Hubert Reeves

 

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Titan, satellite de Saturne

Titan

Titan, satellite de Saturne, figure de proue de l'exploration spatiale de ce début de siècle. Cet astre est la cible de tous les regards depuis la célèbre mission Cassini-Huygens, car il représente un vrai laboratoire de chimie organique ... Des molécules organiques très complexes ont été repérées à sa surface, en raison de la très forte présence d'hydrocarbures liquides et d'une atmosphère très dense et riche en azote, méthane et amoniac. Titan est une sorte de Terre primitive dont les astronomes, pleins d'espoirs, tentent de percer les mystères pour comprendre comment la vie est apparue sur notre planète ...

Sommaire

Découverte et historique de Titan

Titan est le plus gros de tous les satellites orbitant autour de Saturne. Il est également l’un des plus célèbres de tout le système solaire, et d’avantage encore depuis la mémorable mission Cassini-Huygens.
Ce satellite, visible dans des instruments d’observations rudimentaires, a été découvert le 25 Mars 1655 par l’astronome et opticien néerlandais Christiaan Huygens.
45 ans plus tôt pourtant, Galilée qui fit sa légendaire découverte des 4 satellites joviens au moyen de la lunette de son invention, ne détecta pas la présence de Titan lorsqu’il la pointa vers le système de Saturne. En effet, la qualité optique était si médiocre et le diamètre de sa lentille si faible qu’il ne pouvait obtenir qu’une image déformée et grossie tout juste 30x, qui ne lui permit même pas d’identifier les anneaux

Parcourez notre gamme de posters sur Titan :

C’est donc presque un demi siècle plus tard que Huygens publia sa découverte dans un ouvrage intitulé Systema Saturnium, en 1659.
Mais l’étude des satellites de Saturne resta souvent mise de côté, tant les astronomes s’émerveillaient et se jetaient à corps perdu dans l’étude des anneaux de Saturne.
Jusqu’à la moitié du XIXème siècle, les satellites connus de Saturne prirent les noms de numéros (Saturne 1, Saturne 2, …). C’est en 1847 que John Herschel (fils de William Herschel) proposa que ces désignations numériques soient remplacées par des noms sortis de la mythologie grecque. Ainsi, Cronos (Saturne) fut accompagné de ses frères et sœurs : les titans (Titan, Téthys, Dioné, Rhéa, Japet, Mimas, Encelade …).

systema saturnium

Par bonheur, Titan fait partie d’un système planétaire qui a toujours fasciné les hommes. Ainsi, par le biais de toutes les missions d’exploration envoyées depuis 30 ans vers Saturne et Jupiter, nous avons pu récolter de nombreuses informations sur ce monde lointain.
En effet, 4 sondes spatiales ont visité et étudié le satellite : Pioneer11 en 1978, Voyager1 en 1980, Voyager2 en 1981 et Cassini-Huygens en 2004 (mission toujours en cours programmée sur 4 années minimum).
Cette dernière mission a d’ailleurs été un grand pas dans l’exploration spatiale puisque le module Huygens (ESA) s’est détaché de sa sonde Cassini (NASA) pour se poser sur le sol Titanesque, le 14 Janvier 2005.
Titan est alors devenu le premier astre du système solaire externe sur lequel l’homme a posé un de ses engins.
La somme des clichés et des informations recueillis fut alors si importante qu’il faudra encore plusieurs années aux astronomes pour en exploiter pleinement le contenu.

sondes spatiales

Titan en quelques chiffres ...

Orbite autour de Saturne

Titan orbite de façon synchrone (en présentant toujours la même face) autour de Saturne en 15 jours, 22 heures et 24 secondes.
Le demi-grand axe de cet orbite est de 1 221 900 km (Saturne est à 10UA du Soleil).
L’orbite est peu excentrique (0.0288) et peu incliné également (1.634°).

Taille

Titan est le 2ème plus gros satellite du système solaire, derrière Ganymède (satellite de Jupiter). Il est plus gros que Mercure, que Pluton, et même que notre Lune. Sa taille se rapproche de celle de Mars. Son diamètre à l’équateur est de 5150 km.

