14 Mai 2020

QUE DE LUNES !

Notre Lune n’est pas le seul satellite naturel du système solaire. Certaines planètes comme Saturne et Jupiter en possèdent des dizaines ! Pourquoi ont-elles cette forme ? Comment interagissent-elles avec leur planète ? Pourraient-elles abriter de la vie ? Des missions, comme les projets MMX (JAXA - DLR/CNES) vers les lunes de Mars ou JUICE (ESA) vers Jupiter, visent à lever ces mystères.

LUNES OU SATELLITES ?

Longtemps, la Lune nous a semblé unique. Sa relation avec la Terre est en effet exceptionnelle. Mais notre système solaire compte des dizaines de satellites naturels gravitant autour de certaines planètes.

Une Lune, des lunes

À nos yeux de terriens, la Terre et la Lune semblent indissociables. Elles le sont. Notre Lune, la plus grosse du système solaire, exerce une influence vitale sur la Terre, ses marées, son climat. De plus, la Lune serait née de morceaux de Terre arrachés lors d’une collision avec un autre corps céleste. Les débris des deux astres se seraient ensuite agglomérés pour former la Lune. Maintenue dans le champ gravitationnel de la Terre, la Lune tourne depuis autour de notre planète dont elle est un satellite naturel.
En 1610, l’astronome italien Galilée observe des objets gravitant autour de Jupiter : il découvre Io, Europe, Ganymède et Callisto, les « lunes galiléennes ». Et il révolutionne notre perception de l’Univers que l’on pensait jusqu’alors centré autour de la Terre : il existe d’autres systèmes composés d’objets tournants les uns autour des autres avec, au centre, notre Soleil !

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Notre Lune est l’un des plus gros satellites naturels du système solaire. Formée à proximité de la Terre, elle est restée dans son champ de gravitation et exerce sur elle une forte influence. Crédits : Nasa

Avec ou sans lune ?

Depuis Galilée, des dizaines de satellites naturels ont été observés dans le système solaire. Mais toutes les planètes ne possèdent pas de lune.
Mercure, Vénus, La Terre et Mars, les planètes du système solaire interne (entre le Soleil et la ceinture d’astéroïdes), sont des petites rocheuses relativement peu massives. La force de gravitation dépendant de la masse d’un corps, ces planètes peinent à satelliser des objets de grande taille. De plus, l’énorme force de gravité du Soleil attirerait immanquablement à lui un éventuel satellite de Mercure et Vénus, les planètes les plus proches de lui. Ainsi, nous comptons une seule lune autour de la Terre et 2 (Phobos et Deimos) autour de Mars.
Au-delà, dans le système solaire externe, les géantes gazeuses, très massives, agissent comme des aimants surpuissants sur les éléments qui les entourent. On dénombre aujourd’hui 82 lunes autour de Saturne, 79 autour de Jupiter, 27 autour d’Uranus et au moins 14 autour de Neptune.

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Les principales lunes du système solaire, à l‘échelle de la Terre. Crédits : W.Crochot-solarsystem.nasa.gov

Une naissance déterminante

Grosses, petites, rondes, cabossées… Toutes les lunes observées sont faites principalement de roche, mais elles sont de taille et de forme différentes. Cela dépend de leur origine.
Certains satellites naturels, comme notre Lune, sont nés d’impacts entre différents corps célestes, dont les débris se sont agglomérés. Ce serait le cas des plus grosses lunes.
D’autres lunes se sont formées en même temps que leur planète, par accrétion : des  roches, des gaz et des poussières s’agglutinent autour d’un noyau rocheux et créent une sphère de plus en plus grosse. Ce corps se stabilise ensuite sous l’effet de l’attraction d’une planète proche, plus massive, autour de laquelle il se satellise.
Enfin, d’autres (les plus petites lunes) ont été capturées par leur planète. Il s’agit d’astéroïdes qui se sont approchés trop près d’une planète et ont été happés par son champ gravitationnel.


Lunes, systèmes doubles et exolunes

Qu’est-ce qui caractérise une lune ? Seuls les satellites naturels des planètes sont appelés lunes. On observe pourtant des corps gravitant autour d’astéroïdes par exemple. On parle alors de systèmes doubles. C’est les cas de l’astéroïde Didymos (780 m de diamètre) et Didymoon (160 mètres de diamètre) qui orbite autour de lui. Didymoon est l’objet de deux futures missions : DART (NASA, 2022) et HERA (ESA, 2024).
On estime aussi qu’il existe de nombreuses lunes autour des exoplanètes, en dehors de notre système solaire. Repérer ces exolunes est la nouvelle quête des astronomes.

