Avec son cratère d'impact géant de 130 kilomètres de diamètre qui porte le nom du découvreur de Mimas, Herschel, bien visible dans les images d’une des sondes Voyager lors de sa visite de Saturne, la petite lune de la géante gazeuse avait immédiatement fait penser à l’Étoile de la mort de Star Wars. Une équipe internationale de chercheurs pense maintenant que son intérieur est chauffé depuis plusieurs dizaines de millions d’années tout au plus par les forces de marée de Saturne et que pour cette raison – comme dans le cas d’Europe, la lune glacée de Jupiter – sous une coquille de glace existerait un océan global dans les profondeurs de Mimas.
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Le regretté André Brahic n'est plus là pour nous commenter la découverte annoncée dans un article du célèbre et très réputé journal Nature intitulé « A recently-formed ocean inside Saturn’s moon Mimas » écrit par Valéry Lainey (astronomeastronome de l'Observatoire de Paris - PSL, IMCCE), Nicolas Rambaux (enseignant-chercheur à Sorbonne Université, IMCCE), Benoît Noyelles (enseignant-chercheur à l'Université Franche-Comté, Utinam) et quelques autres collègues, Gabriel Tobie (chercheur CNRS, Nantes Université), Kévin Baillié (chercheur CNRS, à l'Observatoire de Paris - PSL, IMCCE), Nick Cooper, chercheur honoraire (Queen Mary University of London) et Qingfeng Zhang (Jinan University).
La découverte porteporte sur la confirmation de l'existence d'un océan global caché sous la surface très cratérisée de MimasMimas (elle tire son nom d'un Géant de la mythologie grecque), la lune la plus proche de SaturneSaturne mais aussi la plus petite qui avait été découverte en 1789 par William Herschel. Futura avait parlé de cette hypothèse à plusieurs reprises ces dernières années.
Les trois chercheurs français, avec d’autres de leurs collègues avaient déjà publié un article dans le tout aussi réputé journal Science en 2014 qui indiquait la possibilité de l’existence d’un tel océan. Dans les deux cas, les planétologues s'appuient sur des données et des images prises par la mission Cassini dont Brahic avait été l'un des instigateurs au cours des années 1980, en plein succès des missions Voyager.
Un océan chauffé par les forces de marée depuis 5 à 15 millions d'années ?
Mimas est le satellite sphéroïdal d'environ 400 kilomètres de diamètre dont on sait depuis un moment déjà qu'il est principalement constitué de glace d'eau avec un petit cœur rocheux car sa densité est faible, environ 1,17. Les chercheurs pensent aujourd'hui qu'une partie de la gangue de glace entourant ce cœur est donc un océan global surmonté d'une coquille de glace d'entre 20 et 30 kilomètres d'épaisseur.
La présence d'océans globaux cachés sous la surface de lunes des géantes gazeuses du Système solaire semble décidément très répandue puisqu'on sait que c'est le cas d'Europe et Ganymède pour JupiterJupiter (peut-être aussi pour Callisto), de Titan, EnceladeEncelade et maintenant Mimas pour Saturne.
Toutefois, selon les modélisations et calculs des planétologues, l'existence d'un océan global à l'intérieur de Mimas serait récente, datant seulement de 5 à 15 millions d'années et probablement de moins de 25 millions d'années, ce qui ne laisse a priori pas de temps pour que la vie apparaisse et évolue si l'on tient compte de ce qui s'est passé sur Terre comme comparaison. Elle serait due comme dans le cas de l'activité de la volcanique Io ou encore de l'eau liquide d'Europe la glacée, toutes les deux autour de Jupiter, aux forces de maréeforces de marée produites par la gravitation lors des mouvementsmouvements des lunes. En malaxant, comprimant et étirant en quelque sorte ces petits corps célestes (voir la vidéo ci-dessous), on peut montrer que de la chaleurchaleur est libérée par ces forces de marée du fait, pour ainsi dire, de frictionsfrictions dans la matièrematière interne, déformée de manière périodique.
