Océans sous-marins dans les satellites de type lunaire (par ex., Europe, Encelade) et recherche de biosignatures
Une nouvelle approche de l'habitabilité
Pendant des décennies, les planétologues ont cherché des conditions propices à la vie principalement sur des surfaces solides de type terrestre, en supposant que cela se produisait dans la « zone habitable », où l'eau liquide peut exister. Cependant, les découvertes récentes montrent que des océans internes peuvent exister dans des satellites glacés, maintenus par des sources de chaleur de marée ou des matériaux radioactifs, où l'eau liquide se trouve sous de fortes couches de glace – à l'abri du rayonnement solaire. Cela élargit notre compréhension des endroits où la vie peut prospérer : depuis des environnements proches du Soleil (Terre) jusqu'à des environnements lointains, froids, mais avec une énergie et une stabilité adéquates, dans les régions des planètes géantes.
Parmi tous les exemples, Europe (satellite de Jupiter) et Encelade (satellite de Saturne) se distinguent particulièrement : tous deux présentent des preuves solides d'océans salés sous-glaciaires, d'une possible source d'énergie chimique ou hydrothermale, ainsi que de ressources nutritives potentielles. L'étude de ceux-ci, ainsi que de Titan ou Ganymède, montre que l'habitabilité peut exister sous diverses formes et pas nécessairement uniquement dans les couches superficielles traditionnellement comprises. Nous passons en revue comment ces environnements ont été découverts, quelles conditions peuvent y permettre la vie et comment les futures missions envisagent de rechercher des biosignatures.
2. Europe : un océan sous la surface glacée
2.1 Indices géologiques issus de « Voyager » et « Galileo »
Europe, un peu plus petite que le satellite naturel de la Terre, la Lune, possède une surface claire recouverte de glace d'eau, parcourue par des structures linéaires sombres (fissures, crêtes, zones chaotiques). Les premières indications ont été détectées sur les photos de « Voyager » (1979), des données plus détaillées de « Galileo » (années 1990) ont montré une surface jeune et géologiquement active avec peu de cratères. Cela suggère que la chaleur interne ou les forces de marée renouvellent constamment la surface de la croûte, et qu'un océan pourrait exister sous la couche de glace, maintenant une glace lisse et « chaotique ».
2.2 Chaleur de marée et océan sous-glaciaire
Europe est en résonance de Laplace avec Io et Ganymède, donc les effets de marée déforment Europe à chaque orbite. Cette friction génère de la chaleur empêchant l'océan de geler. Les modèles prévoient :
- Épaisseur de la couche de glace : de quelques kilomètres à ~20 km, généralement estimée à ~10–15 km.
- Profondeur de l'eau liquide : 60–150 km, ce qui pourrait signifier qu'Europe contient plus d'eau que tous les océans terrestres réunis.
- Salinité : l'océan est probablement salé, contenant des chlorures (NaCl) ou des sulfates de magnésium, comme le suggèrent l'analyse spectrale et les calculs géochimiques.
La chaleur de marée protège l'océan du gel, tandis que la couche de glace agit comme isolant et aide à maintenir une couche liquide en dessous.
2.3 Possibilités d'existence de la vie
Pour la vie telle que nous la comprenons, les éléments essentiels sont l'eau liquide, une source d'énergie et les éléments chimiques de base. Sur Europe :
- Énergie : la chaleur de marée et peut-être des sources hydrothermales au fond, si le manteau rocheux est actif.
- Chimie : les oxydants formés par la radiation dans la glace de surface peuvent pénétrer dans l'océan par des fissures et permettre des réactions d'oxydoréduction. Il peut aussi y avoir des sels et des composés organiques.
- Biosignatures : leur recherche possible inclut la détection de molécules organiques dans les matériaux éjectés à la surface ou même des traces chimiques dans l'océan (par exemple, des déséquilibres indiquant des réactions biologiques).
2.4 Missions et recherches futures
La mission NASA Europa Clipper (prévue pour un lancement à la mi-2020) effectuera plusieurs survols, étudiera l'épaisseur de la couche de glace, la composition chimique et recherchera d'éventuels geysers ou anomalies de la surface. Un atterrisseur proposé pourrait prélever des échantillons à la surface. Si des fissures dans la glace ou des geysers transportent des matériaux de l'océan vers la surface, une telle analyse pourrait révéler des traces de vie microbienne ou de composés organiques complexes.
