu plus de 3 % du rayon de Pluton. En revanche, la limite extérieure est difficile à définir bien que nous sachions qu'elle s'étend très loin de la surface. Si nous la comparons à l'exobase de l'atmosphère terrestre, celle de Pluton se situe à au moins 8 fois son rayon (1185 km) au-dessus de la surface soit à plus 9600 km d'altitude.

Selon les modèles étudiés par Darrell Strobel du JHU, le taux d'échappement des molécules d'azote atteindrait 3.5x1027 molécules par seconde au niveau de l'exobase.

La pression atmosphérique au sol varie entre 0.2-0.3 Pa soit à peine 30 microbars (~10-3 mbars), un million de fois inférieure à celle que nous connaissons à la surface de la Terre (1013 HPa ou 1 bar).

Les études spectrales, de spectrométrie infrarouge et de polarisation de la lumière indiquent que son atmosphère est composée de 99.5 % d'azote et de 0.5 % de méthane. Elle contient également des traces d'ammoniac, de monoxyde et de dioxyde de carbone, d'argon et de l'oxygène. De l'acide cyanhydrique (HCN) a également été détecté ainsi que de l'hydrogène libre.

Profils des températures de l'atmosphère de Pluton selon deux modèles. Document Darrell Strobel/JHU/NASA adapté par l'auteur.

La température de l'atmosphère augmente rapidement avec l'altitude en raison de l'effet de serre induit par le méthane qui absorbe le rayonnement infrarouge du Soleil. Le changement de température varie entre 3 et 15° par kilomètre (contre 6.5°C/km sur Terre dans l'atmosphère standard).

La température remonte jusque -173°C en haute altitude où le gradient de pression est également 7 fois plus élevé qu'au sol et atteint 3 Pa ou 3 microbars.

L'interaction entre l'air chaud et l'air froid ainsi que les variations entre les hautes et basses pressions génèrent des vents dont la force augmente durant le passage au périhélie. A l'inverse de ce que nous connaissons sur Terre, il n'y a pas de gradient vertical de température et de pression mais plutôt des gradients horizontaux.

Sur Pluton deux phénomènes peuvent engendrer des vents : d'une part un gradient de pression horizontal généré par la distribution inégale des molécules glacées d'azote et d'autre part un gradient de température horizontal engendré par la distribution  inégale de la chaleur du Soleil. En contrepartie, ces vents permettent de redistribuer la glace sur la surface de Pluton.

Angela Zalucha, chercheuse à l'Institut SETI, a estimé la force des vents sur Pluton à 37 km/h. Toutefois, certains modèles climatiques exploitant les mêmes algorithmes que ceux utilisés pour Mars suggèrent qu'il pourraient atteindre 360 km/h ! Ces vents violents se développeraient vers 100 km d'altitude où il n'y a plus de friction entre l'air et la surface. A ces altitudes il n'y a plus de nuages et à des altitudes supérieures, la vitesse de libération devient supersonique et permet aux gaz atmosphériques de s'échapper dans l'espace. Ces conditions sont similaires à celles régnant dans la haute atmosphère terrestre.

Même à plus de 5 milliards de kilomètres du Soleil, le vent solaire atteint encore l'orbite de Pluton. Bien qu'il soit presque 1000 fois moins dense qu'au niveau de l'orbite terrestre, ce vent véhicule des protons et des électrons ainsi que de l'hélium et de l'oxygène ionisés à une vitesse de 300 à 500 km/s. 

Le vent solaire et le rayonnement UV interagissent avec l'atmosphère supérieure (l'exosphère) de Pluton. Cela signifie que lorsque ces molécules sont ionisées, elles sont électriquement chargées et deviennent sensibles au champ magnétique (solaire) interplanétaire; elles peuvent alors être entraînées par le champ de force du vent solaire. En vertu de la conservation de la quantité de mouvement (le moment en physique), le vent solaire correspondant s'alourdit et sa vitesse à tendance à décroître.

