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La contamination extraterrestre

Vue oblique de la GRS et de la WOS BA de Jupiter photographiés par Juno le 21 décembre 2018. Document NASA/JPL-Caltech / SwRI/MSSS traité par Gerald Eichstadt et Sean Doran.

Des nitriles sur Jupiter (III)

Dans notre quête de traces de vie, Jupiter est d'un grand intérêt pour les chercheurs parce qu'il est resté dans une phase initiale, en formation. Son atmosphère réductrice contient des traces de méthane, d'HCN, d'hydrocarbures et d'aérosols organiques. Si de l'énergie est disponible, il est prouvé que la matière organique peut se former. Lors de simulations de la matière rouge-brun, un polymère nitrile, de formule générale R-C≡N ou cyanure (-CN) fut synthétisé. Il suggère fortement la coloration de la Grande Tache Rouge jovienne ou des petits vortex de Saturne et d'Uranus. Cette couleur rouge-orangée peut aussi s'expliquer par la décomposition par photolyse de la phosphine (PH3) en phosphore rouge.

A leur tour, le physicien Kevin Baines de l'équipe scientifique de Cassini au JPL ainsi que Bob Carlson et Tom Momary du JPL ont étudié la question à partir des données transmises par la sonde Cassini en décembre 2000 et les ont comparées aux résultats d'expériences chimiques en laboratoire. Ils ont bombardé un mélange contenant les deux principaux gaz qu'on retrouve au sommet de l'atmosphère de Jupiter, l'ammoniac (NH3) et l'acétylène (C2H2) avec de la lumière ultraviolette de 214 nm reproduisant l'énergie solaire. Les résultats de leur analyse publiés dans la revue "Icarus" indiquent que la photolyse a formé une matière orange composée d'azo (R-N=N-R'), diazo (R2C=N2) et d'azine aliphatique (RR'C=N-N=CRR') dont la couleur correspondait aux observations de Cassini.

Selon Baines, leur modèle suggère que la Grande Tache Rouge présente une couleur fade en dessous de la couche colorée orange. En effet, sur Jupiter les vents de tempête transportent les particules glacées d'ammoniac dans la haute atmosphère, les exposant à la lumière solaire. Du fait que ces vortex sont en rotation comme les ouragans sur Terre, les particules d'ammoniac ne peuvent s'échapper. Cela crée une coloration orangée permanente au sommet de la dépression formée par la Grande Tache Rouge.

Comme sur Terre, où les poissons existent bien dans un milieu liquide, il n'est pas besoin de quelque chose de solide pour porter la vie. La vie peut donc parfaitement évoluer dans l'atmosphère de Jupiter, mais aussi de Saturne ou d'Uranus. Il peut s’agir de bactéries telles qu'on en trouve dans notre atmosphère jusqu'à 16 km d'altitude.Mais les profondeurs de Jupiter cachent de violents courants verticaux qui menacent leur survie.

L'atmosphère de Jupiter contient des molécules prébiotiques. A une centaine de kilomètres de profondeur elle est même chaude, dense, contient des aérosols organiques, de l'eau et est parcourue d'éclairs. N'ayant pas de surface solide ce milieu est cependant propice au développement d'une vie primitive capable de supporter des pressions importantes et des perturbations météorologiques sévères. Mais jusqu'à présent les sondes qui s'y sont aventurées n'y ont découvert aucune forme de vie. Documents Andrew C.Stewart.

Pour les biochimistes, ces bactéries évolueraient vers les 80 km de profondeur dans l'atmosphère jovienne. Il est aussi possible que ces organismes baignent dans un milieu où la température soit celle d'une confortable pièce de séjour, ce qui tendrait à renforcer l'hypothèse selon laquelle certaines formes de vie rudimentaires existeraient dans l'atmosphère supérieure du géant jovien. L'hypothèse se trouve confirmée lorsqu'on apprend que sous l'épaisse ceinture colorée, la température est proche de 0°C, niveau de liquéfaction de l'eau et qu'elle croît en se rapprochant du noyau de la planète, tout comme la pression.