DES LUNES PLEINES DE VITALITE

Lunes et planètes forment autant de systèmes singuliers. Leurs relations déterminent leurs aspects respectifs, glacées ou volcaniques, avec ou sans atmosphère… Connaître la structure de chacune et comprendre ces liens aide à valider nos modèles de formation de ces corps célestes et ceux des conditions propices à… la vie.

Révélations

Entre 1979 et 1989, les sondes Voyager I et II (NASA) ont découvert plus d’une dizaine de lunes du système solaire, et en ont survolé 48 en tout. Près de Jupiter, elles ont détecté une possible présence d’eau sous la croûte glacée d’Europe, confirmée ensuite par Galiléo (NASA/1989-2003), et elles ont fait les premières analyses de l’atmosphère riche en azote et en méthane de Titan, la plus grosse lune de Saturne.
En 1997, la mission Cassini-Huygens (ESA) vers Saturne et ses lunes a confirmé la diversité des satellites saturniens et découvert des geysers sur Encelade. La sonde Huygens, déposée sur Titan, a dévoilé un paysage de lacs de méthane et de dunes glacées. « Au contraire d’un système figé, nous avons observé des satellites actifs », rappelle Athena Coustenis, astrophysicienne de l’observatoire de Paris, Meudon. « Des corps avec des composants organiques, des sources d’énergie et de l’eau liquide sous la surface. » Ces conditions d’habitabilité font en particulier d’Encelade, d’Europe et de Titan des mondes susceptibles d’héberger la vie.

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La mission Cassini-Huygens (ESA) a observé des panaches d’eau de 400 km de haut s’échappant du pôle sud d’Encelade, signe de la présence d’eau et d’une activité interne. Crédits : NASA/JPL-Caltech

Agitation à tous les étages

Si Encelade et Europe abritent de l’eau liquide, c‘est probablement en raison de l’effet de marée de leurs planètes respectives, Saturne et Jupiter : la force d’attraction des planètes soulève et agite leur intérieur au point de liquéfier l’eau malgré une température inférieure à zéro. À l’inverse de ces satellites glacés, Io, petite lune jovienne est très chaude : elle est parsemée de 400 volcans actifs. Elle est un champ de lave dont la température fait fondre le fer à sa surface ! Mais c’est aussi l’effet de marée qui fait bouillir l’intérieur liquide de ce petit astre très proche de Jupiter. Sa sœur Callisto, elle, abrite aussi de l’eau. Mais elle n’est pas différenciée, c’est-à-dire qu’elle n’est pas constituée par couches, mais d’eau mélangée à l’intérieur.

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Ganymède, Callisto, Europe et Io, sont les lunes galiléennes (appelées ainsi car découvertes par Galilé). Toutes quatre gravitent autour de Jupiter, et pourtant elles sont très diverses ! Crédits : Nasa

Les mystères des lunes glacées

« L’étude des lunes autour de Jupiter et de Saturne a fait émerger la possibilité d’avoir, à des milliards de kilomètres du Soleil, des mondes habitables possédant de l’eau liquide sous la surface, », s’enthousiasme Athena Coustenis.
« Les lunes joviennes Europe et Callisto, ou Encelade autour de Saturne, ont un océan intérieur en contact avec le corps rocheux de la planète dans lequel on trouve des silicates. Comme cela se produit dans les profondeurs des océans terrestres, l’interaction entre l’eau et ces éléments pourrait fournir de l’énergie et des nutriments propices à la vie. »
Sur des lunes comme Ganymède, dans lesquelles l’eau est emprisonnée entre deux couches de glace, des éléments chimiques présents dans la couche supérieure pourraient traverser la surface de glace et nourrir l’océan intérieur.
Sur Titan, la vie pourrait être favorisée par la grande quantité de méthane dans l’atmosphère et sous forme liquide à la surface, les nombreux composés organiques présents et d’éventuels océans sous-terrain.