A gauche, schéma montrant les interactions entre les hémisphères éclairées et obscures de Pluton et la migration des substances volatiles qui s'en suit ainsi que sa structure géologique interne probable. A droite, le 15 juillet 2015 la sonde New Horizons en route vers la Ceinture de Kuiper se retourna pour photographia Pluton à contre-jour à 2 millions de km de distance, révélant son atmosphère. Sa nature est similaire à celle de Titan. Elle contient de l'azote et du méthane qui réagissent chimiquement sous l'effet du Soleil pour former des tholines, des petites particules brunâtres ressemblant à de la suie qui précipitent sur le sol. On distingue deux couches distinctes de brume, l'une à environ 50 km l'autre à environ 80 km d'altitude. La photo combine les informations des couleurs bleue, rouge et proche infrarouge telle que l'oeil humain devrait les percevoir. Documents J.Spencer/Lowell Obs adapté par l'auteur et JHUAPL.

C'est dans le but d'étudier ce vent solaire que la sonde New Horizons embarqua les instruments SWAP (Solar Wind Around Pluto) et PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation).

Les premières images à contre-jour de Pluton révèlent deux couches de brume distinctes : l'une à environ 50 km de la surface, l'autre à environ 80 km d'altitude. Selon Michael Summers de l'Université George Mason à Fairfax en Virginie, les couches de brumes sont un élément clé dans la formation des composés hydrocarbonés complexes qui donnent sa couleur brune-rougeâtre à la surface de Pluton.

Brumes et aérosols d'hydrocarbures

Les modèles suggèrent que les brumes d'altitude se forment lorsque le rayonnement UV solaire sépare les molécules de méthane en hydrocarbures simples dans l'atmosphère de Pluton. La séparation du méthane (CH4) initie la formation de gaz d'hydrocarbures plus complexes comme l'acétylène (C2H2) et l'éthylène (C2H4) qu'on a également détectés dans son atmosphère.

A mesure que ces composés tombent dans les basses couches plus froides de l'atmosphère, ces hydrocarbures se condensent sous forme de particules glacées, formant des brumes d'altitude. Comme sur le satellite Titan de Saturne, par action chimique, la lumière ultraviolette du Soleil convertit ces brumes d'hydrocarbures en tholines dont les particules ont une taille et une consistance similaire à celle de la suie qui précipitent sur le sol en formant des taches brunâtres à la surface de Pluton.

Comme nous l'avons évoqué, avec les nuages viennent la pluie où, étant donné la distance de Pluton au Soleil, la neige. Mais ce n'est pas la même neige que sur Terre, non seulement par sa composition mais également en raison de la faible densité de l'atmosphère.

Contrairement à la Terre où l'épaisse atmosphère permet facilement à la vapeur d'eau de se condenser, sur Pluton les particules condensées doivent être très petites - de l'ordre du micron - et ne forment probablement pas de flocons de neige. Mais ils pourraient malgré tout être réguliers avec une symétrie hexagonale comme nos plus petits flocons de neige.

Enfin, d'après les analyses specrométriques et l'interprétation des photographies en fausses couleurs, il semble que Pluton perde une partie de son atmosphère au profit de son satellite Charon et vice versa, le pôle de ce dernier présentant une teinte en tout point identique à celle des régions situées aux latitudes moyennes de Pluton.

Planisphère de Pluton. Document JHUAPL.

Géologie

Les premières mesures de brillance de surface de Pluton furent réalisées en 1985 et en 1990 à l'occasion d'éclipses mutuelles entre Charon et Pluton. Selon les dernières mesures, Pluton présente un albedo géométrique variant entre 0.49 et 0.66, ce qui le rend près de 30 % plus brillant que Charon.

La surface de Pluton est constituée de silicates offrant un albedo moyen de 0.60, ce qui s'explique par la présence de grandes étendues glacées. Sa surface est composée à 98 % d'azote (N2) et contient des traces de méthane (CH4) et de monoxyde de carbone (CO) vraisemblablement précipités de l'atmosphère.

Dans ces contrées reculées du système solaire, le méthane est refroidi à -203°C, 70 K, mais subit de fortes variations en raison de l'excentricité de l'orbite qui conduit Pluton jusqu'à 49 UA du Soleil, dans l'espace glacial de la ceinture intérieure des KBO. Dans des conditions extrêmes la surface de Pluton peut descendre à -240°C soit 33 K !

