Explorez les secrets glacés de Ceres

Faites un voyage sur la planète naine où les minéraux et l'eau recouvrent la surface, jetés là par des volcans qui crachent de la glace.

Par Michael Carroll  | Publication: mercredi 11 septembre 2019

SUJETS CONNEXES: CERES

La surface de Cérès est soumise à une relaxation visqueuse, ce qui fait que les caractéristiques topographiques s'enfoncent dans le paysage environnant et la laisse largement lisse et dépourvue de montagnes ou de parois de cratère escarpées. Dawn a pris cette image d'un Ceres partiellement illuminé en 2015, à une distance d'environ 1300 km (8400 miles). 

NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA

Notre système solaire scintille d'une multitude de volcans. Sa ménagerie en éruption comprend des formes qui nous sont familières, comme les cônes de cendre et les boucliers gracieux du paysage martien. Les montagnes de Vénus prennent des formes plus étrangères, compte tenu de l'atmosphère dense de la planète et de la chimie des roches unique: dômes de crêpes, toiles d'araignées et tiques. Plus loin, les volcans sur la lune de Jupiter Io affichent des natures violentes, faisant exploser des matériaux à des centaines de kilomètres au-dessus du visage pizzaloon de la lune.

Certains volcans, appelés cryovolcans, crachent même de la neige fondue glacée au lieu de la roche: les mondes de glace Europa et Encelade ont leurs propres versions du Vésuve, envoyant des jets d'eau glaciale dans le vide. À Neptune, la lune Triton affiche des éruptions uniques, avec des colonnes d'azote réfrigérées flottant dans le ciel sombre. Nous voyons même des indices de cryovolcanisme sur Wright et Piccard Mons, au sommet du cratère de Pluton.

Nous pensions avoir tout vu. Puis vint Ceres.

Le vaisseau spatial Dawn de la NASA a fourni aux astronomes des images de près pour étudier en détail la surface de la planète naine. Le cratère Occator massif et lumineux occupe le devant de la scène dans cette image en fausses couleurs de la surface de Ceres, qui montre de claires différences de composition sur son visage. 

NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA

Unique en son genre

Cérès fait partie de la principale ceinture d'astéroïdes, une bande de roches en forme d'anneau qui entoure le Soleil entre les orbites de Mars et de Jupiter. En tant que plus grand membre, Ceres est à peu près sphérique: il mesure 588 miles (945 kilomètres) de diamètre et constitue près d'un tiers de la masse de la ceinture entière. C'était la première planète naine - et le premier objet de la ceinture principale - jamais découvert. Cependant, lorsque Giuseppe Piazzi l'a repéré pour la première fois en 1801, l'objet est apparu simplement comme un point de lumière, semblable à une étoile. Par conséquent, Ceres et ses frères et sœurs de la ceinture principale ont reçu le nom «astéroïdes», du mot grec pour «semblable à une étoile».

Bien que plus proche que toute autre planète naine ou lune glacée, Ceres est trop petit pour étudier pour tous, sauf les télescopes les plus avancés, et même ces instruments résolvent son visage comme une poignée de pixels. Les observations basées sur la Terre ont montré des traces d'eau dans son spectre et ont noté une mystérieuse tache blanche sur un hémisphère, qui, selon les astronomes, pourrait être un affleurement de glace d'eau. Certains chercheurs ont émis l'hypothèse que Ceres était une boule rocheuse avec des dépôts de glace cachés. D'autres ont émis l'hypothèse que le monde nain était recouvert d'une surface lisse et jeune - peut-être une boule de repère semblable à Europa cachant un océan sous une croûte de patinoire éclaboussée de poussière. 

En fait, un vaisseau spatial en visite a révélé que Ceres n'était pas de ceux-ci, mais plutôt incrusté de la chimie des mers anciennes, avec des dépôts minéraux salés dispersés sur son visage. Bien que Ceres soit un corps rocheux, il contient entre 20 et 30 pour cent d'eau, dont la majorité est probablement gelée. La naine glacée est un monde intermédiaire, habitant une zone crépusculaire entre des planètes terrestres et rocheuses et les globes de glace d'eau du royaume extérieur du Soleil. 

