11 Septembre 2017

Huygens, le choc de Titan

En décembre 2004, la sonde américaine Cassini envoyait le module européen Huygens vers le sol le plus lointain jamais atteint par l’exploration spatiale. Titan, la plus grande lune de Saturne, a été le point d’orgue de cette collaboration qui a amené à de grandes découvertes en planétologie. À l’occasion de la fin de mission de Cassini, retournons sur Titan avec Athéna Coustenis, directrice de recherche CNRS au LESIA, à l’Observatoire de Paris.

Derrière un voile de nuages

Titan est la seule lune connue à être pourvue d’une véritable atmosphère, plutôt que des traces de gaz. Comme la Terre, elle est riche en diazote (98% contre 78% pour notre planète), et avec la même structure en couches (troposphère, mésosphère, etc), mais environ 10 fois plus étendue avec une épaisseur qui atteint 1200 km.

Avec une pression atmosphérique au sol 50% supérieure à la Terre et avec une gravité 7 fois plus faible que notre planète, l’atmosphère de Titan est si épaisse et opaque qu’elle l’a longtemps fait passer pour le plus grand satellite du Système solaire. Depuis que sa surface a pu être identifiée par la mission Voyager 1 en 1980, nous savons aujourd’hui qu’il fait 5150 km de diamètre, ce qui en fait le deuxième derrière la lune Ganymède de Jupiter.

« Pendant longtemps, Titan a été considéré comme un analogue de la Terre primitive, se souvient Athéna Coustenis. On sait aujourd’hui qu’il manque l’oxygène, certes comme sur la Terre primitive, mais avec des similarités et des différences qui font de Titan un objet unique qui mérite d’être étudié de près. Tout ce que l’on savait sur son atmosphère au début, c’était grâce aux survols des sondes Voyager qui ont découvert le diazote, et aux observations au sol. Des observations en infrarouge proche depuis l’ESO (observatoire européen austral) avaient en plus réussi à nous montrer des régions sombres et brillantes au niveau du sol, mais pas à en déduire leur composition. L’hypothèse était qu’il s’agissait d’océans d’hydrocarbures pour expliquer les 1,6 % de méthane présent encore aujourd’hui dans l’atmosphère. Grâce à Cassini et Huygens, ce sont plutôt des lacs de méthane et d’éthane qui ont été découverts. »

Si l’activité de Cassini s’est répartie sur Saturne, ses lunes et ses anneaux, Titan a été l’unique objectif de la mission européenne Huygens. Les deux sondes ont été prévues pour travailler ensemble : Cassini en orbite, capable de scanner la surface et l’atmosphère, et Huygens en descente le temps d’une journée pour avoir des données plus locales et obtenues in situ, l’un servant à confirmer l’autre.

« Les deux ont été pensés pour être complémentaires, confirme Athéna Coustenis, pour moi c’est ce qui fait le succès de cette mission. Il y a aussi le temps long de Cassini, qui a été essentiel pour étudier les phénomènes saisonniers et les effets climatiques. »

La descente sur Titan

Largué le jour de Noël par Cassini, Huygens est entré en contact avec l’atmosphère de Titan le 14 janvier 2005 à une altitude de 1600 km pour une descente de 2 heures et demies. Les analyses poussées ont commencé à 170 km du sol : mesure de la composition de l’atmosphère, la pression, la température et le champ électrique entre autres. Et à 700 mètres du sol, il allumait sa lampe pour éclairer son lieu d’atterrissage. Huygens a atterri en douceur au milieu de blocs de glace blancs et arrondis, témoignant d’un phénomène d’érosion. Il y a donc eu un écoulement par le passé, Huygens ayant atterri dans un ancien lit de rivière de méthane.