Avec sa surface fortement cratérisée et dépourvue de signes d’activité, la lune de Saturne Mimas est le dernier endroit où l’on penserait découvrir un océan global sous sa surface. À partir d’une analyse fine de son mouvement orbital, une équipe regroupant des chercheurs de l’Observatoire de Paris – PSL et du CNRS ont mis en évidence que, contre toute attente, Mimas possède un océan à seulement 20-30 km de profondeur. Celui-ci se serait formé il y a moins de 20 millions d’années. Cette découverte fait de Mimas une cible unique pour étudier les conditions primitives d’apparition de la vie. (Coordination : Valéry Lainey Contributeurs scientifiques : Kévin Baillié, Nick Cooper, Benoît Noyelles, Nicolas Rambaux, Gabriel Tobie, Qingfeng Zhang Réalisation : Frédéric Durillon, Animea Studio.) © Observatoire de Paris – PSL, IMCCE, 2024
L'idée de l'existence d'un océan sur Mimas est de prime abord surprenante et ne prend sens que si l'on se rend compte qu'il est en fait en cours de formation et très récent à l'échelle de l'âge du Système solaire qui se compte en milliards d'années.
En effet, alors qu'Encelade, aussi découverte par William HerschelWilliam Herschel, est la quatorzième lune de Saturne par son éloignement et qu'elle n'est guère plus grande que Mimas, avec un diamètre de 500 kilomètres environ, la présence d'un océan global d'eau liquide dans ses profondeurs se manifeste par une grande activité de surface, avec notamment des geysers dévoilés par la sonde Cassini, qui renouvellent constamment son aspect. Cela est démontré aussi par le faible taux de cratérisation de la banquise d’Encelade, comme de celle d'Europe, qui indique que leurs surfaces sont jeunes et qu'il existe un océan global depuis longtemps.
Il n'y a rien de tel avec Mimas qui est particulièrement cratérisée, ce qui prouve que sa surface est très ancienne et n'a pas encore été impactée par des changements internes, en accord avec les calculs qui montrent que les effets de marée se produisent depuis moins de 25 millions d'années. Les cratères se sont donc accumulés à sa surface pendant des milliards d'années sans être effacés par des processus que sur Terre nous appellerions géologiques. C'est aussi pour cette même raison que nous savons que notre Lune est une planète morte depuis longtemps.
Un océan trahi par les librations et la précession de la mécanique céleste
L'Observatoire de Paris a mis en ligne une vidéo très pédagogique pour comprendre les différentes étapes de la découverte de l'océan de Mimas. Pour comprendre de quoi il est question, on peut commencer à rappeler que Mimas est en rotation synchronesynchrone autour de Saturne, tout comme notre Lune autour de la Terre et présentant donc toujours la même face à un observateur sur Terre.
En fait, c'est un peu plus compliqué que ça comme les astronomes le savent depuis bien longtemps. On observe, et la mécanique céleste de NewtonNewton en rend bien compte, que la face de la lune oscille en quelque sorte périodiquement par rapport à nous du fait des forces de gravitation de la Terre et du SoleilSoleil. De faibles portions de sa surface sont donc périodiquement découvertes et recouvertes dans l'ombre comme si l'axe de rotation de la Lune changeait.
On parle de mouvements de librationlibration et les planétologues et mécaniciens célestes savent que ces mouvements sont différents selon la structure interne et la forme du corps céleste subissant des forces de marée (en fait, dans le cas de la Terre, en utilisant notamment les équationséquations d'Euler pour les mouvements des corps solidessolides comme les toupies, il est possible d'avoir de cette manière des renseignements sur sa structure en étudiant les changements de son axe de rotation au cours du temps. La stratégie d'étude est comparable avec Mimas et d'autres corps célestes). Les observations et mesures de ces mouvements par la sonde Cassini dans le cas de Mimas pouvaient s'expliquer par deux modèles différents dont l'un faisait intervenir un océan global caché.
Mais comment expliquer l'existence d'un tel océan et surtout comment départager les deux hypothèses ?
La mécanique céleste là aussi donne les réponses, comme l'explique toujours très bien la vidéo de L'Observatoire de Paris.
On peut montrer que les forces de gravitégravité entre Mimas, Encelade et une autre lune de Saturne, TéthysTéthys, ont conduit l'orbiteorbite de Mimas à devenir plus excentrique, elliptique en fait, mais depuis quelques dizaines de millions d'années seulement. Il s’agit d’un exemple des effets de résonance causés par des forces de perturbations gravitationnelles. Ainsi en s'approchant, des lunes peuvent sentir des perturbations périodiques plus fortes qui sont équivalentes à de petites impulsions données lorsque l'on utilise une balançoire, ce qui fait évoluer au cours des millénaires et millions d'années les paramètres orbitaux des lunes.
Mimas aurait, au final, en raison de son orbite elliptique subi des forces de marée bien plus importantes, avec un dégagement de chaleur en cours depuis moins de 25 millions d'années.