L'aube à Ceres

Une grande partie de ce que nous savons sur Ceres provient de la mission Dawn de la NASA, qui est arrivée dans le monde glacé au printemps 2015. Dawn s'est d'abord installée sur une orbite cartographique haute et lente. Au fur et à mesure que la mission progressait, les mécaniciens de bord ont ordonné à l'engin de se rapprocher en spirale.

Comme les planètes traditionnelles, Ceres est différenciée: la roche et le métal plus lourds se sont installés dans un noyau tandis que les glaces et la roche plus légères ont augmenté jusqu'au manteau et à la croûte. Aujourd'hui, la surface de la planète naine est un mélange de roche, de glace d'eau et de minéraux hydratés tels que l'argile et les carbonates (sels). La plupart de Cérès est aussi sombre que l'asphalte, mais ses taches vont d'un gris terne (semblable au béton de l'allée) au lustre éclatant de la glace de mer aux pôles de la Terre. En tout, Dawn a cartographié quelque 300 points lumineux similaires au plus grand vu de la Terre. 

Bien que les astronomes aient spéculé à l'origine que les zones éblouissantes étaient des affleurements glacés, Dawn a révélé que les imperfections consistaient à la place en sulfate de magnésium hydraté, similaire aux sels d'Epsom, et en carbonate de sodium, qui est généralement laissé à mesure que les lacs terrestres saisonniers s'évaporent. Les sels dans les régions lumineuses de Cérès en font l'un des trois seuls mondes dont les surfaces sont connues pour contenir des carbonates, qui sont considérés comme des marqueurs des conditions d'habitabilité; les deux autres mondes riches en carbonates sont la Terre et Mars. 

Les régions saumâtres de Cérès prouvent que l'eau existe toujours près de la surface: la majorité des taches sont associées à des cratères, elles peuvent donc être le résultat d'impacts qui ont libéré de l'eau souterraine. Le liquide exposé se sublimerait (passer directement du liquide à la vapeur) dans l'espace. Les taches de Cérès peuvent également indiquer un océan primordial qui a existé pendant un certain temps sous sa surface poussiéreuse. Des études gravimétriques montrent qu'une mer mince - peut-être un mélange d'eau et de boue - peut exister sous la croûte même aujourd'hui. 

Vinalia Facula sur le plancher est du cratère Occator est parsemé de dépôts blancs. La flèche pointe vers une zone où du liquide a pu s'écouler, laissant des sels plus brillants. La caractéristique carrée au centre est similaire aux structures volcaniques observées sur d'autres planètes. 

NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA / ASI / INAF

Dawn a détecté des plaques de glace en expansion sur les murs ou les sols de plusieurs cratères attribuées à un cycle de glace saisonnier. Les astronomes ont observé un tel cycle dans le cratère de Juling, situé dans l'hémisphère sud. Selon l'ingénieur en chef et chef de projet de Dawn, Marc Rayman, «En été, dans l'hémisphère sud, le sol du cratère chauffe davantage, ce qui réchauffe le sol et libère de la vapeur d'eau. La vapeur monte et se condense sur le mur nord froid. »Les chercheurs ont cartographié une zone de glace qui a augmenté de plusieurs centaines d'hectares:« Ce sont des molécules d'eau transportées d'un endroit à un autre », explique Rayman. 

De la glace a été observée à travers Cérès. Mais Cérès est trop proche du Soleil pour que la glace reste stable à la surface. Donc, quand on observe de la glace, c'est une forte indication d'une sorte d'activité. «Ceres est clairement un monde géologiquement actif», déclare Rayman. 

Un monde qui fuit? 

Les geysers sont un mode de transport des sels ou de l'eau de condensation de l'intérieur de Ceres à sa surface. Les dépôts brillants peuvent représenter des sites de cryovolcanisme ancien, où de la vapeur d'eau a fui ou a explosé à travers la croûte, forçant la matière des aquifères souterrains ou des mers. 

Certaines activités peuvent continuer même maintenant. En 2014, l'Observatoire spatial Herschel de l'Agence spatiale européenne (ESA) a détecté des nuages ​​de vapeur s'échappant de deux endroits distincts sur Cérès à un rythme de 13 livres (6 kilogrammes) par seconde. Cette observation a été la première confirmation de panaches d'eau dans la ceinture d'astéroïdes. Les scientifiques ont émis l'hypothèse que la vapeur provenait de la glace sublimant la surface de la planète naine.