A consulter : New Horizons - NASA's Mission to Pluto (JHUAPL)

Toutes les photos de Pluton et de ses satellites

Deux étonnantes photographies de Pluton  prises à contre-jour par la sonde spatiale New Horizons le 14 juillet 2015, 15 minutes après le périastre. L'image de gauche couvre un champ large de 1250 km. On constate que l'atmosphère est stratifiée. Il s'agit de couches de brume s'élèvant jusqu'à 100 km d'altitude. Les zones blanches dans le secteur droit sont les champs glacés de Sputnik Planum (la partie gauche du motif en "coeur" de Pluton) dans lesquels se déversent des coulées de glace provenant des zones montagneuses. Documents JHUAPL.

Les relevés effectués par la sonde New Horizons et antérieurement par l'étude photométrique des occultations de Pluton par Charon ont révélé la présence de deux calottes polaires. La calotte polaire Nord est plus importante que celle de l'hémisphère Sud mais cette dernière est plus brillante. Leur forme évolue au rythme des cycles orbitaux et saisonniers. La calotte polaire boréale est constituée d'une épaisse couche de glace d'eau diluée dans de l'azote et du méthane.

Selon les modèles, la surface de Pluton est localement couverte de givre composé des sous-produits issus de la précipitation des composés méthano-azotés de l'atmosphère. On reviendra sur la composition du sol.

Les analyses multispectrales en lumière visible et infrarouge (instruments Ralph, MVIC et LESIA) ont montré que certaines zones exposées sont couvertes de glace d'eau et ces surfaces sont plus étendues qu'on l'imaginait. La plus forte concentration se situe sur le pourtour ouest et nord du motif en coeur de la plaine de Tombaugh Regio comme on le voit ci-dessous à droite, en particulier le long de Virgil Fossa, une vallée étroite située à l'ouest du cratère Elliot, dans la région de Viking Terra et Baré Montes, sur les pentes de certains cirques et la plaine avoisinante.

La non détection de glace d'eau dans Tombaugh Regio signifie qu'à cet endroit l'épaisseur de la couche de glace de méthane et d'azote est plus importante qu'ailleurs sur la planète.

Notons que les noms attribués aux reliefs de Pluton par les planétologues du JHUAPL sont informels et n'ont pas encore été validés par l'UAI.

A gauche, dans la partie ouest du "coeur" de Pluton, au bord de la plaine de Sputnik Planum, on distingue des coulées de glace d'azote au bas des montagnes cratelées. Elles témoignent d'une activité géologique récente. Voici la version annotée. Au centre, l'analyse de la surface de Pluton en infrarouge par New Horizons a révélé d'importantes concentrations de glace d'eau au pôle Nord et de glace de méthane, en particulier dans la chaîne de montagne équatoriale. Le bleu correspond aux émissions comprises entre 1.62 et 1.70 microns correspondant à la bande d'absorption moyenne de la glace de méthane. Le vert correspond aux émissions de 1.97 à 2.05 microns et aux régions où le méthane n'absorbe pas la lumière. Enfin, le rouge correspond aux émissions entre 2.30 et 2.33 microns où la glace de méthane absorbe fortement la lumière. A droite, les lieux où se concentre la glace d'eau en surface. La plaine en forme de coeur de Tombaugh Regio en est dépourvue, la couche de glace de méthane et d'azote étant probablement trop épaisse pour la révéler. Doc JHUAPL.

Les photographies prises à courte distance par New Horizons présentent une résolution inférieure à 1 km. Elles montrent localement des zones brunes composées d'hydrocarbures y compris de tholines, notamment à hauteur de l'équateur. Visiblement la surface de Pluton a été localement recouverte de plusieurs couches de matériaux différents.

Modélisation

A ce sujet, en 2016 Tanguy Bertrand et François Forget du CNRS ont publié dans le magazine Nature les résultats d'une modélisation de Pluton sur une période de plus de 50000 ans qui apporte quelques indices sur la nature et l'évolution de sa surface dont la persistance de la plaine en forme de coeur de Tombaugh regio, en particulier de son lobe ouest nommé Sputnik Planum de 1000 km de large qui représente un immense glacier.