Toutefois, cela ne démontrait pas encore l'existence d'un océan. La dernière pièce du puzzle à mettre en place, indiquant l'existence de cet océan plutôt que d'un cœur rocheux ellipsoïdal pour Mimas, est venue de la précessionprécession de l'orbite elliptique de Mimas. Sa mesure montre que seule l'hypothèse d'un océan global reste en lice.
Cette lune qui ressemble à l’« Étoile de la Mort » dans Star Wars cacherait un océan sous sa surface
Article d'Adrien CoffinetAdrien Coffinet, publié le 6 février 2023
Des simulations numériquessimulations numériques du bassin d'impact Herschel, la caractéristique la plus visible de la surface de Mimas, ont montré que le satellite de Saturne pourrait avoir une coquille de glace qui s'amincit et un océan géologiquement jeune.
Mimas est un satellite naturel de Saturne, le plus petit -- environ 400 kilomètres -- et le plus proche de la planète -- à environ 185 500 kilomètres -- parmi les sept ayant une forme sphéroïdale. Sa taille modeste et son manque d'activité géologique suggèrent une histoire figée et inactive car, Mimas étant actuellement séparé de sa planète par moins de 3 rayons de Saturne et son orbite étant « fortement » excentrique (0,02), cela devrait stimuler une intense activité de marées. Par ailleurs, Mimas est fortement cratérisé et n'a pas les caractéristiques typiques d'une lune océanique, comme la surface activesurface active de sa voisine Encelade.
Cependant, les mesures de Mimas faites par la mission Cassini s'expliquent mieux par un océan sous une coquille de glace relativement épaisse (voir notre article de 2014 ci-dessous). Une étude plus récente a par ailleurs montré que, grâce aux marées, la petite lune pouvait générer la bonne quantité de chaleur pour abriter un océan interne liquide (voir notre article de 2022 ci-dessous également). Ces résultats ont alors encouragé l'étude de la surface de Mimas pour comprendre comment son intérieur avait pu évoluer.
Un jeune océan sous une coquille de glace qui s'amincit
Des simulations numériques du bassin d'impact Herschel, le cratère de 139 kilomètres de diamètre qui donne à Mimas son air d'étoile de la mort, ont montré que la structure du bassin et le manque de tectonique sur Mimas sont compatibles avec une coquille de glace qui s'amincit et un océan géologiquement jeune.
Adeene Denton, alors étudiante au Département des sciences de la Terre, de l'atmosphèreatmosphère et des planètes de l'Université Purdue à West Lafayette (Indiana, États-Unis), a travaillé avec Alyssa Rhoden, planétologue au Southwest Research Institute à Boulder (Colorado, États-Unis), pour mieux comprendre comment Mimas pouvait posséder un océan interne. Leurs résultats ont conduit à un nouvel article paru dans Geophysical Research Letters.
Adeene Denton a modélisé la formation du bassin d'impact Herschel à l'aide du logiciellogiciel de simulation iSALE-2D. Les modèles ont montré que la coquille de glace de Mimas devait avoir une épaisseur d'au moins 55 kilomètres au moment de l'impact qui a formé Herschel. En revanche, les observations de Mimas et les modèles de son réchauffement interne limitent l'épaisseur actuelle de la coquille de glace à moins de 30 kilomètres si elle abrite actuellement un océan. Ces résultats impliquent qu'un océan actuel au sein de Mimas a dû se réchauffer et s'étendre depuis la formation du bassin. Il est également possible que Mimas fût entièrement gelé au moment de l'impact et le soit toujours à l'heure actuelle. Cependant, A.Denton a découvert que l'inclusion d'un océan intérieur dans les modèles d'impact aidait à produire la forme du bassin.
Des contraintes pour d'autres lunes
Denton, qui est maintenant chercheuse postdoctorale à l'Université de l'Arizona, a déclaré : « Nous avons découvert qu'Herschel n'aurait pas pu se former dans une coquille de glace de l'épaisseur actuelle sans anéantir la coquille de glace sur le site d'impact. Si Mimas a un océan aujourd'hui, la coquille de glace s'amincit depuis la formation d'Herschel, ce qui pourrait aussi expliquer l'absence de fractures sur Mimas. Si Mimas est un monde océanique émergentémergent, cela impose des contraintes importantes sur la formation, l'évolution et l'habitabilité de toutes les lunes de taille moyenne de Saturne ».