Mais les observations de Herschel sont assez difficiles à interpréter. Des évaluations révisées ont remis en question les résultats. De son côté, Dawn n'a pas vu suffisamment de glace de surface pour expliquer ce que Herschel a détecté. Mais s'il y a de la glace souterraine, une partie pourrait être une source d'eau qui remonte à travers le sol.

Une autre possibilité est que l'activité solaire accrue a produit la vapeur d'eau transitoire que Hershel a détectée. "Supposons que le Soleil produit une éjection de masse coronale, donc un grand nombre de particules solaires énergétiques empiètent sur la surface et libèrent elles-mêmes des molécules d'eau", explique Rayman. Dawn portait un instrument pour détecter de telles particules de haute énergie du Soleil pour étudier cette possibilité. Les astronomes ont mis en place une campagne internationale coordonnée entre les télescopes basés sur la Terre et Dawn, mais l'activité solaire était tout simplement trop faible pour démontrer si l'activité du Soleil libérait l'eau de la surface.

Ces fissures dans le fond du cratère de l'Occator s'étendent sur environ 15 kilomètres. Les scientifiques croient que la pression à la hausse du cryomagma peut en être la cause, créant les canyons. 

NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA / ASI / INAF

Mais les observations de Herschel sont assez difficiles à interpréter. Des évaluations révisées ont remis en question les résultats. De son côté, Dawn n'a pas vu suffisamment de glace de surface pour expliquer ce que Herschel a détecté. Mais s'il y a de la glace souterraine, une partie pourrait être une source d'eau qui remonte à travers le sol.

Une autre possibilité est que l'activité solaire accrue a produit la vapeur d'eau transitoire que Hershel a détectée. "Supposons que le Soleil produit une éjection de masse coronale, donc un grand nombre de particules solaires énergétiques empiètent sur la surface et libèrent elles-mêmes des molécules d'eau", explique Rayman. Dawn portait un instrument pour détecter de telles particules de haute énergie du Soleil pour étudier cette possibilité. Les astronomes ont mis en place une campagne internationale coordonnée entre les télescopes basés sur la Terre et Dawn, mais l'activité solaire était tout simplement trop faible pour démontrer si l'activité du Soleil libérait l'eau de la surface.

La recherche continue. «C'est un problème difficile parce que Dawn n'a pas été faite pour étudier ce genre de choses», explique Rayman. Non seulement la détection de Herschel était-elle une tentative, mais les astronomes ne savent pas comment une telle brume pourrait rester sans atmosphère pour retenir l'eau. En 2016, Dawn a changé son orbite pour rechercher toute indication de vapeur d'eau. Il a examiné la glace du cratère Juling et a regardé le cratère Occator lorsqu'il était sur le membre de la planète naine, mais n'a pas trouvé de preuves de vapeur d'eau. Les chercheurs ont ensuite ordonné au vaisseau spatial de jeter un deuxième coup d'œil, mais encore une fois, ils sont restés sans résultats.

Une montagne solitaire

Néanmoins, l'image qui nous reste est un monde rocheux avec un sous-sol humide qui s'infiltre ou explose périodiquement dans l'espace dans les nuages ​​et les panaches. Si tel est le cas, Ceres doit être parsemé de caractéristiques cryovolcaniques. Mais l'enquête initiale de Dawn sur la planète naine n'a révélé qu'une seule grande montagne, baptisée Ahuna Mons.

Le sol de l'Occator Crater contient la zone la plus lumineuse de Ceres. Les dépôts saumâtres se distinguent par un contraste saisissant de la surface plus sombre de la planète naine sous de nombreux angles, y compris lorsque le cratère apparaît sur le membre du monde. 

NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA

Ahuna Mons est une caractéristique étrange. Il s'élève brusquement du paysage de cratère, dominant environ 5 km de son côté le plus raide. Soulignant une combinaison de caractéristiques, les chercheurs sont convaincus qu'Ahuna Mons est volcanique. Son sommet est fissuré comme ceux des dômes volcaniques vus sur d'autres mondes, tels que Mars, Vénus et la Terre. Les flancs de la montagne semblent avoir été marqués par des éboulements. Les dômes volcaniques des planètes terrestres ont tendance à former une coquille fragile au sommet, qui se fracture et produit des traînées de débris similaires sur leurs flancs. 