Titan, de méthane et de tholine

Plus gros que la Lune, le principal satellite de Saturne, Titan, cache sa surface sous une épaisse atmosphère opaque de couleur orange. Lorsque Voyager 2 le survola en 1981, les informations qu’il recueillit ont permis de conclure que son atmosphère était 10 fois plus massive que celle de la Terre et contenait principalement de l'azote, jusqu’à 10 % de méthane (CH4), de l'argon, un peu d’ammoniac mais pratiquement pas d'hydrogène moléculaire et aucune trace d'oxygène. Mis à part le manque d'eau, c'est l'atmosphère idéale d'une chimie prébiotique.

Et de fait, le détail le plus significatif fut la découverte d'hydrocarbures, d'acide cyanhydrique, plusieurs nitriles - HCN, HC3N, C2N2 et même de l'acrylonitrile (ou cyanide de vinyle, C2H3CN), premiers pas dans l'élaboration de la longue chaîne des bases nitrées A, G, C, T qui synthétisent les éléments vivants.

Ci-dessus, en 1949 Chesley Bonestell ignorait que Titan avait une épaisse atmosphère, dix fois plus massive que celle de la Terre. Don Davis et Adolph Schaller nous présentent une image plus réaliste. Ci-dessous, suite à la probable découverte par radar d'étendues liquides sur Titan, David Seal de la NASA/GSFC a imaginé que les cratères de sa surface étaient remplis de méthane. Documents Bonestell Space Art, Don Davis et NASA-GSFC.

Nous savons que le méthane est instable dans un milieu oxygéné, il s'oxyde pour former du gaz carbonique. Dans ces conditions, privé d'oxygène, Titan peut paradoxalement abriter la vie. Le phénomène apparaît obligatoire une fois les conditions chimiques et physiques réunies. Mais si l'on trouve des sucres et des acides aminés, ce n'est pas encore la vie. Physiquement Titan reste trop froid, il n'y a pas d'effet de serre, il fait -179°C au sol.

Des relevés radars[9] effectués depuis 1990 ont révélé l’existence de vastes régions présentant un pouvoir réfléchissant très élevé. Grâce aux images infrarouges recueillies par le Télescope Spatial Hubble en 1995, Stanley Dermott et Carl Sagan[10] ont découvert des variations dans l’albedo de surface ou de la topographie dont l’origine la plus probable serait liée à des phénomènes de marées, vraisemblablement provoqués par les mouvements de lacs de méthane ou d’éthane liquides bordant un continent grand comme l’Australie. En 2004 des images infrarouges et polarisées réalisées par la sonde Cassini ont confirmé l'existence de plusieurs types de reliefs.

Les réactions chimiques formant les tholines. Document JPL adapté par l'auteur.

Dans le ciel, entre 150 et 200 km d'altitude Voyager repéra des nuages et de la pluie de méthane ainsi que des couches de brume glacées entre 200 et 300 km d'altitude. Ces brumes et ces aérosols permettent aux rayons solaires de synthétiser de l’HCN dans un milieu gazeux. Ces composés organiques sont entraînés dans la circulation atmosphérique. Quelques uns s’accumulent dans les lacs ou les rivières de méthane mais la plupart finissent sur le sol gelé où ils sont irradiés par le rayonnement ultraviolet solaire.

Cet écosystème est similaire à la phase prébiotique que connut la Terre il y a plus de 3 milliards d’années, l'eau, la chaleur et l'effet de serre induit par le gaz carbonique en moins.

Des expériences prébiotiques conduites par Carl Sagan[11] ont permis de simuler l’abondance des éléments observés dans l’atmosphère de Titan. Ces expériences simulant la pression et la composition à différents niveau de son atmosphère démontrent que le rayonnement ultraviolet et le bombardement électronique associé aux aurores - simulés par des décharges électriques - suffisent à créer une matière organique orange sombre ou brune riche en composés aromatiques polycycliques et autres hydrocarbures. Cette matière est composée de tholine comme la nommée Carl Sagan et ses collègues en 1990 dans un article de la revue "Icarus", c’est-à-dire d’un mélange de gaz N2/CH4 contenant 0.1 % de CH4 produits par des électrons magnétosphériques et peut-être des hydrocarbures dérivés du C2 attaqués par le rayonnement ultraviolet. On peut aussi produire cette substance avec du méthane combiné à de l'ammoniac et de l'eau. Alternativement, la tholine peut se former par dissociation ou ionisation de molécules organiques qui se combinent pour former des benzènes qui produisent des ions qui facilitent la formation de tholine.