Masse

Titan possède une masse de 1.346 x 1023 kg, la gravité en surface étant de l’ordre de 1.35 m/s².

tailles des satellites

satellites de saturne

Une atmosphère impénétrable

Un mystère pour les astronomes du XXème siècle

Vu de l’espace, Titan ressemble à une boule orangée homogène, dont on n’aperçoit pas le sol, un peu comme Vénus. Et pour cause, car comme cette dernière Titan est dotée d’une très épaisse atmosphère.
Déjà au début du XXème siècle, bien avant qu’on envoie la première sonde dans l’espace, un astronome catalan du nom de JC Solà suspecta l’existence de cette épaisse couche atmosphérique en se basant sur les différences d’intensité lumineuse, entre le centre brillant de la boule et ses bords plus sombres. Il comprit alors qu’une partie de la lumière du bord restait bloquée par du gaz et ne parvenait pas à notre regard.
En 1944, Gerard Kuiper apporta une preuve indiscutable de l’existence d’une atmosphère sur Titan, en obtenant la signature spectrale du méthane. Pour lui, la couleur orange de la sphère est due aux interactions entre la surface et les gaz de l’atmosphère. A l’époque, beaucoup croient alors que l’atmosphère est ténue, laissant entrevoir une surface orangée semblable à Mars.
En 1961, des travaux de photométrie contrediront cette idée, démontrant au contraire l’existence d’une épaisse et opaque couche atmosphérique.
La même année, c’est Audouin Dollfus qui tente une cartographie du satellite, au moyen de la lunette du Pic du Midi (à la lentille de 600 mm de diamètre).

Mais une étude plus approfondie de ce satellite devient bientôt impossible depuis la Terre, car cette atmosphère empêche toute étude de la surface…

surface de Titan

C’est donc le 3 Septembre 1979 que l’étude reprend, avec la rencontre entre la sonde Pioneer11 et Titan. La sonde envoie sur Terre la première photo en gros plan du satellite (prise à 3.6 millions de km), offrant un paysage assez peu varié, toujours opaque et orangé, mais distinguant tout de même une différence de luminosité entre deux hémisphères.
L’ignorance aidant, les hypothèses vont alors bon train sur la nature de cette atmosphère, sur la pression, la densité, divisant la communauté des astronomes.

La composition atmosphérique mise à jour

Au tout début des années 80, c’est donc la sonde Voyager1 qui met tout le monde d’accord, grâce à son spectromètre infra rouge et ultra violet. L’aspect de l’astre sur les clichés en lumière visible est toujours aussi peu intéressant à première vue, montrant toujours une boule orangée couverte de nuages, mais les spectromètres embarqués sur Voyager1 analysent eux la haute atmosphère avec un niveau de précision inégalé : entre 82 et 94% de diazote (N2), 8% de méthane, ainsi que la présence d’argon. La sonde détecte aussi des traces de molécules organiques (cyanogène, cyanure d’hydrogène, éthane, propane, nitriles, vapeur d’eau …). On découvre aussi que l’oxygène existe sur Titan, mais pas en tant que tel … On trouve en effet la présence de monoxyde de carbone (CO).
En 1989, Titan occulte par chance l’étoile 28 Sgr, ce qui offre aux astronomes de nouvelles données sur la composition atmosphérique de Titan, notamment des changements saisonniers de son aspect.

Titan par Voyager1

Mission Cassini-Huygens

Fin du XXème siècle, regain d'intérêt

En cette fin de XXème siècle, la recherche de vie possible dans le système solaire devient une sorte de quête du Graal, plus encore que par le passé. Après les tentatives de recherche d’eau sur Mars et la Lune (et les déceptions), les astronomes sont de plus en plus attirés par une exploration plus poussée du système solaire externe. En effet, on connaît finalement assez peu de choses sur les satellites de Jupiter et de Saturne, car on s’est jusqu’à présent énormément focalisé sur notre voisine la planète rouge …
Ce sentiment de conquête et de recherche de vie extra-terrestre s’amplifie encore d’avantage alors qu’on découvre pour la première fois l’existence d’une planète extra solaire.

