Une surface énigmatique comportant des indices d’activité interne

Modèle de la structure interne de Titan d'après Tobie & al., 2005

    La détection atmosphérique de 40Ar, gaz provenant de la désintégration du 40K radioactif incorporé dans les profondeurs de Titan lors de la formation du satellite, confirme l'existence d'un mécanisme amenant à la surface des matériaux profonds: un volcanisme (cryovolcanisme) local est très probable. De fait, plusieurs édifices volcaniques ont probablement déjà été identifiés. L'existence de cette activité radio-active interne implique que l'intérieur du satellite soit bien plus chaud que sa surface.

    Ce n'est pas la seule source d'énergie sur Titan: l'équipe de Gabriel Tobie, de l'université d'Arizona (Tobie & al., 2005) a élaboré un modèle tenant compte de l'accumulation d'énergie de marée engendrée par l'ellipticité de l'orbite de Titan et l'évolution de cette dernière depuis la formation du satellite. L'étude des transferts de chaleur dans le satellite implique l'existence, sous quelques dizaines de km de glaces solides, d'une couche liquide riche en ammoniac. Cette zone liquide, réchauffée, serait impliquée dans des processus tectoniques (convections etc...) qui seraient, à l'échelle de l'âge du satellite, très récents..

L'épaisseur des dépôts "sédimentaires" de Titan serait comprise entre 4 et 30 m (Thompson & al., 1994) alors que les reliefs, compte tenu de la densité et de la composition du sol, auraient une hauteur maximale comprise entre 3 et 7 km (Perron & al., 2004).

Formation de Titan

    Après l'accrétion, Titan était un monde chaud (250°C - Lunine, 1985) nanti d'une très épaisse atmosphère de H2O, N2 et CH4, endogène ou formée par bombardement cométaire, et soumise à de fréquents apports météoritiques qui en ont dispersé une grande partie. Ces chocs ont réchauffé l'intérieur du satellite, facilitant la différenciation interne et la libération des gaz des roches qui ont pu contribuer ainsi à la formation d'une atmosphère secondaire (Ci-contre: Intérieur de Titan de sa formation à aujourd'hui; d'après Fortes, 1999)..

    À la surface du satellite, et durant 100 millions d'années, un océan d'eau enrichi en ammoniac a pu exister, à une température voisine de 30 °C,  dans un milieu riche en sources d'énergie. Toutefois, le refroidissement progressif était inévitable et, 70 millions d'années plus tard, une couche de glace de plusieurs km d'épaisseur recouvrait l'océan primordial, qui serait resté liquide en profondeur.

    Les diverses études du modèle de Tobie & al., basées sur des excentricités originelles variées et des teneurs en ammoniac différentes pour Titan, aboutissent aussi à l’existence actuelle d’une couche liquide d’une épaisseur comprise entre quelques km et 400 km (dépendante de la teneur en NH3 et de la viscosité de la couche de glace externe).

Si il s'avérait qu'il n’y a pas de couche liquide à l’intérieur de Titan, alors ce satellite aurait toujours été composé de  solides (Kuramoto & al., 1994), l’existence d’une couche liquide formée lors de l’accrétion du satellite conduisant naturellement à l’existence actuelle d’un océan enfouit d’eau ammoniaquée.

    Si on se limite à l’excentricité orbitale initiale la plus probable (10 à 20 %), Il se pourrait  que l’océan de Titan atteigne bien une profondeur de plusieurs centaines de km et renferme 6% de NH3 en masse. (la présence d’ammoniac s’oppose, en fait, à la libération d’énergie vers l’extérieur).

    En effet, l’orbite de Titan a été fortement modifiée depuis la formation du satellite, comme le montre sa rotation aujourd’hui synchrone. Titan s’est formé dans un environnement, Saturne, comparable à un système protoplanétaire en réduction. Son orbite aurait alors pu être très excentrique (0,3 à 0,4). Toutefois, l’existence d’une résonance 4/3 entre Titan et le satellite Hyperion,  formé à la même époque et à proximité de Titan, contraint en fait l’excentricité de l’orbite initiale de Titan à une valeur inférieure à 0,15 ou 0,2.