3. Encelade : la Lune des geysers autour de Saturne
3.1 Découvertes de Cassini
Encelade, un petit satellite (~500 km de diamètre) de Saturne, a été une surprise inattendue lorsque la sonde Cassini (depuis 2005) a détecté des geyseres de vapeur d'eau, de particules de glace et d'organique s'échappant du pôle sud (les soi-disant « rayures du tigre »). Cela indique qu'il y a de l'eau liquide sous une fine couche de glace dans cette région.
3.2 Caractéristiques de l'océan
Les données du spectromètre de masse de "Cassini" ont révélé :
- Eau salée dans les particules des geysers, avec NaCl et autres sels.
- Composés organiques, y compris des hydrocarbures complexes, renforçant la possibilité d'une évolution chimique précoce.
- Anomalies thermiques : chaleur de marée concentrée au sud, soutenant au moins un océan sous-glaciaire régional.
Les données indiquent qu'Encelade pourrait posséder un océan global recouvert de 5 à 35 km de glace, bien que l'épaisseur puisse varier selon les endroits. Il y a des indices que l'eau interagit avec un noyau rocheux, créant peut-être des sources d'énergie hydrothermales.
3.3 Potentiel d'habitabilité
Encelade présente un fort potentiel d'habitabilité :
- Énergie : chaleur de marée plus sources hydrothermales potentielles.
- Eau : océan salé confirmé.
- Chimie : présence de composés organiques dans les geysers, diverses sels.
- Accessibilité : les geysers actifs éjectent de l'eau dans l'espace, permettant aux sondes de collecter directement des échantillons sans avoir besoin de forer la glace.
Les missions proposées pourraient inclure un orbiteur ou un atterrisseur destiné à analyser en détail les particules des geysers – à la recherche de composés organiques complexes ou d'isotopes pouvant témoigner de processus biochimiques.
4. Autres satellites glacés et corps avec océans sous-glaciaires potentiels
4.1 Ganymède
Ganymède, le plus grand satellite de Jupiter, pourrait avoir une structure interne stratifiée avec une couche aqueuse possible. Les données de "Galileo" sur le champ magnétique indiquent une couche conductrice (probablement d'eau salée) sous la surface. On pense que cet océan est emprisonné entre plusieurs couches de glace. Bien que Ganymède soit plus éloigné de Jupiter, la chaleur de marée y est moindre, mais la chaleur radioactive et résiduelle pourrait maintenir une couche partiellement liquide.
4.2 Titan
Le plus grand satellite de Saturne, Titan, possède une atmosphère dense d'azote, des lacs de méthane/éthane à sa surface et peut-être un océan sous-glaciaire d'eau/ammoniac. Les données de "Cassini" montrent des anomalies gravitationnelles compatibles avec une couche liquide en profondeur. Bien que les liquides en surface soient principalement des hydrocarbures, l'océan interne de Titan (s'il est confirmé) serait probablement composé d'eau, ce qui pourrait constituer un autre milieu propice à la vie.
4.3 Triton, Pluton et autres
Triton (un satellite de Neptune, probablement "capturé" de la ceinture de Kuiper) pourrait avoir conservé un océan sous-glaciaire grâce au chauffage par marée induit lors de sa capture. Pluton (étudié par "New Horizons") pourrait également posséder un intérieur partiellement liquide. De nombreux objets transneptuniens (TNO) pourraient avoir des océans temporaires ou gelés, bien que cela soit difficile à confirmer directement. Ainsi, l'eau ne se trouve pas uniquement près de l'orbite de Mars : des couches aqueuses et des incubateurs potentiels de vie pourraient exister dans des régions plus éloignées.
5. Recherche de biosignatures
5.1 Exemples d'indicateurs de vie
Les signes possibles de vie dans les océans sous-glaciaires peuvent être :
- Déséquilibre chimique : Par exemple, concentration d'oxydants et de réducteurs incompatibles entre eux, difficilement expliquée par des processus non biologiques.
- Composés organiques complexes : Acides aminés, lipides ou composés polymériques éjectés dans les geysers ou la glace de surface.
- Rapports isotopiques : Composition isotopique du carbone ou du soufre s'écartant des modèles de fractionnement abiotiques.
Comme ces océans sont cachés sous plusieurs kilomètres, voire une dizaine de kilomètres de glace, il est difficile d'obtenir directement des échantillons. Cependant, les geysers d'Encelade ou peut-être les éruptions d'Europe permettent d'étudier le contenu de l'océan directement dans l'espace. Les instruments futurs pourraient détecter même de faibles quantités d'organique, de structures cellulaires ou de signatures isotopiques.