1997, décollage de la fusée ...

En 1997, débute alors une ambitieuse mission d’exploration, issue d’une étroite collaboration avec la NASA et l’ESA (Agence Spatiale Européenne) et dont le but est d’étudier pour la première fois en détail l’énigmatique surface de Titan, en y posant un engin. Cette mission a pour nom Cassini-Huygens.
Après une préparation de 20 ans, et un budget de 230 millions d’euros, la fusée décolle le 15 Octobre 1997, et, après une rapide observation du système jovien, la sonde atteint les anneaux de Saturne en Juillet 2004.

mission cassini huygens

Descente du module Huygens dans l'atmosphère de Titan

Le 14 Janvier 2005, la sonde Cassini lâche son module Huygens, qui amorce une descente vers la surface de Titan. La traversée de l’atmosphère dure alors plus de 2 heures (celle-ci est épaisse de 1600 km), au cours desquelles Huygens photographie, filme, analyse, et envoie toutes ses données vers la sonde Cassini qui les relaie vers la Terre, à 1.2 milliards de kilomètres de là ! Le petit module se pose sans encombre, et effectue alors un travail d’analyse allant bien au-delà des espérances des scientifiques, puisqu’elle transmettra des données pendant plus de 2 heures 30 minutes.

mission Cassini-Huygens

L'apport scientifique de la mission Cassini-Huygens

L'atmosphère : Un laboratoire de chimie organique

Huygens a affiné nos connaissances sur la composition atmosphérique de Titan.
Comme pour la Terre, le composant principal de l’atmosphère est le diazote (N2), avec une plus grande proportion encore (+ de 90%).
On sait aujourd’hui que les particules atmosphériques sont particulièrement riches en ammoniac (NH3). Il a également fait une découverte d’importance pour la recherche de la vie dans le système solaire : la présence d’acide cyanhydrique (HCN), qui est une molécule précurseur des acides aminés et des bases des acides nucléiques … en somme, les briques élémentaires de la vie, ou du moins une forme complexe de matière organique.

L’importante présence de matière organique sur Titan en fait une particularité du satellite. Les hydrocarbures sont produits à grande échelle, notamment sous forme de pluie de méthane.
Etant très froide (-180°c, 94°k), la température de surface permet en effet la liquéfaction des hydrocarbures. La température atteint même son minimum à une altitude de 40 kilomètres, dans la tropopause : - 201°c (72°k).
Dans la haute atmosphère, un survol de la sonde Cassini a également révélé la présence d’hydrocarbures complexes. Le spectromètre de masse de la sonde a montré toute la diversité des éléments, faisant de Titan un vrai laboratoire, une usine à molécules organiques. On a notamment trouvé des mélanges moléculaires à base de carbone comprenant 7 atomes carbonés ! Ce qui est également le cas pour toutes les bases azotées servant de briques à l’ADN et l’ARN !
L’importante présence de méthane dans l’atmosphère (jusqu’à 10%) de Titan intrigue les astronomes. Ce méthane (CH4) est très volatile et monte en effet dans les hautes couches de l’atmosphère, où il est soumis au rayonnement solaire. Ce dernier transformant ce même méthane en un radical méthyl CH3 qui retombe à la surface, libérant un atome d’hydrogène qui lui s’échappe dans l’espace. L’hydrogène qui s’évade de Titan forme un énorme tore autour de Saturne.