Selon Bertrand, "la surface de Pluton est un étonnant cocktail de différents types de glaces qui n'existent pas à l'état naturel sur Terre. Nous avons développé un modèle thermique de la surface de Pluton afin de mieux comprendre les mécanismes de condensation/sublimation de la glace à l'échelle de la planète. Ce modèle nous permet aussi d'explorer différents scénarii climatiques qui pourraient expliquer la distribution de la glace sur Pluton."

Les simulations montrent que la forme en coeur est en grande partie créée par de la glace d'azote hautement volatile qui s'accumule dans le bassin où elle forme un réservoir permanent de glace comme l'ont montré les photos prises par New Horizons. Ce phénomène se produit en raison de la phase solide-gaz en équilibre de l'azote. Au fond du bassin, la pression de l'atmosphère et donc du gaz d'azote est plus élevée et donc la température de solidification est plus élevée qu'à l'extérieur. Par conséquent, l'azote se condense préférentiellement en glace à cet endroit. La glace de monoxyde de carbone qui est aussi volatile de celle d'azote est également séquestrée dans ce bassin.

Quant à la glace de méthane qui est beaucoup moins volatile aux températures régnant sur Pluton, comme le montre la simulation ci-dessous, elle ne se concentre pas uniquement dans le glacier de Sputnik Planum comme l'azote et le monoxyde de carbone. Selon ce modèle et comme l'a montré New Horizons, du givre de méthane pur recouvre les deux hémipshères de manière saisonnière.

A gauche, modélisation de la surface pendant une année de Pluton révélant l'existence d'un cycle de dépôts saisonniers apportés par la brume (en brun) et la persistance de la plaine de Sputnik Planum (blanc). Cliquer sur l'image pour lancer l'animation (GIF de 2.2 MB). A droite, la distribution des glaces à la surface de Pluton. Documents T.Bertrand et F.Forget/CNRS/JHUAPL (2016) adaptés par l'auteur.

Le modèle prédit aussi que la pression atmosphérique qui actuellement au maximum saisonnier va diminuer au cours des prochaines décennies tandis que le givre de méthane disparaîtra.

Selon Bertrand, "ce modèle montre qu'un réservoir interne de glace d'azote ne doit pas nécessairement exister pour expliquer la formation de Sputnik Planum, comme l'ont suggéré les études précédentes. A la place, des principes physiques bien connus peuvent l'expliquer". 

Si ce modèle semble fonctionner, fin 2016 Richard Binzel spécialiste des sciences planétaires au MIT pubia une étude dans Nature fondée sur les données transmises par la sonde New Horizons concernant la composition de Sputnik Planum. Dans cette étude, il suggère l'existence d'un océan d'eau glacée de consistance visqueuse sous le bassin formant le "coeur" de Pluton.

Quel astronome a raison ? La question ne sera résolue que le jour où nous pourrons extraire une carotte glaciaire du sous-sol de Pluton où disposer d'instruments radars capables de sonder en profondeur son sous-sol.

Morphologie des reliefs

L'instrument Ralph a révélé que la partie gauche et centrale du coeur (Tombaugh regio) contient de grandes concentrations de monoxyde de carbone. Comme on le voit ci-dessous à droite, la région de Sputnik Planum située dans la partie gauche du coeur est extrêment lisse et forme des motifs arrondis entourés de dépressions. Leur forme irrégulière pourrait résulter de la contraction des matériaux superficiels, à l'image de ce qui se produit sur Terre lorsque la boue sèche. Leur forme pourrait également s'expliquer par la convexion dans la couche superficielle composée de monoxyde de carbone, de méthane et d'azote glacés, phénomène entretenu par la faible chaleur remontant de l'intérieur de Pluton.

Cette plaine glacée contient localement des puits probablement formés par sublimation (la glace passe directement de l'état solide à l'état gazeux) ainsi que quelques montagnes et des pitons isolés. La surface est également couverte de rainures de quelques kilomètres alignées dans la même direction suggérant qu'elles ont été creusées par le vent soufflant dans la plaine.

