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Pluton, le dieu des Enfers

Géologie (III)

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

Planisphère de Pluton. Document 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. La plaine est couverte de dunes composée de grains de méthane glacés. 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.

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.

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'éjecta. 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. Documents JHUAPL.

Parmi les formations étonnantes, comme on le voit ci-dessous, les gros-plans de la surface pris en juillet 2015 de la plaine claire située au nord-ouest de Sputnik Planum révélèrent des "rainures" de quelques kilomètres alignées dans la même direction suggérant qu'elles ont été creusées par le vent soufflant dans la plaine. Ces dunes couvrent une surface d'à peine 75 km de largeur. Il s'agit d'une zone a priori relativement jeune qui se serait formée il y a moins de 50000 ans. C'est la première fois qu'on découvre des dunes de glace sur une autre planète.

A priori, les astronomes ne comprenaient pas comment des dunes pouvaient se former sous une faible gravité et une faible pression atmosphérique. Les planétologues de l'Université de Plymouth et de l'Université de Cologne ont finalement compris que la faible pression régnant sur Pluton signifie que des vents beaucoup plus faibles que sur Terre suffisent à produire la saltation sur Pluton, c'est-à-dire l'accumulation de "sables" fins (et de limons sur Terre) qui peuvent se déplacer au-dessus du sol et retomber un peu plus loin (sur Terre, ce mécanisme déplace le sable de plusieurs dizaines de centimètres et laisse les limons quelques temps en suspension dans l'air). Selon les chercheurs, les gradients de température dans la glace induits par le rayonnement solaire pourraient également stimuler ce processus. Combinés ensemble, sur Pluton ces mécanismes peuvent former des dunes dans des conditions de vent normales (un vent soufflant à 40 km/h) et de manière quotidienne. Ces dunes sont composées de grains de la taille du sable constitués de méthane glacé comme l'expliqua Alexander G. Hayes de l'Université de Cornell dans un article publié en 2018 dans la revue "Science".

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). La région se situe au nord-ouest de Sputnik Planum et fut photographiée à 17000 km de distance. L'image ci-dessus s'étend sur 80 km de longueur et la résolution varie entre 77-85 mètres par pixel sur l'original. On distingue des montagnes principalement composées de blocs de glace d'azote tombant sur la plaine glacée. On distingue également des petits puits d'origine inconnue aux intersections des zones polygonales et quelques cratères sur la partie gauche montagneuse et enneigée ainsi que des dépôts sombres d'hydrocarbures. Ci-dessous, agrandissement de la partie droite de l'image précédente tournée de 90° dans le sens horloger afin de rendre correctement la perspective. La plaine est couverte de dunes constituées de fins grains de méthane glacés formées par un vent soufflant à 40 km/h. C'est la première fois qu'on observe des dunes de glace sur une autre planète. 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 élevées 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.

Modélisations

Formation de Pluton : la "comète géante"

Suite aux données recueillies par les sondes spatiales New Horizons de la NASA et Rosetta de l'ESA, le planétologue Christopher R. Glein du SwRI et son collègue J.Hunter Waite ont proposé en 2018 dans la revue "Icarus" (en PDF sur arXiv) un nouveau modèle cosmochimique de Pluton appelé la "comète géante".

Cartes de Pluton assemblées à partir des données de l'instrument Ralph de New Horizons. Notez l'abondance d'azote (N2) dans la région équatoriale de Sputnik Planum. Document NASA/JHUAPL/SwRI.

Les chercheurs voulaient comprendre l'origine de la composition particulière de la grande dépression claire de Sputnik Planum, une région glaciaire dont la partie équatoriale est riche en glace d'azote (N2) comme on le voit à droite (en jaune).

Ils ont découvert un lien intriguant entre la quantité estimée d'azote à l'intérieur du glacier et la quantité prédite si Pluton s'était formée par l'agglomération d'environ un milliard de comètes ou d'autres objets similaires à la composition chimique de la comète 67P "Choury" explorée par la sonde Rosetta.

Les scientifiques devaient comprendre non seulement pourquoi de l'azote est présent sur Pluton, dans son atmosphère et dans les glaciers, mais aussi comment de grandes quantités d'éléments volatils auraient pu s'échapper de son atmosphère et se répandre dans l'espace au fil des éons. Ils devaient ensuite trouver un scénario global pour expliquer leurs proportions ainsi que celle du monoxyde de carbone (CO, en vert sur la carte). Enfin, la faible abondance de monoxyde de carbone semblait être le signe qu'il était soit enfoui dans les glaces de surface soit qu'il fut détruit lors de la disparition de l'eau à l'état liquide.

Les chercheurs sont arrivés à la conclusion que le modèle de la "comète géante" est le plus adapté pour expliquer ces phénomènes. En plus de ce modèle, les scientifiques ont également étudié un modèle solaire dans lequel Pluton serait formé de glaces très froides dont la composition chimique serait plus proche de celle du Soleil.

Dans leurs conclusions, les chercheurs ont suggéré que la composition chimique initiale de Pluton fut héritée de blocs de construction cométaires et fut ensuite chimiquement modifiée par l'eau liquide, peut-être même dans un océan souterrain (voir plus bas), mais le modèle solaire satisfait certaines contraintes bien qu'il reste de nombreuses questions en suspens.

Évolution de la surface de Pluton

En 2016, Tanguy Bertrand et François Forget du CNRS ont publié dans la revue "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, le glacier de Sputnik Planum de 1000 km de large.

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, il est peu supporté du côté américain. Fin 2016, Richard Binzel spécialiste des sciences planétaires au MIT publia une étude dans la revue "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. La nouvelle modélisation de la "comète géante" publiée en 2018 supporte également l'hypothèse de l'existence d'un océan souterrain mais ne l'affirme pas faute de preuves.

Qui 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 dans la région de Sputnik Planum.

Les spéculations

A. Le cryovolcanisme

New Horizons n'a pas 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 la revue "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'ont été détectées.

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

Dernier chapitre

Charon, le passeur des Enfers

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