Il y a 40 ans cette année, plus précisément en mars 1979, l'obstination de Linda Morabito, alors ingénieure de navigation dans l'équipe de la mission Voyager 1, allait permettre de faire une découverte étonnante. Elle était occupée à traiter les images obtenues par la sonde concernant IoIo, la lune de JupiterJupiter, lorsqu'elle a remarqué ce qui s'est plus tard révélé être un panache volcanique de 300 kilomètres de hauteur.

Depuis lors, le volcanismevolcanisme de Io fascine et ce d'autant plus après les images prises par la mission GalileoGalileo entre 1995 et 2003. En 1999 par exemple, la sonde de la Nasa a surpris une impressionnante éruption fissurale de 25 kilomètres de long, avec des fontaines de laveslaves s'élevant à quelques kilomètres de hauteur. Une éruption survenue dans la patera Tvashtar, une sorte de caldeiracaldeira volcanique à laquelle on a donné le nom du dieu hindou des forgerons.

L'activité volcanique sur Io est aussi suivie régulièrement à l'aide de télescopes au sol. Ils permettent notamment d'observer ce qui se passe en relation avec Loki Patera, le plus grand cratère visible sur Io. Il s'agirait aussi d'une caldeira, mais remplie par un lac de lave monstrueux d'environ 200 kilomètres. Pour se faire une idée de ce que cela représente, il suffit de dire que sa superficie est supérieure à celle du lac Ontario, que se partagent les États-Unis et le Canada.

Tout récemment, deux publications, l'une dans Geophysical Research Letters et l'autre dans The Astrophysical Journal, font justement état d'une campagne d'observations des volcansvolcans de Io, et de Loki Patera en particulier, qui a duré cinq ans, de 2013 à 2018. Elle a été rendue possible pendant 271 nuits grâce à l'optique adaptative équipant deux observatoires au sommet du Mauna Kea à Hawaï, le W. M. KeckKeck Observatory et le Gemini North.

Une vue de Loki Patera avec son île au centre du lac de lave prise par la sonde Voyager 1. © Nasa

Des forces de marée qui contrôlent l'écoulement du magma

Les astronomesastronomes ont découvert une surprenante périodicité dans les pics d'activité de Loki Patera, environ 500 jours. Ils avancent une explication qui est basée sur les forces de marée et les résonances gravitationnelles exercées par Europe et Ganymède, deux autres lunes de Jupiter. Elles provoquent en effet des modifications périodiques de l'orbiteorbite d'Io dont les cycles sont respectivement de 480-484 et 461-464 jours.

Avant de continuer plus avant, rappelons que dès la fin des années 1970, les planétologues Stan Peale, Patrick Cassen et R. T. Reynolds avaient réalisé et expliqué qu'en raison des forces de marée résultant de l'influence de Jupiter, GanymèdeGanymède et Europe, beaucoup de chaleurchaleur devait être produite à l'intérieur d'Io. Cette chaleur provenant de la dissipation de l'énergieénergie mise en jeu dans les déformations de la lune de Jupiter, elle devait engendrer un volcanisme important.

La principale source de dissipation de chaleur en raison de ses forces de marée importantes est Jupiter. En raison de l'orbite elliptique d'Io avec une période de 1,77 jour, on pouvait donc s'attendre à ce que la périodicité du pic d'activité du volcanisme d'Io soit similaire. Ce n'est pas le cas, ce qui apparaît de prime abord comme énigmatique voire paradoxal.

Mais les chercheurs avancent une explication. Le magmamagma fondu dans les roches sous la surface de Io doit se déplacer à des vitessesvitesses qui sont contraintes par la physiquephysique du transfert des fluides dans un milieu poreux, et par fracturation hydrauliquefracturation hydraulique dans les roches. L'effet des forces de marée avec une périodicité de 1,77 jour serait trop rapide pour permettre vraiment au magma de migrer, mais ce ne serait pas le cas pour des perturbations moins fortes mais pendant un cycle plus long.

C'est d'une certaine manière ce qu'explique l'un des auteurs du travail sur les éruptions de Io aujourd'hui publié, le géophysicien Francis Nimmo, à l'université de Californie à Santa Cruz : « Le magma dans la croûtecroûte d'Io met du temps à couler. Si vous serrez et étirez rapidement la croûte, rien ne se passe ; mais si vous la serrez et l'étendez plus lentement, le magma a le temps de se déplacer assez loin pour remplir un conduit volcanique, provoquant une éruption. Cela ressemble à la façon dont vous pouvez courir sur du sablesable mouillé, mais si vous marchez lentement, vos pieds s'enfoncent. »

Les volcans sur Io, une clé pour l'exobiologie ?