atmosphère de Titan

Du méthane liquide en surface

Le méthane est donc en constante destruction dans l’atmosphère de Titan, et il devrait en théorie ne plus être présent à l’heure qu’il est. Il est donc manifeste qu’un réservoir existe en surface, alimentant l’atmosphère en quantité suffisante pour qu’il soit présent en permanence. Ainsi, l’hypothèse selon laquelle Titan possédait des océans de méthane liquide est née, dans les années 70. Sans ce réservoir de méthane, l’atmosphère aurait du entièrement se détruire en 50 millions d’années, ce qui est très rapide …
La réelle origine de cette alimentation de l’atmosphère en méthane reste toujours un mystère, et plusieurs réponses sont possibles : évaporation des étendues liquides, infiltration souterraine, cryovolcanisme … Le champ d’investigation est si large qu’on n’exclue même pas la présence d’une activité biologique de micro-organismes profonds libérant du méthane !
Quoiqu’il en soit, il y a donc réellement une chimie de la haute atmosphère sur Titan, créant des molécules organiques complexes à base de méthane. On est donc tenté de faire le parallèle entre l’atmosphère de Titan et celle que possédait la Terre au début de son existence : Dans les deux cas, la complexification de la matière organique s’est faite au moyen d’un même cycle, impliquant des échanges entre surface, atmosphère et rayonnement solaire. Ces similitudes font de Titan un objet de convoitises pour les exobiologistes.
Pourtant, au moyen des observations de la sonde Huygens, l’existence d’un ou de plusieurs océans d’hydrocarbures n’a pas été établie.

cryovolcan Titan

Titan, une Terre avortée ?

Après avoir observé dans plusieurs longueurs d’onde (infra rouge et radio notamment), Huygens a même réfuté l’hypothèse selon laquelle il existerait un océan global à la surface du satellite ! Mais la présence de lacs ou de mers n’est pas exclue pour autant, et l’existence de chenaux d’écoulements liquide a bien été démontrée, preuve cette fois-ci que du liquide a bien coulé à la surface de Titan, résultant des pluies de méthane. Il reste toutefois à confirmer que cette pluie est bien le fruit d’un cycle « météorologique » du méthane (en analogie avec le cycle de l’eau sur Terre) et non uniquement d’un cryovolcanisme comme il en existe sur certains satellites de Jupiter
On se plait à penser que Titan aurait pu être une Terre en devenir. La température très froide du sol, liquéfiant des gaz et emprisonnant les composés organiques complexes, aurait gelé tout espoir de voir la matière organique évoluer vers l’apparition de la vie, comme on congèle sur Terre des embryons dans l’azote liquide ...

fleuves sur Titan

lacs d'hydrocarbures

L'influence gravitationnelle de Saturne

Champ magnétique ...

Titan interagit également avec Saturne au niveau magnétique. Le satellite ne possède pas de champ magnétique propre, mais il est influencé par la magnétosphère de Saturne, qu’il traverse périodiquement. Lorsque c’est le cas, la magnétosphère de la géante gazeuse érode partiellement (et faiblement) la couche atmosphérique de son satellite. Inversement, Titan modifie localement la magnétosphère de Saturne : Titan circule sur son orbite dans le même sens que la magnétosphère de Saturne, pourtant, les vitesses étant différentes, une onde de choc est produite lors de la « collision », modifiant ainsi la structure du champ magnétique saturnien.
Ces interactions influencent l’épaisse atmosphère de Titan, et engendre une source d’énergie, en plus des rayons solaires, favorisant les réactions chimiques atmosphériques.

... et effets de marée

Ce n’est pas tout : Saturne influence également grandement son satellite par son attraction gravitationnelle L’effet de marée induit par cette influence gravitationnelle sur Titan est 400 fois plus intense que celui provoqué par la Lune sur notre planète.
Comme pour la Lune, notre satellite, l’importante force gravitationnelle de Saturne impose une rotation synchrone de Titan par rapport à sa planète : Il présente toujours la même face à sa planète.
La force gravitationnelle de Saturne modifie et gouverne aussi et surtout la dynamique des vents sur Titan. Dans la haute atmosphère, les vents peuvent atteindre plus de 400 km/h, même si la moyenne est de l’ordre de 100 à 150 km/h. En descendant à 80 km d’altitude, c’est avec étonnement qu’on se rend compte que les vents s’annulent … pour reprendre de façon plus modérée en surface …
Heureusement, la force d’attraction de Saturne étant bien plus faible que celle de Jupiter, elle a épargnée l’atmosphère de Titan. Les pauvres satellites de Jupiter n’ont pas eu cette chance (les 4 satellites galiléens n’en possède plus qu’une couche résiduelle) …