(Ms masse de Saturne, Mt masse de Titan, e excentricité et a demi grand axe de l'orbite, G constante de gravitation, E énergie).

Saturne est aussi déformée par Titan, mais l’influence de cette déformation dans l’évacuation de l’énergie, de l’ordre de 2%, est négligeable.

    L’évacuation de la chaleur interne dépend de la composition de Titan: la diffusion, processus lent, se produit dans les solides alors que la convection, procédé plus efficace, nécessite la présence d’un support fluide (glaces) de transfert de chaleur. Ces supports sont, dans le cadre du modèle développé par Tobie & al (2005), des couches successives de glace de densité différente.

    Au départ, Titan était un mélange de glaces et de roches sous un manteau de silicates  et une couche externe riche en eau. La mise en place de cette structure s’est faite en 1 milliard d’années environ, pendant lequel le refroidissement du coeur a été diffusif avant de devenir, majoritairement, convectif.

    L’eau liquide contenue dans le satellite, au fur et à mesure que la chaleur était évacuée vers l’espace, a commencé à se solidifier (en surface, c’était déjà le cas). Cette solidification a progressivement entraîné un enrichissement de l’eau liquide en NH3, cette molécule étant “chassée” de l’eau en train de geler.

Volcanisme

Dès les premiers survols de Titan (n° 308 de la revue “science” du 13 mai 2005 présentant les résultats ayant été acquis lors des deux premiers survols des 26 octobre 2004 et 13 décembre 2004), il est apparu que certains reliefs pouvait être expliqués par un activité de type volcanique.

    Les premières régions cartographiées montrent des dômes de type volcaniques. La réflexion RADAR indique un sol de glace poreuse ou de matière carbonée. Les zones sombres se comportent comme des hydrocarbures gelés. Les analyses des échos radars donnent une épaisseur de 10 m pour un sol composé a majorité de glaces ammoniaquées.

Le volcanisme (où ce qui en tient lieu) a pu jouer un rôle prépondérant dans le modelage de la surface: la disparition des anciens cratères serait due à une érosion éolienne, pluviale ou aux processus volcaniques (accompagnés de dépôts solides d’origine atmosphérique). L’équipe de Elazi (et tout spécialement R Lorenz, de l’université de l’Arizona)  penche pour un remodelage de la surface d’origine principalement cryovolcanique.

Le cryovolcanisme est une émission en surface de matériaux mous, plus où moins fluides, en provenance de l’intérieur plus chaud du satellite. Ces matériaux sont principalement des glaces “molles”, matinées d’hydrocarbures, mélangées à des gaz et, peut - être, à des roches où des matériaux organiques.

Un autre relief de nature probablement volcanique (les autres possibilités, à savoir un nuage ou un champ de dunes, s'accordant moins avec les données d'observation) a été repéré par 8,5 ° N et -143,5 ° . L'existence de volcans actifs permettrait d'expliquer la présence de méthane dans l'atmosphère en l'absence d'un océan d'hydrocarbures qui n'a pas été identifié sur Titan, contrairement à ce que nombre de spécialistes pensaient, contrairement aux nombreux lacs qui, eux, n’avaient pas été prévus par les modèles conjecturant l’existence d’étendues liquides plus importantes.

Ci-dessous : aspect à diverses longueurs d'onde du relief volcanique - infographie JPL/NASA. La carte est traduite d'un document JPL. L'éclairage vient de la gauche selon un angle de 34°.  

    La morphologie du volcan est voisine de ceux observés sur Terre ou sur Venus. Détaillé dans de multiples longueurs d'ondes, il montre une caldeira sombre et plusieurs coulées claires, superposées, probablement constituées d'un mélange solidifié de glaces, d'ammoniac et d'hydrocarbures (il n'y a pas, à ce niveau de glace d'eau pure selon l'examen des diverses absorptions IR).