5.2 Missions d'exploration directe et idées de forage
Des projets prévus, tels que le « Europa Lander » ou le « Enceladus Lander », proposent de forer au moins quelques centimètres ou mètres dans la glace fraîche ou de collecter la matière éjectée par les geysers avec un équipement avancé (par exemple, un chromatographe en phase gazeuse couplé à un spectromètre de masse, une imagerie au niveau microscopique). Malgré les défis technologiques (risque de contamination, environnement radiatif, source d'énergie limitée), ces missions pourraient confirmer ou infirmer de manière décisive l'existence d'une vie microbienne.
6. Rôle général des mondes océaniques sous-glaciaires
6.1 Évolution du concept de « zone habitable »
Habituellement, la zone habitable désigne la région autour d'une étoile où de l'eau liquide peut exister à la surface d'une planète rocheuse. Cependant, la découverte d'océans internes alimentés par la chaleur de marée ou radioactive montre que l'habitabilité ne dépend pas nécessairement directement de la chaleur stellaire. Ainsi, les lunes des planètes géantes – même loin de la « zone habitable classique » – peuvent offrir des conditions vitales. Par conséquent, l'habitabilité des lunes situées dans les régions externes des systèmes exoplanétaires est également une possibilité réelle.
6.2 Astrobiologie et origine de la vie
Les études de ces mondes océaniques éclairent des voies alternatives de l'évolution. Si la vie peut apparaître ou subsister sous la glace, sans lumière solaire, alors sa répartition dans l'Univers pourrait être beaucoup plus étendue. Dans les profondeurs des océans terrestres, près des sources hydrothermales, on envisage souvent la possibilité que les premiers organismes vivants aient pu se former ici ; des conditions analogues au fond des mers d'Europe ou d'Encelade pourraient créer des gradients chimiques propices à la vie.
6.3 Importance des recherches futures
Si des biosignatures évidentes étaient trouvées sur un satellite glacé, ce serait une avancée scientifique majeure, indiquant une « seconde genèse de la vie » dans notre système solaire. Cela changerait notre conception de la prévalence de la vie dans l'espace, encourageant des recherches plus ciblées d'exolunes dans des systèmes stellaires plus lointains. Des missions telles que la « Europa Clipper » de la NASA, les orbiteurs proposés pour Encelade ou les technologies avancées de forage sont des étapes essentielles pour cette percée en astrobiologie.
7. Conclusion
Océans sous-glaciaires dans les satellites glacés, par exemple Europe et Encelade, sont parmi les foyers les plus prometteurs de habitabilité au-delà de la Terre. La chaleur de marée, les processus géologiques et les systèmes hydrothermaux possibles indiquent que même loin de la chaleur solaire, ces océans cachés pourraient abriter des écosystèmes microbiens. Quelques autres corps – Ganymède, Titan, peut-être Triton ou Pluton – pourraient également posséder des couches similaires, chacune avec sa propre chimie et géologie.
La recherche de biosignatures dans ces endroits repose sur l'étude des éjectas (matériaux éruptifs) ou, à l'avenir, sur la collecte d'échantillons en profondeur. Toute découverte de vie (ou du moins d'un système chimique avancé) ici provoquerait une révolution scientifique, révélant une « seconde » origine de la vie dans le même système solaire. Cela permettrait d'élargir la compréhension de la portée possible de la vie dans l'Univers et des conditions dans lesquelles elle peut exister. En poursuivant les recherches, la notion que l'« habitabilité » est possible uniquement dans un contexte de surface traditionnel dans la zone habitable proche d'une étoile s'élargit constamment – confirmant que l'Univers peut abriter des niches de vie dans des endroits inattendus et éloignés.
Liens et lectures complémentaires
- Kivelson, M. G., et al. (2000). « Mesures du magnétomètre Galileo : un argument plus fort en faveur d'un océan souterrain sur Europe. » Science, 289, 1340–1343.
- Porco, C. C., et al. (2006). « Cassini observe le pôle sud actif d'Encelade. » Science, 311, 1393–1401.
- Spohn, T., & Schubert, G. (2003). « Océans dans les satellites glacés galiléens de Jupiter ? » Icarus, 161, 456–467.
- Parkinson, C. D., et al. (2007). « Encelade : observations de Cassini et implications pour la recherche de la vie. » Astrobiology, 7, 252–274.
- Hand, K. P., & Chyba, C. F. (2007). « Contraintes empiriques sur la salinité de l'océan Européen et implications pour une fine couche de glace. » Icarus, 189, 424–438.