Photographies de Pluton transmises par la sonde spatiale New Horizons le 14 juillet 2015 et colorisés à partir des données de l'instrument Ralph/MVIC (IR+R+B). Ci-dessus à gauche, une image prise à 770000 km de distance, soit 1h30 avant le périastre. La résolution est inférieure à 1 km. Elle couvre une surface d'environ 360x177 km de Norgay Montes, révélant un terrain mixte, remodelé sur la partie gauche avec plusieurs couches superposées et montagneux à droite contenant de nombreux pics. Ces montagnes isolées sont composées de glace d'eau et s'élèvent à 3500 m d'altitude. Les taches sombres autour du sommet de certains cones sembent indiquer qu'il s'agirait d'ejectas. Au centre, une région montagneuse photographiée à 1.3 millions de km de distance. La résolution est de 1.3 km. L'image couvre une largeur de 530 km et révèle des crêtes et des vallées contenant des dépôts bruns. A droite, un gros-plan sur la région sud de Sputnik Planum (la partie gauche du motif en "coeur" de Pluton) montrant une quantité impressionnante de puits d'origine est inconnue, probablement formés par sublimation. L'image fut prise à 15400 km de distance et couvre une surface de 80x80 km.

Ci-dessous, la région au nord-ouest de Sputnik Planum photographiée à 17000 km de distance. L'image s'étend sur 80 km de longueur et la résolution varie entre 77-85 mètres par pixel. On distingue des montagnes principalement composées de blocs de glace d'azote tombant sur les plaines glacées ainsi que des dépôts sombres d'hydrocarbures. La plaine comprend des dunes glacées et des petits puits d'origine inconnue aux intersections des zones polygonales. On distingue également quelques cratères sur la partie gauche enneigée. Documents JHUAPL.

La surface de Pluton comprend également des grands cirques de plusieurs centaines de kilomètres de diamètre dont certains présentent un piton central, on y trouve des formations complexes et localement polygonales, de nombreux pics, des réseaux de failles et des crêtes de plusieurs centaines de kilomètres et une chaîne de montagne parcourt la région équatoriale. Certains régions rappellent la surface glacée de Triton ou d'Europe mais leur formation est différente.

Selon le géologue Jeff Moore du centre Ames de la NASA et membre de l'équipe de géologie de la mission New Horizons, les montagnes peu élevée photographiées sur le terminateur de Pluton, dans la région de Norgay Montes, sont vraisemblablement composées de roches mêlées de glace de méthane et d'azote, des matériaux qui ne sont pas assez résistants pour former de hautes montagnes. En revanche, la glace d'eau peut former des pics comme on le voit sur les images. Ces pics de glace culminent à 3500 mètres d'altitude !

En se basant sur l'absence de cratères sur les photographies rapprochées, Moore et ses collègues estiment que ces reliefs se sont formés il a plus de 100 millions d'années. Ils sont donc relativement jeunes par rapport aux 4.56 milliards d'années du système solaire. En effet, comme on le constate ailleurs sur Pluton, en quelques milliards d'années Pluton aurait dût être criblée de cratères, à l'image de la Lune. Leur absence et la présences de plusieurs couches superposées dans les plaines indiquent que la surface a récemment été remodelée par un phénomène probablement géologique qui effaça les anciennes traces. Selon Moore, Pluton ne pouvant pas compter sur la chaleur des interactions gravitationnelles pour modeler sa surface, un autre processus a oeuvré pour former ces paysages montagneux. Il faut à présent trouver son origine et des traces de son activité.

Photographies de Pluton transmises par la sonde spatiale New Horizons. A gauche, une photo prise le 12 juillet 2014 à 2.5 millions de kilomètres de distance. Notez la chaîne de montagne dans la partie équatoriale et les failles, les formes polygonales et les grandes taches sombres formées de dépôts métano-azotés sous l'équateur. Le grand coeur clair se profile sur la gauche du limbe. Ensuite deux photos prises le 11 juillet 2015 à 4 millions de kilomètres de distance et enfin une photo prise le 9 juillet 2015 à 5.4 millions de km de distance (longitude de 19°). Documents JHUAPL.

Le processus le plus probable est une activité cryovolcanique, à l'image de celle qu'on observe sur d'autres corps célestes qui n'est pas sans rappeler l'activité volcanique terrestre dans les régions polaires. Ceci dit, il faut encore examiner beaucoup de photos, analyser beaucoup de données et les confronter aux modèles avant d'établir une théorie conforme aux observations.