Tout sur Ahuna Mons indique que la montagne est géologiquement jeune. Ceres n'a pas d'atmosphère pour le protéger des impacts des météores, une grande partie de sa surface est donc altérée par la bruine constante des micrométéorites, ce qui entraîne des collines et des vallées arrondies. Mais Ahuna Mons montre une définition précise avec peu de cratères, ce qui suggère qu'il n'a pas connu autant d'altérations. Un dernier indice de sa jeunesse est sa couleur: les surfaces de glace et de roche ont tendance à s'assombrir avec le temps grâce à un rayonnement solaire constant, mais le dôme est l'une des régions les plus brillantes de Cérès. 

Les chercheurs estiment que l'âge du sommet se situe entre 70 millions et 240 millions d'années. Le massif s'est peut-être élevé assez rapidement, atteignant son altitude actuelle de 13 000 pieds (3 965 m) en quelques centaines à quelques centaines de milliers d'années. L'idée qu'elle aurait pu atteindre cette hauteur si rapidement inspire des scientifiques comme Rayman. «Même quelques centaines de milliers d'années pour une structure de 13 000 pieds de haut, c'est assez rapide», dit-il. "Non seulement cela: la structure a plus de 70 millions d'années, et elle est toujours debout avec des pentes incroyablement raides."

On ne sait pas si Ahuna Mons fait encore éclater des cryolavas (probablement de l'eau épaisse et boueuse). À la lumière de son potentiel d'activité géologique, les chercheurs ont commencé à fouiller la surface de Ceres pour trouver d'autres preuves du volcanisme passé, mais la recherche a été difficile. La plus grande partie de l'activité volcanique mondiale semble s'être produite il y a des centaines de millions d'années, et elle pourrait remonter jusqu'à 2 milliards d'années. Le temps, les impacts, les radiations et les micrométéorites ont presque effacé bon nombre des empreintes digitales des anciennes éruptions. 

Le dôme d'Ahuna Mons s'élève à environ 5 km de son côté le plus raide. Une combinaison de caractéristiques, notamment sa hauteur, sa forme et sa couleur, indique qu'il s'agissait d'un cryovolcan actif dans un passé récent. Les chercheurs ont créé cette vue simulée, qui exagère la hauteur d'Ahuna Mons d'un facteur deux, en utilisant des images en couleurs améliorées prises par Dawn à une altitude de 240 miles (385 km). 

NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA

Mais ils sont là. Les chercheurs ont identifié au moins 21 autres dômes cryovolcaniques allant de 10 à 53 miles (16 à 86 km) de diamètre. Pour les trouver, les enquêteurs ont comparé les dômes modélisés par ordinateur aux images stéréo de la surface de Dawn pour révéler des sites candidats qui se sont progressivement installés et enfoncés dans le paysage du cratère pendant des éons. Les températures à Ceres ne sont pas assez basses pour rendre la glace suffisamment forte pour supporter une structure massive comme une montagne. Ainsi, les crêtes, les canyons et les pics ont tendance à se détendre et à sombrer dans un processus appelé relaxation visqueuse. Les éléments de surface s'écoulent lentement, comme un glacier, finissant par s'estomper dans le paysage voisin. Les chercheurs ont joué à un jeu de cache-cache, cherchant des montées qui correspondent à un modèle d'une haute montagne qui était tombée dans ses environs. "[Les sites candidats] mesurent tous un kilomètre ou plus,

Les données indiquent que de nouvelles éruptions de cryovolcans ont éclaté, en moyenne, tous les millions d'années au cours du dernier milliard d'années. Mais la vitesse à laquelle de nouveaux matériaux sont déposés sur la surface est faible par rapport aux planètes terrestres - de l'ordre de 100 à 100 000 fois moins. Chaque année, le volume moyen des cryolavas sur Cérès est d'environ 13 000 verges cubes (9 940 mètres cubes), soit suffisamment pour remplir quatre piscines olympiques. C'est minuscule par rapport à l'activité volcanique de la Terre, qui génère 1 milliard de verges cubes (765 millions de mètres cubes) de roche en fusion par an. Les scientifiques calculent le débit en comparant une vingtaine d'autres dômes sur Cérès, chacun à divers degrés d'érosion, à Ahuna. En estimant leur âge, les chercheurs obtiennent alors un taux moyen grossier de formation cryovolcanique au cours du dernier milliard d'années.