    Il se pourrait que ces éruptions déclenchent une libération de méthane gazeux dans l'atmosphère, lequel se condenserait ensuite sous forme de pluies aboutissant aux reliefs érodés identifiés sur le satellite. Dans ce cas, les éruptions ne devraient pas être rares, et la question de leur source d'énergie se pose: s'agit il uniquement d'un chauffage de l'intérieur de Titan par les forces de marées (comme Io avec Jupiter) où existe t'il d'autres sources de chaleur dans les profondeurs du satellite ?

    Le Pr. C. Sotin, de l'université de Nantes, présente dans Nature (Planetary science:  Shades of Titan - Sotin C. et al. Nature, 435. 786 - 789, 2005) cette structure comme "un dôme formé par des remontées de diapir (un diapir est une "roche" déformable moins dense que son  environnement, qui s'élève lentement en, perçant les terrains qui la surmonte à cause, justement, de sa faible densité: cette roche "flotte" sur les autres) de glace "chaude" (plus chaude que les terrains alentours! Un "point chaud" a peut être été repéré, mais sa température est au maximum de l'ordre de -70 °C!) relâchant du méthane à une faible profondeur dans le sol. Ce gaz parvient ensuite dans l'atmosphère de Titan".

    La surface de Titan, jeune et dépourvue de grandes étendues de méthane, aurait été remodelée par de fréquentes éruptions de ce type, qui tirent leur énergie des déformations subies par l'intérieur de Titan du fait des forces de marées s'exerçant sur lui au cours de son orbite (Tobie & al., 2005). Toutefois, les observations réalisées au sol par l'équipe de HG Roe (2005) n'ont pas montré, à cet endroit, l'apparition des nuages de méthane attendus lors d'une activité volcanique. Le cryovolcan serait donc en sommeil...

    L'ensemble de ce terrain correspondrait à une zone d'extension comme il en a déjà été observé sur des satellites glacés de Jupiter (Ganymède, Europe). Titan serait donc, comme Io, un corps "géologiquement" très actif, ce qui implique l’existence de nombreuses cassures de sa surface.

   Pendant 4 ans, des modifications de luminosité ont été observées au niveau de la région Hotei arcus. Au vu de la morphologie de la région, il se pourrait que ce relief soit un cryovolcan actif. Les variations de réflectivité RADAR pourraient être expliquée par des dépôts transitoire d'ammoniac en provenance de l'intérieur du satellite.

    Toutefois, ces explications ne font pas l’unanimité. Ainsi, certains chercheurs (Moore & Pappalardo, 2011) insistent sur le fait que Titan est peut être beaucoup moins géologiquement actif que d’autres scientifiques le pensent:  l’intérieur de Titan pourrait être froid et inactif, incapable de créer des volcans de glace actifs. En effet, toutes les caractéristiques de la surface de Titan qui ont été identifiées sans ambiguïté ont été créées par des forces d’origine extérieure au satellite: météorites; vent et «pluie», formation de cours d'eau et de lacs.

    Les modifications subies par les rares cratères d'impact identifiables peuvent être expliquées par l'érosion éolienne et fluviale.

    L’absence de cryovolcanisme serait compatible avec les données géophysiques en faveur d'un intérieur relativement calme: différenciation incomplète du satellite, chauffage mineur par effet de marée et peut-être absence de mouvements internes de convection à l’heure actuelle. Pour le moment et en attendant de nouvelles observations, «nous ne trouvons aucune preuve solide de cryovolcanisme sur Titan» (Pappalardo & Moore, 2011). Titan serait alors comparable à Callisto, satellite de Jupiter de même taille, mais dépourvu d’atmosphère: un monde qui ne devrait son activité de surface qu’aux caractéristiques de son atmosphère, et pas à une source de chaleur interne difficile, pour le moment, à mettre en évidence.

Fissures et failles

    De nombreuses fissures, peut être des failles actives, voire des dorsales (ou équivalent!) ont été observées à la surface de Titan. Les contraintes, en compression, extension ou coulissement, subies par la croûte aboutissent à des plissements ressemblant à des montagnes terrestres, mais d’altitude bien moindre.