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 22/09/2015

L'emplacement des volcans sur Io (une lune de Jupiter) semblait, depuis longtemps, contredire les modèles des planétologues. L'un d'entre eux prévoyait que les forces de marée y génèrent de la chaleur au sein d'un corps solidesolide, ce qui ne permet pas d'expliquer la distribution observée de ces volcans.  Un nouveau modèle fournit une meilleure explication : Io abrite un océan de magma. L'hypothèse est également valide pour de l'eau liquideliquide au sein d'autres satellites naturels, voire d'exolunes. Et ces océans internes pourraient être propices à la vie.

La première théorie, correcte, des marées a été formulée par NewtonNewton. Il l'a établie en appliquant sa théorie de la gravitationgravitation à la Lune et au SoleilSoleil. Cela lui a permis de déterminer une formule donnant la hauteur des marées en tout point de la surface de la Terre. Malheureusement, sa théorie des marées statiques était trop simple, comme les observations sur la Planète allaient rapidement le montrer. Une théorie plus correcte a ensuite été mise sur pieds par Laplace, il s'agit de celle des marées dynamiques. D'autres mathématiciensmathématiciens l'ont raffinée par la suite, tel Henri Poincaré.

Les forces de marée ne font pas que déformer des enveloppes fluides. La Terre, solide, se comporte comme un corps élastique que le champ de gravitation peut aussi déformer. Les ingénieurs du Cern en savent quelque chose car il faut tenir compte des modifications de la surface de la Terre en réponse aux forces de marée pour faire circuler correctement les faisceaux de protonsprotons au LHCLHC (la longueur de son périmètre en est en effet périodiquement affectée). Or, un corps élastique malaxé peut être le lieu d'une dissipation de chaleur. C'est pourquoi, en 1979, peu de temps avant l'arrivée de la sonde Voyager 1Voyager 1 aux abords de Io (une lune de Jupiter), Stan Peale, Patrick Cassen et R. TT. Reynolds avaient publié dans Science un article affirmant le scénario suivant : en raison des forces de marée résultant de l'influence de Jupiter, de Ganymède et d'Europe (deux autres satellites naturels de Jupiter), beaucoup de chaleur devait être produite à l'intérieur de Io.

Cette chaleur provenant de la dissipation de l'énergie mise en jeu dans les déformations de Io devait donc engendrer un volcanisme important. Tel était bien le cas, comme allait le découvrir Linda Morabito, alors ingénieur de navigation dans l'équipe de la mission Voyager 1. Occupée à traiter les images obtenues par la sonde, elle remarqua soudain ce qui s'est plus tard révélé être un panache volcanique de 300 km de hauteur.

Mais, ces dernières années, les analyses des observations des volcans de Io, notamment celles fournies par la sonde Galileo entre 1995 et 2003, ont débouché sur une énigme. En regardant la position des 400 volcans actifs sur ce satellite de Jupiter, Christopher Hamilton de l'University of Maryland, en compagnie de ses collègues, a en effet découvert un curieux décalage entre les positions observées des volcans et celles prédites par les modèles de chauffage interne de Io par les forces de marée. L'une des hypothèses étudiées par le chercheur il y a quelques années pour rendre compte de cette anomalieanomalie postulait l'existence d'un océan de magma dans les entrailles de Io. Il vient de la pousser un cran plus loin dans un article publié dans The Astrophysical Journal.

Des océans internes de magma ou d'eau liquide

Comme l'explique l'un des coauteurs de l'article, l'astrophysicienastrophysicien Robert Tyler : « C'est la première fois que la distribution de la quantité de chaleur produite par les marées dans un océan de magma souterrain sur Io a été étudiée en détail. Nous avons constaté que notre modèle de production de chaleur induite dans un fluide par des forces de marée était capable de reproduire les flux de chaleurs que nous observons à la surface de Io ». Les chercheurs ont donc maintenant une bonne explication du fait que ce flux de chaleur est bien le plus intense dans une zone décalée de 30 à 60° à l'est de Io par rapport au modèle de génération de chaleur dans un corps solide, précisément là où on trouve le plus de volcans.

En fait, les chercheurs ont découvert qu'une combinaison de la production de chaleur dans un fluide visqueux comme le magma ainsi que dans les roches solides sur Io explique le mieux les observations. Mais, surtout, ils ont découvert un mécanisme général s'appliquant à diverses planètes soumises à des forces de marée et qui permet de mieux rendre compte de l'existence et de la pérennité d'un océan interne liquide, qu'il soit de magma ou d'eau, dans des corps célestes.

Ce dernier résultat concerne aussi des lunes comme Europe, EnceladeEncelade, Ganymède et Titan qui sont censées posséder des océans internes où la vie pourrait se développer et évoluer dans certains cas. L'exobiologiste ne peut que voir d'un très bon œilœil l'idée que des océans internes d'eau liquide de longues duréesdurées, chauffés directement ou indirectement par des forces de marée, doivent exister fréquemment et longtemps, non seulement dans le Système solaireSystème solaire mais aussi dans des exolunes.