Et l'avenir? «Il est certainement difficile de faire des prévisions pour l'activité future de Ceres», explique le chercheur de l'ESA, Ottaviano Ruesch, dont les domaines d'intérêt incluent la géologie de Ceres et la première cible de Dawn, l'astéroïde de ceinture principal Vesta. «Ce que nous pouvons dire n'est que sur une base spéculative, mais si nous considérons que le cryovolcanisme a persisté tout au long de l'histoire de Cérès jusqu'à des époques géologiquement récentes [d'il y a quelques milliards d'années à quelques centaines de millions d'années], il n'y a aucune raison de exclure les événements du million d'années à venir. »

Le cratère Haulani de 21 miles de large (34 km) révèle sa composition unique dans cette image en fausses couleurs. Les régions plus bleues sont associées à des matériaux plus jeunes, éventuellement remontés de sous la surface. 

NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA

Nourrir les incendies

Sur les planètes terrestres, la chaleur résiduelle de la création planétaire peut être augmentée par la chaleur produite dans leurs noyaux lorsque des éléments radioactifs comme l'uranium se désintègrent. Plus la planète est grande, plus les matières radioactives se sont rassemblées au cours de son processus de formation; les planètes plus grandes retiennent également la chaleur pendant de plus longues périodes. Dans le cas de la Terre et peut-être de Vénus - les deux plus grands terrestres - le volcanisme est toujours vivant aujourd'hui. L'ère volcanique de Mars s'est terminée il y a environ 500 millions d'années, bien que les orbites Mars Express de l'ESA et Mars Odyssey de la NASA aient localisé plusieurs points chauds qui pourraient indiquer une activité résiduelle de bas niveau.

Les petits objets comme les lunes et les astéroïdes n'avaient pas autant de matières radioactives au départ. Pourtant, les cryovolcans de Ceres semblent assez jeunes pour que le chauffage radioactif du cœur ne soit pas à lui seul responsable. Quelque chose d'autre se prépare. 

Voyager a révélé que le volcanisme peut être déclenché par des forces autres que le chauffage radioactif. Le frottement des marées, cette tire-tire gravitationnelle entre les planètes et les lunes, peut générer des quantités prodigieuses de chaleur interne. Mais pas à Ceres. Le monde solitaire est trop loin des autres objets pour être affecté de manière significative par le tiraillement gravitationnel. Une autre possibilité concerne le contenu de l'eau. Des matériaux comme l'ammoniac, le méthane et divers sels peuvent abaisser le point de fusion de la glace d'eau - que toute cryolava sur Ceres pourrait contenir - permettant à l'eau de couler et aux éruptions cryovolcaniques de se produire même dans les températures froides de la ceinture d'astéroïdes. Depuis que Dawn a trouvé des preuves de carbonates et d'argiles riches en ammoniac à la surface de la planète naine, ses observations suggèrent une mer souterraine recouverte de ces matériaux. 

La cause du volcanisme extraterrestre sur Cérès reste un mystère, mais l'équipe Dawn a proposé plusieurs possibilités. Une explication possible est qu'un gros impacteur a frappé le Cérès primordial après sa différenciation. L'impact aurait pu tirer des roches chaudes et des matières radioactives des couches profondes du manteau de Ceres, plaçant des poches de matières géologiquement chaudes près de la surface. 

Quelle que soit leur origine, les étranges volcans de boues de Cérès mettent le petit monde en bonne compagnie avec les exotiques Encelade, Europa, Pluton et les autres mondes cryovolcaniques de notre système solaire. Ce que nous savons, c'est que Ceres remet en question nos idées préconçues sur ce à quoi devrait ressembler un monde volcanique et comment il devrait se produire. Mais remettre en question nos idées préconçues est l'une des grandes valeurs de la science.

Source: http://www.astronomy.com
Lien: http://astronomy.com/magazine/2019/09/explore-ceres-icy-secrets?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR36JmefN3PYF9QT9vBN8BuWmSm1EGweWqqSRHuYv66K-J4YWutnwNCXh6A