Rhoden, coresponsable du réseau de coordination de la recherche sur les mondes océaniques de la NasaNasa et qui a précédemment siégé au comité des Académies nationales sur l'astrobiologieastrobiologie et la planétologie, précise que, « bien que [leurs] résultats soutiennent un océan actuel au sein de Mimas, il est difficile de concilier les caractéristiques orbitalesorbitales et géologiques de la lune avec [leur] compréhension actuelle de son évolution thermique-orbitale. Évaluer le statut de Mimas en tant que lune océanique permettrait de comparer les modèles de sa formation et de son évolution. Cela [les] aiderait à mieux comprendre les anneaux et les lunes de taille moyenne de Saturne ainsi que la prévalenceprévalence des lunes océaniques potentiellement habitables, en particulier autour d'Uranus. Mimas est une cible incontournable pour continuer l'enquête ».
Cette lune de Saturne cacherait aussi un océan sous sa surface
Autour de Saturne, il y avait déjà Encelade et TitanTitan. Parmi les lunes de la planète aux anneaux qui cachent un océan liquide sous leur surface, il faudra désormais sans doute aussi compter la petite Mimas.
Article de Nathalie MayerNathalie Mayer paru le 29/01/2022
Il y a plusieurs années déjà, l'hypothèse avait été soulevée. Sous sa croûtecroûte de glace, Mimas, un nom de géant pour un tout petit satellite de Saturne -- son diamètre est de l'ordre de 400 kilomètres seulement --, cacherait un océan. L'hypothèse était soutenue par des mesures renvoyées par la sonde Cassini (Nasa). Mais les astronomes restaient perplexes. Rien. Absolument rien à la surface du satellite ne permettait de le confirmer.
« La surface de Mimas est criblée de cratère dont un particulièrement immense - certains y voient même une ressemblance avec l'ÉtoileÉtoile de la Mort de Star Wars. Nous pensions que ce n'était qu'un bloc de glace », raconte Alyssa Rhoden, spécialiste de la géophysique de ce type d'objets célestes, dans un communiqué du Southwest Research Institute (SwRI, États-Unis). « Rien à voir avec les surfaces que nous connaissons à d'autres "mondes océaniques intérieurs" qui sont fracturées et qui montrent des signes d'activité géologique. » Et c'est justement en voulant le démontrer que les astronomes ont découvert de nouvelles preuves que le satellite possède bien un océan interne liquide.
Le saviez-vous ?
Dans notre Système solaire, plusieurs satellites naturels sont aujourd’hui connus pour cacher des océans. Parmi eux Encelade et Titan, deux autres lunes de Saturne. Et peut-être également Dione. Mais aussi Europe, Callisto et Ganymède, des lunes de Jupiter ou encore Triton, une lune de Neptune.
Ce qui a trahi le secret de Mimas, c'est la libration enregistrée il y a quelques années déjà maintenant, toujours par la sonde Cassini. Une libration, c'est le nom que les astronomes donnent aux lents mouvements d'oscillation qu'un satellite peut avoir lorsqu'il est vu depuis le corps autour duquel il est en orbite. Or les physiciensphysiciens savent que le phénomène des marées -- dont une partie est causée par la libration en question -- a tendance à dissiper de l'énergieénergie sous forme de chaleur dans un satellite. Et dans le cas présent, suffisamment pour qu'un océan liquide persiste sous la croûte glacée de Mimas.
Allez voir sur Mimas ce qu’il s’y passe
Selon les modèles développés par les chercheurs, la croûte de glace à la surface de Mimas aurait ainsi une épaisseur comprise entre 20 et 30 kilomètres environ. Et elle couvrirait entièrement un océan liquide. Pourtant, le conditionnel reste de mise. Car comme le reconnaissent les astronomes, « il est difficile de concilier les caractéristiques orbitales et géologiques de Mimas avec notre compréhension actuelle de son évolution ». L'hypothèse d'un noyau en forme de ballonballon de rugby également formulée pour expliquer la libration enregistrée reste possible. Seule une mission envoyée sur place semble en mesure de trancher Elle pourrait du même coup étudier, s'il existe bien, la composition de cet océan, sans doute remplie d'une eau piégée là depuis des milliards d'années.
Comprendre mieux le modèle de Mimas pourrait éclairer les astronomes sur le nombre de « mondes océaniques intérieurs » qu'ils peuvent s'attendre à trouver. Non seulement dans notre Système solaire. Peut-être du côté d'UranusUranus et de MirandaMiranda, ArielAriel ou UmbrielUmbriel. Et sur des objets plus petits que ce qu'avaient jusqu'alors imaginé les chercheurs. Mais aussi autour d'étoiles plus éloignées.