« Huygens est la sonde qui a atterri le plus loin dans le Système solaire, poursuit Athéna Coustenis. C’est un miracle technologique, elle a survécu contre toute attente, parce qu’elle était prévue au départ pour être un module de descente, pas un atterrisseur. Huygens embarquait quand même un pénétromètre pour creuser la surface et mesurer la consistance, la résistance du sol. Mais il n’y avait pas d’autres mesures prévues au sol, l’essentiel a été réalisé pendant la descente. La mission aurait peut-être pu être encore plus ambitieuse, en rajoutant d’autres instruments pour après l’atterrissage. Mais augmenter la complexité accroît aussi le risque d’incidents. »

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Panorama de Titan vu par Huygens lors de sa descente. Crédits : ESA/NASA/JPL/University of Arizona

Pendant les 30 minutes d’autonomie supplémentaire que lui accordaient ses batteries, le module a analysé son nouvel environnement. Cassini lui a servi de relais vers la Terre, ainsi que les radiotélescopes au sol, puis elle a définitivement cessé d’émettre. Mais la fin d’une mission n’est jamais la fin du travail pour les chercheurs. Les données brutes obtenues doivent encore être exploitées et peuvent mener à des découvertes des années plus tard. Comme en 2012, où les mesures radio et de conductivité de Huygens ont servi à confirmer l’hypothèse d’un océan interne sous la surface de Titan.

« Il y a un découplage entre la surface et l’intérieur, la croûte ne tourne pas à la même vitesse que le cœur. Les modèles actuels montrent que c’est cohérent avec un océan d’eau liquide, probablement coincé entre deux couches de glace, contrairement aux lunes Europe et Encelade où leur océan serait en contact direct avec le cœur. On ne sait pas exactement à quelle profondeur il se trouve mais il est très étendu, probablement 10 fois la totalité de l’eau sur Terre. »

Un océan de vie ?

Qui dit eau liquide dit peut-être vie, mais c’est loin d’être suffisant. Dans l’atmosphère de Titan, la chimie organique à partir du diazote et du méthane a déjà permis d’identifier la formation de molécules prébiotiques. Il faut également une source d’énergie, confirmée par la présence de cryovolcanisme (volcans de glace). Presque toutes les conditions sont réunies pour avoir un monde habitable.

« Le potentiel exobiologique de Titan est très élevé, confirme Athéna Coustenis. Il manque d’oxygène et reste un monde très froid, mais l’atmosphère d’azote est à la bonne pression. Les géophysiciens travaillent beaucoup sur les sources d’énergie interne de Titan et Encelade comme les effets de marée créés par gravité de Saturne. Les mêmes marées sont également la cause des geysers d’Encelade, qui éjectent de l’eau dans l’espace. Donc une fois de plus, nous avons tous les éléments pour pouvoir parler d’habitabilité. Dans le système de Saturne, cela nous fait au moins deux exemples pour la recherche de la vie très loin de notre Soleil. »

Alors quelle suite pour la poursuite de ce rêve d'exploration du système de Saturne et peut-être de découvrir d’autres formes de vie dans le Système solaire ? Dans l’immédiat, rien n’est encore prévu pour Titan ni pour le système de Saturne. Jupiter a eu la priorité, avec la mission JUICE de l’ESA qui partira en 2022. Mais au-delà, plusieurs projets sont à l’étude.

« La prochaine étape consisterait notamment à explorer les lacs de Titan. Nous avons proposé une mission ambitieuse avec un orbiteur, un atterrisseur et un ballon autour de l’équateur. Il serait propulsé par les vents, et serait efficace pour explorer la surface. Une autre idée concerne un atterrisseur dans les lacs du pôle nord, et un orbiteur qui se mettrait en orbite uniquement autour de Titan, contrairement à Cassini qui explorait tout le système de Saturne. Du côté de la NASA, il pourrait aussi y avoir un sous-marin pour explorer le contenu et le fond des lacs de méthane. Ce serait très intéressant pour une prochaine mission parce que ce qu’il y a dans l’atmosphère tombe dans les lacs, et ce qui est présent dans la croûte s’y dilue aussi car il s’agit d’un matériau poreux. Maintenant ce qui est à souhaiter, c’est que les agences spatiales travaillent ensemble comme pour Cassini et Huygens, pour répartir les coûts et pouvoir y retourner dès que possible. »

Pour en savoir plus

Contacts scientifiques

  • Francis Rocard, responsable des programmes d’exploration du Système solaire au CNES, francis.rocard at cnes.fr
  • Athéna Coustenis, directrice de recherche CNRS au LESIA, à l’Observatoire de Paris : planétologie, surface et atmosphère des corps dans le système solaire externe. athena.coustenis at obspm.fr