Cette substance présente le même spectre optique que celui observé dans les brumes de Titan qui lui donnent son aspect orangé. Notons comme l'a montré Carl Sagan et ses collègues en 1986, à l'instar des nitriles, combinées avec de l’eau, ces tholines forment des acides aminés, des nucléotides et d’autres molécules essentielles à la vie terrestre. Si la vie est apparue sur Terre en l’espace de 100 millions d’années, 1000 ans seraient peut être suffisant sur Titan, à partir du moment ou un impact météoritique formerait de grands lacs d’eau mêlés de glace.

On peut aussi imaginer que la chimie du carbone peut émerger sans eau. Celle-ci peut-être remplacée par le méthane ou l'ammoniac, l'azote remplaçant l'oxygène. Dans ce cas, les macromolécules pourraient se déshydrater en libérant de l'ammoniac plutôt que de l'eau. Seules les liaisons amines des acides aminés seraient plus aléatoires. De ces associations "pseudo-peptidiques" pourraient surgir des protéines, des pseudos ADN et ARN qui pourraient se développer dans le méthane ou l'ammoniac.

Titan serait ainsi le berceau d'une autre forme de vie, plus instable certainement, mais tout aussi envisageable. Si de telles créatures existaient, elles s’écriraient non pas “J’ai soif, de l’eau”, mais “de l’ammoniac, de l’ammoniac” !

Illustration de la descente de la sonde Cassini-Huygens sur la surface de Titan constituée de matière hydrocarbonée. Les nuages sont constitués de matière organique dont une forte proportion de méthane. Documents ESA.

L'atmosphère de Titan est un laboratoire exceptionnel pour les biochimistes qui se sont empressés d'y envoyer la sonde Cassini-Huygens qui atteignit Saturne en 2004. La sonde Huygens fut larguée à 1000 km d'altitude au-dessus de Titan début 2005 et récoltera des données physiques et biochimiques durant les 2h30 heures que durera la descente dans l'atmosphère. Nous reviendrons en détails sur cette mission exceptionnelle, où pour la première fois nous avons découvert le visage de la chimie prébiotique extraterrestre. Toutefois, à l’heure actuelle, il est encore trop tôt pour conclure qu’il existe une chimie prébiotique active sur Titan.

Europe, Encélade et Triton

Le satellite Europe de Jupiter est un lieu propice au développement possible d'une forme élémentaire de vie. Europe est la seule lune du système solaire disposant d’une atmosphère extrêmement tenue d’oxygène moléculaire mais elle n'est pas d'origine organique. Néanmoins sa surface présente une certaine activité avec des traces sombres remontant de l'intérieur, elle subit visiblement une fonte partielle suite à l'effet de marées et semble cacher des étendues liquides sous sa surface glacée. Des plumes de vapeur d'eau s'élevant jusqu'à 160 km d'altitude ont également été détectées près du pôle Sud. C'est un lieu propice au développement d'une chimie organique extraterrestre. On y reviendra dans l'article intitulé "Vivre dans la glace".

Bien que plus beaucoup plus éloigné de la Terre, le satellite Encélade de Saturne est tout aussi intéressant. Observé en contre-jour en 2005 par la sonde Cassini, d'immenses plumes ou geysers sont apparus au-dessus des régions fracturées du pôle Sud, projetant des gaz jusqu'à 505 km d'altitude qui retombent lentement sous forme de paillettes sur le sol glacé ! Cette vapeur est portée à une température de 0°C soit 200° plus chaude que la surface de cette lune !

Plus étonnant, ces jets de vapeur contiennent de l'eau, des poussières mais également du méthane, de l'acétylène (C2H2), du gaz carbonique et de l'azote; bref les éléments indispensables à la formation des acides aminés et donc à l'origine de toute forme de vie. Les chercheurs ont également détecté dans ces plumes d'eau glacée de l'ammoniac et de l'argon ainsi que d'autres molécules riches en carbone contenant entre 50 et plus de 200 atomes, c'est-dire dix fois plus lourdes que le méthane (cf. W.S.Lewis et al., 2009 et SwRI, 2018). Dans ces conditions, on peut tout espérer, même trouver de la vie avec un peu de chance sur Encélade !