De quoi aussi ouvrir un peu plus encore le champ des possibles pour la vie. En effet, la plage définie par les chercheurs comme « habitable » autour d'une étoile pourrait bien ainsi se voir assez largement agrandie. Et ne plus se cantonnée à une zone située autour d'un équivalent de la distance Terre-Soleil. Grâce à une eau souterraine qui s'avèrerait bien plus commune que l'eau de surface.
Autour de Saturne, Mimas cacherait un océan... ou un noyau aplati
À partir d'observations réalisées par la sonde spatiale Cassini, une équipe internationale de chercheurs a mesuré la rotation de Mimas, une des nombreuses lunes de Saturne, et y a détecté des oscillations. Non conformes aux modèles prédictifs, elles laissent penser que ce petit satellite pourrait abriter soit un noyau fortement aplati soit, sous sa couche de glace, un océan.
Article du CNRS paru le 27/10/2014
La rotation de Mimas a été mesurée à partir des images de Cassini (Esa, Nasa), à l'aide d'une technique à l'utilisation peu connue, dite de stéréophotogrammétrie. Elle permet de reconstituer en trois dimensions une portion de surface d'un objet dès lors qu'il est observé au moins deux fois sous des angles différents. Tout comme la Lune autour de la Terre, Mimas est en rotation synchrone autour de Saturne. Cela signifie que ce satellite tourne sur lui-même à la même vitessevitesse qu'il effectue une révolution autour de la planète géanteplanète géante, montrant ainsi toujours la même face à sa planète.
Toutefois, à ce mouvement moyen uniforme, se superposent des oscillations. Celles-ci sont appelées librations, car elles résultent du couple de force gravitationnelleforce gravitationnelle exercée par Saturne sur le satellite d'environ 400 km de diamètre. Les travaux menés par une équipe internationale impliquant des chercheurs français de l'Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (IMCCE) de l'observatoire de Paris (CNRS, Université Pierre et Marie CurieMarie Curie, Université Lille 1) et du laboratoire AIM (CEA, CNRS, Université Paris Diderot) et des scientifiques de l'observatoire Royal de Belgique, l'université de Namur (Belgique) et l'université de Cornell (États-Unis) ont permis de mettre en évidence deux types de librations : l'un à basse fréquencefréquence, l'autre à haute fréquence. Or, sur ces deux types, celui à haute fréquence présente une amplitude deux fois plus importante, incompatible avec le modèle de rotation d'un satellite solide, à l'équilibre hydrostatique. Cette amplitude est révélatrice de la distribution de massemasse à l'intérieur du corps et de la présence ou non de couches liquides.
Mimas pourrait cacher un océan
Ces observations sont donc surprenantes et révèlent une structure interne intrigante. Après avoir exploré plusieurs hypothèses, il apparaît que cette forte amplitude peut s'expliquer soit par la présence, sous le manteaumanteau de glace de Mimas, d'un noyau de roche de forme très allongée, soit par l'existence d'un océan interne caché entre sa surface glacée et son noyau. En effet, les planétologues supposent que le noyau du petit satellite doit être à l'équilibre hydrostatique (où les forces de gravitation, centrifuge et de pressionpression s'équilibrent dans le corps), par conséquent d'un âge de formation très ancien. Or la forte amplitude de la libration à haute fréquence pourrait indiquer un noyau présentant un allongement de 20 à 60 km plus important que dans le cas hydrostatique.
Si le noyau de Mimas est bien allongé, alors il aurait gelé depuis sa formation et aurait conservé en grande partie sa forme initiale. En revanche, si cette lune possède un océan, elle rejoindrait alors le club des « satellites à océan interne » du Système solaire où figurent plusieurs lunes de Jupiter (Europe, GanymèdeGanymède...) et, autour de Saturne, Titan et Encelade. Un tel océan global serait une véritable surprise, car la surface de Mimas ne présente aucun signe d'activité géologique récente. Des observations supplémentaires de Cassini permettront d'affiner les modèles d'intérieur de Mimas.
Que ce soit l'une ou l'autre de ces deux solutions, nous savons dorénavant que Mimas, malgré sa surface apparemment ancienne criblée de cratères et sa petite taille, n'est pas l'astreastre froid et inerte que l'on imaginait. Percer le secret de son intérieur éclairera sûrement sur sa formation, et par là même sur la formation du système de Saturne dans sa globalité.