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L’objectif principal de la mission JUICE (ESA) est Ganymède, la plus grosse lune de Jupiter et du système solaire. Ses instruments, dont 6 à participation française, vont étudier sa structure, son océan glacé et son champ magnétique, dont elle la seule lune à être pourvue. Crédits : NASA/ESA/G.Bacon (STScI)

VOYAGES PERILLEUX

Que ce soit dans le système solaire interne, à la recherche d’échantillons de lunes martiennes ou vers les lunes lointaines de Jupiter, de Saturne ou même d’Uranus, les missions futures doivent composer avec de nombreux obstacles. Radiations, températures extrêmes et surfaces hostiles constituent autant de défis techniques.

Lointaines

Jupiter, la plus proche des géantes gazeuses, se trouve à 10 UA (unité astronomique) du Soleil. C’est 10 fois la distance Terre-Soleil. Pour la rejoindre, la sonde JUICE (ESA), lancée en 2021, prévoit un voyage de 7,6 ans.
Au-delà, Triton, lune de Neptune, qui recèle peut-être elle aussi un océan interne, est la cible du projet américain Trident. Un projet à confirmer car long et coûteux avec un voyage de 12 ans (2026-2038) pour, à terme, 1 seul survol de Triton.
Plus proches, les lunes martiennes posent malgré tout des défis. Le petit atterrisseur franco-allemand de la mission MMX (JAXA) qui doit  se poser sur Phobos en 2024 fonctionnera de façon entièrement autonome après son largage. La sonde remontera immédiatement après, sans pouvoir se connecter au robot, et le délai de communication Terre-Mars est trop important pour piloter celui-ci depuis la Terre. 

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Le petit rover de la mission MMX est fabriqué par le CNES et l’agence allemande DLR. Il est autonome, car sur la lune martienne Phobos, il sera trop loin pour être piloté depuis la Terre. Crédits : CNES

Surfaces hostiles

Comment étudier la structure d’une lune comme Europe dont la surface est protégée par une croûte de 100 km de glace ? En observant sa masse et en analysant son atmosphère pour JUICE (ESA) ou par radar pour le projet américain Europa Clipper prévu vers 2024. Pour les forages et les robots sous-marins, il faudra attendre encore quelques décennies.
Un drone sur Titan, en revanche, c’est maintenant ! Ou presque. Lancé en 2026, Dragonfly explorera cette autre lune de Saturne à partir de 2034. « Titan est l’endroit idéal pour les engins volants », détaille Pierre Bousquet, expert en planétologie, exploration et micropesanteur au CNES. « Elle possède une atmosphère 1,5 fois plus dense que celle de la Terre et sa gravité est sept fois inférieure. » Dragonfly va déplacer quotidiennement ses 460 kg d’instruments en différents points de cet astre. Il échantillonnera ainsi divers endroits à la recherche d’éléments chimiques liés au vivant, à l’aide d’un spectromètre de masse auquel contribueront 2 laboratoires français.

Sur Titan, Dragonfly va se déplacer en volant. Le drone cherchera des composés chimiques du vivant, analysera l’atmosphère de cette lune de Saturne, ainsi que sa magnétosphère.

Irradiées

Zone interdite ! Europe et Io se situent dans une zone de la magnétosphère de Jupiter qui concentre les particules solaires. Les radiations très élevées endommagent très rapidement les instruments scientifiques. Les engins qui s’en approchent doivent être équipés de blindages spéciaux très lourds. Ce sera le cas de l’américaine Europa Clipper. Elle embarquera 325 kg d’instruments, mais pèsera 6 tonnes, autant que le record de Cassini-Huygens (ESA). 
Pour réduire leur exposition aux radiations, les missions d’observation vers ces lunes effectuent des survols rapides au-dessus de ces corps. Europa Clipper (NASA) en prévoit plus d’une quarantaine, en s’éloignant à chaque fois. La sonde JUICE (ESA), elle, observera Io à distance et se contentera de deux survols d’Europe avant de rejoindre Callisto puis Ganymède, sa destination finale, moins exposée.

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Sous sa surface gelée et chaotique, Europe (premier plan), dissimulerait un océan glacé qui pourrait réunir les conditions pour abriter de la vie. Mais cette lune est située dans une zone de Jupiter inondée de radiations. Difficile pour les sondes d’aller l’observer de près ! Crédits : NASA/JPL-Caltech