Les 6 vues suivantes ont été acquises lors des survols d'octobre et décembre 2004. Elles ont une échelle différente, et chaque barre blanche est un repère correspondant à 200 km sur le terrain. Le N est en haut

En b, les terrains clairs ont subi de nettes déformations causées par un courant orienté W --> E. Le vent est sans doute à l'origine de ces figures, mais on ne peut exclure la possibilité d'un écoulement de liquide pendant une longue période. Huygens s'est posé dans une région située en haut à gauche de cette vue.

En c, la région claire est parcourue de plusieurs chenaux sombres montrant des ramifications. Ces vallées "fluviales" ont une longueur de quelques dizaines de km pour une largeur de 2 km.

En d, plusieurs alignements sombres ressemblent à des failles dans lesquelles se serait produite une sédimentation, d'origine éolienne ou liquide.

En e, les flèches indiquent des reliefs qui ressemblent à des écoulements provoqués par l'émergence de sources souterraines, tels qu'ils ont été observés sur notre planète ainsi que sur Mars.

En f, les régions claires semblent avoir subi plusieurs fractures et leur relation exacte avec les matériaux sombres n'est pas évidente (hypothèse personnelle : serait-il possible que ces régions puissent lentement dériver sur un sous sol plus fluide ? )

des reliefs dominant les champs de dunes sombres alentour, dont certaines s'étendent sur plus de 100 Km.

Les plissements subis par la croûte peuvent former des collines. Ces dernières, en faisant obstacle aux vents, sont impliquées dans la formation de dunes. De plus, les dépressions entre les collines peuvent constituer le réceptacle idéal pour les matériaux dunaires, comme le montre la vue ci dessous (RADAR à synthèse d'ouverture, 28 octobre 2005, 400 x 275 Km, 8°S, 215 ° W - Image HR)

Les zones brillantes et incurvées sont des reliefs dominant les champs de dunes sombres alentours, dont certaines s'étendent sur plus de 100 Km.

Ces collines se sont formées suite aux déformations de la croûte de Titan. Les cuvettes sont comblées par le matériau dont sont constituées les dunes, qui enserrent les collines.

La vue Haute Résolution (une partie ci-dessous, S en haut) montre mieux, au sommet des "collines", l'existence d'une ligne de crête plus sombre et sinueuse, qui pourrait correspondre à un dépôt de matériaux carboné. Ces alignements de crêtes laissent penser qu’il existe (ou qu’il a existé) des mouvements de grande ampleur au niveau crustal.

Leur alignement a peu de chance d'être fortuit et laisse penser que ces "marches d'escalier", de quelques centaines de m de haut, sont liées à des mouvements tectoniques locaux: soit la région a subi une compression N-S, soit une extension selon le même axe.

 La croûte de Titan, spécialement dans les régions équatoriales, est donc soumise à des forces orientées N-S (des structures voisines ayant déjà été observées dans la région ouest Shangri-La en octobre 2005.

Les montagnes de Titan

    Le survol du 25 Octobre 2006 a permis d'obtenir des vues à haute résolution de la surface, dans l'IR (à 1,3; 2 et 5 microns de longueur d'onde). Les plus petits détails visibles sont de l'ordre de 400 m. Les images montrent un massif montagneux situé au S de l'équateur, de 150 km de long sur 30 de large.

    Ces montagnes sont constituées d'un conglomérat de glaces, roches et matériaux organiques. Elles sont suffisamment élevées pour arrêter des nuages au niveau de leurs sommets, recouverts par ailleurs d'un matériau brillant qui pourrait être de la "neige" de méthane. Un tel "givre" de méthane pourrait expliquer également la surbrillance des reliefs de Titan, et expliquerai peut-être le contraste entre les pluies nécessaires pour "délaver" les 2/3 de la surface du satellite et la rareté des étendues liquides sur Titan (à moins de supposer l'existence de variations saisonnières très marquées).

    Ces dépôts d'altitude peuvent tirer leur origine de pluies, de poussières ou de brouillards organiques. La forme "en rides" de ces montagnes rappelle les dorsales terrestres, ce qui laisse penser qu'il existerait (ou aurait existé) une tectonique des plaques active sur Titan. En combinant les vues IR avec les données RADAR, il apparaît plus clairement un dépôt qui ressemble à une coulée volcanique, identifié au cours des survols précédents (ici).