Les spéculations

A. Le cryovolcanisme

New Horizons n'a pas encore photographié ni détecté de cryovolcans actifs, aucune éruption de vapeur d'eau, d'ammoniaque ou de méthane. Si c'était le cas, ce serait une découverte majeure, signe d'une activité interne.

Illustration d'un cryovolcan hypothétique sur Pluton. Document T.Lombry.

Si les scientifiques ont observé peu de changements dans la haute atmosphère de Pluton entre 1988 et 2013, en revanche, la basse atmosphère s'est épaissie et sa pression a augmenté ainsi que la couche de brume en surface. Ces changements extrêmes peuvent être provoqués par le cryovolcanisme.

Dans un article publié en 2015 dans le magazine Icarus, Marc Neveu et ses collègues de l'Université d'Arizona, ont déclaré qu'une atmosphère propice au cryovolcanisme doit contenir du monoxyde de carbone, des molécules d'azote, de méthane et de l'hydrogène moléculaire. Si l'astre contient l'un de ces éléments en abondance et à condition que le monoxyde de carbone ne soit pas dissout dans l'eau et que l'azote moléculaire ou les gaz réducteurs comme le méthane soient produits en masse via les évents hydrothermiques, alors l'astre développe un cryovolcanisme en surface.

Si c'est le cas, Pluton pourrait alors cacher une étendue liquide sous sa surface glacée sur une épaisseur d'environ 200 km. Le même phénomène pourrait exister sur Charon. Mais à ce jour, ce phénomène n'a pas été observé.

B. Structure interne

Concernant sa structure interne, avec une densité moyenne de 2.03, on en déduit que Pluton est constitué d'environ 70 % de roches et de 30 % de glace. Selon les modèles calculés au Caltech et au JPL à partir des observations du Télescope Spatial Hubble, son noyau occuperait 75 % du volume et serait rocheux. Le reste est plus spéculatif.

Au moins trois modèles géologiques coexistent. Les deux principaux modèles considèrent que Pluton contiendrait un noyau rocheux qui s'étendrait dans un rayon d'au moins 928 km. Concernant les 257 km restant jusqu'en surface, dans le premier modèle, il serait recouvert par un océan d'une profondeur d'environ 200 km sur lequel flotterait une épaisse couche de glace de 50 à 60 km d'épaisseur. Les mouvements de cette glace formeraient des crêtes et des failles en surface. Dans ce cas, des débordements visqueux et des éjections de vapeur et de matière sont envisageables.

Dans le second modèle, il n'existerait pas d'océan mais uniquement une enveloppe glacée de 257 km d'épaisseur.

Selon les modèles, cette couche de glace serait soit constituée de méthane soit d'azote mélangé à un peu de méthane.

Enfin, un dernier modèle moins probable considère que l'intérieur de Pluton présenterait une densité homogène du centre jusqu'à la surface.

Ionosphère et magnétosphère

A l'image du satellite Ganymède de Jupiter, il se peut que Pluton ait conservé un champ magnétique en raison des forces de marées engendrées par son satellite Charon. Mais actuellement rien ne l'indique.

Grâce à l'instrument REX, New Horizons pourrait détecter l'ionosphère de Pluton qui se situerait vers 1100 km d'altitude (cf. aussi le champ magnétique de la Terre).

Si Pluton dispose d'un champ magnétique - et donc d'une magnétosphère - SWAP et PEPSSI pourraient le détecter. Ce champ magnétique pourrait être entretenu par une interaction avec le vent interplanétaire, un peu comme le font les comètes; il s'agirait alors plutôt d'une "cométosphère" comme le suppose Alan Stern dans son livre "Pluto and Charon" (1997).

Si on découvre ces structures, alors il y a des chances qu'on puisse observer des aurores sur Pluton, même si elles seraient très pâles et la probabilité très faible (cf. les aurores). En effet, la présence d'aurores exige que le champ magnétique de Pluton oriente et focalise les particules chargées dans une toute petite région de la haute atmosphère et que le vent solaire puisse être détectable et dévié à environ 10 rayons de Pluton. A ce jour, aucune trace de champ magnétique ni d'ionosphère n'a été détectée.

Enfin, Pluton est escorté par 5 satellites naturels. C'est l'objet du prochain chapitre.

Prochain chapitre

Charon, le passeur des Enfers

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