champ magnétique de Titan

On pensait jusqu’à présent que le puissant effet de marée occasionné par Saturne engendrait de violentes tempêtes dans les océans de Titan. Mais il a été depuis démontré que ces océans n’existaient pas … Des chercheurs utilisant les données radar de Cassini ont effectivement conclu que les secteurs sombres repérés dans les régions équatoriales de Titan sont des dunes de sable semblables à celles trouvées en Arabie ou en Namibie. Ces dunes de 100 mètres de hauteur, parallèles les unes aux autres et s'étendant sur plusieurs centaines de kilomètres sur l'équateur, seraient créées par les vents de marée de Saturne, plutôt que par les vents d'énergie solaires. À la différence de la Terre, les sables ne seraient pas composés de grains des silicates mais plutôt d'un certain mélange des matériaux organiques et/ou de grains de glace. Les "mers" de Titan sont donc finalement faites de sable …

dunes de sable sur Titan

Une surface gelée

La dense atmosphère titanesque a longtemps caché aux hommes la nature de la surface du satellite, alimentant tous les phantasmes …
Dans les années 90, le satellite spatial Hubble réussit à nous dévoiler la présence d’une grande étendue sombre plus élevée que le reste, faisant penser à un continent.
Mais ce n’est que le 14 Janvier 2005 que la petite sonde Huygens nous révéla pour la toute première fois les paysages de Titan !
Grâce à la multitude des clichés pris lors de la descente, à différentes altitudes, les astronomes ont affinés leurs connaissances sur ce sol énigmatique …
On sait que la densité de Titan est de 1.88, ce qui semble confirmer la présence de silicates en plus de la présence de glace. Les « cailloux » photographiés par Huygens sont en effet des blocs de glace (probablement mélange d’eau, de méthane, d’ammoniac …), et non de roches. Il est donc probable que sous la couche de glace se trouve un manteau de silicates mélangé à de la glace. Nous ne savons pas encore si la structure interne est différenciée par couches, ou indifférenciée.

composition de Titan

L’intérieur de Titan semble actif, cette activité nous ayant été révélée par la présence de cryovolcans, lesquels volcans expliqueraient en théorie la présence continue de méthane dans l’atmosphère. Comme nous l’avons déjà vu, ce méthane retomberait en pluie, formant des étendues de méthane liquide en surface. Les caméras de Huygens ont pu montrer des structures ressemblant à des réseaux de drainage et des lacs asséchés.
Ces liquides de surface érodent le relief, notamment des dépôts atmosphériques et des impacts cométaires récents. L’activité chimique atmosphérique dépose sur le sol de la tholine, une structure complexes de molécules organiques.
Du fait de l’épaisseur de la couche atmosphérique, la lumière arrivant en surface est relativement faible : Seule 1/1000ème de la lumière frappant le satellite arrive en surface. Il est aussi fort probable que les vents balaient les sédiments organiques de surface, créant des brouillards.

Un relief peu prononcé

Le relief sur Titan est, comme pour les satellites galiléens de Jupiter, très peu prononcé : une nouvelle conséquence de l’effet de marée de Saturne. En effet, la sonde Cassini a révélé au moyen d’un balayage radar d’une zone longue de 400km un relief ne dépassant pas les 150m de hauteur. De même, la sonde Huygens n’aurait rien repéré dans son périmètre d’atterrissage dépassant la centaine de mètres de hauteur.
Titan serait recouvert d’une couche sédimentaire de quelques mètres, un peu comme le régolite de la Lune. Les reliefs les plus prononcés seraient tout de même compris entre 3 et 7 km. Ces chaînes de montagnes seraient vraisemblablement le fruit d’une activité tectonique.

le relief de Titan

La sonde Cassini étudiera encore pendant plusieurs années le système de Saturne, nous avons encore donc de belles années de découvertes devant nous, probablement riches en émotions et en surprises ...

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Un océan sur Titan

Visite de Titan

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