Une structure très brillante a été identifiée sur Titan (annoncée le 25 mai 2005) au niveau d'un relief semi-circulaire, au sommet d'une des barres du terrain sombre "H penché". C'est le spectromètre IR de la sonde qui l'a repéré. L'origine de ce "point" (la surface couverte approchant 500 km) peut être multiple. Alfred S mac Ewen, de l'équipe d'imagerie de Cassini, envisage plusieurs hypothèses:

- un dégazage ou un réchauffement provoqué par un impact. On serait alors en présence d'une étendue de glace sale et molle, peut être resurfacée, avec sans aucun doute la formation de molécules organiques d'un grand intérêt.

- un terrain particulier (montagnes, ce qui est peu probable, ou matériaux non glacés...)

- une éruption cryovolcanique, qui permettrait alors d'enquêter sur les matériaux profonds du satellite, ramenés en surface.

- un phénomène atmosphérique (brume, brouillard...) dont la persistance nécessite l'intervention d'un relief (comme une arène de cratère) assurant sa pérennité

Il est également possible, selon moi, que cet endroit soit le site d'un dépôt de matériaux par condensation atmosphérique, bref l'équivalent d'un orage. Nous observerions ce dépôt "à l'état frais", très réfléchissant. Les prochains survols nous en apprendront davantage.

Modèle d'évolution de Titan de la fin de l'accrétion (en haut) à la situation actuelle :

A: Epaisse atmosphère d'azote et de méthane

B: Océan d'eau ammoniaquée

C: Manteau: glaces diverses + roches.

D: Coeur externe de silicates

E: Coeur rocheux/glacé, de 3000 km de diamètre.

1: Brume organique orange, avec variations saisonnières

2 : Atmosphère d'azote, 1,5 bar au sol.

3: Sol marqué par des impacts, recouvert d'un mélange liquide et solide et molécules organiques.

4 : Croûte de glace, épaisseur estimée grossièrement à 250 km.

5 : Océan d'eau ammoniaquée, d'une épaisseur variant entre 50 et 200 km environ...

6 : Manteau de glaces et d'hydrates d'ammoniac

7 : Coeur rocheux, 3800 km de diamètre.

Un balayage radar de l'altimètre de Cassini, (25°N, 5°W - données ci dessous - JPL) sur 400 km de long n'a mis en évidence que des reliefs de 150 m, donc une surface très très "plate" , ce qui a aussi été observé par la sonde Huygens dont la zone d'assolissage ne montre que des reliefs de l'ordre de la centaine de m.

Les montagnes de Titan... ou l’équivalent des dorsales ? Vue HR ici.

Comparaison entre une zone observée en lumière visible et IR. Cette vue nous permet de constater, outre l'apport des détecteurs infrarouges, l'existence sur Titan de terrains en "terrasses" successives, grossièrement circulaires, organisée autour de le structure la plus claire. Plusieurs cratères (circulaires) sont ici visibles, mais ils semblent altérés par ces terrasses, ces dernières étant donc plus récentes. S'agit-il d'un phénomène d'érosion où de "rides" semblables à celles formées par l'impact d'une météorite dans un terrain riche en fluide (du type cratère à éjectats lobés ?). D’après l’équipe de Sotin (2005), la structure ici photographiée serait en fait un cryovolcan. Les terrasses correspondant alors à des "coulées" successives. Cette conclusion est mise en doute par la découverte de champs de dunes. D'après M. Hirtzig (2007, communication personnelle) les stries noires ne sont a priori donc pas des limites entre terrasses, mais des dunes. La nature exacte de cette structure reste donc inconnue.

Les deux schémas (origine wikipedia - licence GNFL) montrent comment des escarpements de faille peuvent se former, soit par compression d’une région  (faille dite inverse) soit par étirement de la croûte du satellite.

Impact, éruption ou brouillard ?

Images JPL - VIMS= Visible and Infrared Mapping Spectrometer, instrument de cartographie travaillant dans les longueurs d'onde visible et IR.

ISS = Imaging Science Subsystem, ensemble d'appareils de prise de vue travaillant de surcroît en UV.