La fine atmosphère, les surfaces, les crevasses ou les régions plus profondes d'Europe, d'Encélade et de Triton pourraient contenir des composés hydrocarbonés. Quant à y découvrir des formes de vie élémentaires, seule une mission in situ, notamment dans les éventuels lacs souterrains et les crevasses d'Europe, les geysers d'Encélade et les zones abritées du rayonnement UV de Triton permettrait de confirmer leur éventuelle existence. Documents NASA/Photojournal et Cassini Imaging Team.

Enfin, Triton, le plus gros satellite de Neptune fut visité par Voyager 2 en 1989. Bien que sa surface soit solide et gelée, une activité volcanique intense perdure sur ce satellite isolé à plus de 4 milliards de kilomètres du Soleil. Sa surface est composée d'azote et de méthane gelés, entourée d'une atmosphère ténue jusqu'à 50 km d'altitude.

Sa surface subit des variations saisonnières de quelques dizaines de degrés tandis que les saisons durent 41 ans. Dans les conditions d'une chimie organique, toute molécule qui traverse la brume de méthane frappe la surface et entraîne sa transformation en polymères hydrocarbonés. Périodiquement ces composants organiques sont recouverts de glaces amenés par les éruptions volcaniques. Mais le froid extrême (inférieur à -165°C) empêche a priori l'évolution de la vie.

Des lunes géologiquement mortes ?

Les missions spatiales Galileo vers Jupiter et Cassini vers Saturne nous ont apporté des preuves que certaines lunes des planètes géantes cachent des océans globaux réchauffés par l’attraction de la planète géante autour de laquelle ils gravitent. Plus près de nous, dans les abysses des océans terrestres, des explorateurs ont découvert des communautés d'organismes y compris une macrofaune vivant dans l’obscurité autour des évents volcaniques situés sur les dorsales océaniques. En combinant les deux milieux où règnent des conditions extrêmes, les exobiologistes les plus optimistes imaginent déjà les fonds marins des autres lunes du système solaire regorgeant de microbes voire d'organismes plus évolués. Mais cette hypothèse est-elle réellement plausible ? Peut-on essayer de la valider du moins théoriquement à défaut de pouvoir explorer ces mondes in situ ?

Au cours de la conférence d'automne (Fall Meeting) tenue par l'AGU en 2018 à Washington, le planétologue Paul Byrne de l'Université d'État de Caroline du Nord a répondu à cette question : "Nous nous demandions à quoi ressemblerait ces mondes extraterrestres, non seulement sur le plan biologique mais aussi sur le plan géologique, si nous étions dans un sous-marin et survolions le fond marin des lunes océaniques de Jupiter et de Saturne."

Pour chacun des lunes Europe et Ganymède de Jupiter ainsi qu'Encélade et Titan de Saturne, l’équipe a calculé la pression exercée sur la roche au fond des océans, c'est-à-dire en tenant compte de la pression exercée par la glace et par l'épaisseur de liquide sur le soubassement rocheux. Bien que beaucoup de questions restent sans réponse, il s'avère que les calculs de la résistance de la roche - les mêmes que ceux effectués sur Terre pour les opérations minières - sont assez réalistes.

Les geysers glacés d'Encélade photographiés par Cassini le 20 novembre 2009 à ~17000 km de distance. Ces jets s'élèvent jusqu'à plus de 500 km d'altitude. Document NASA/JPL-Caltech traité par Jason Major.

Pour réaliser leur étude, les chercheurs ont supposé que la couche de roche est solide et froide et repose sur une couche plus chaude et pâteuse qui ne peut pas être facturée. Byrne prend une analogie : pensez à une barre de Mars à l'interface où le chocolat touche le caramel. Cette profondeur correspond à l'épaisseur de la couche fragile et rigide. Plus cette couche est épaisse, plus il est difficile de casser la barre chocolatée.

Ensuite, l'équipe ajouta d'autres valeurs, telles que la gravité du corps à une profondeur définie et le poids de l'eau et de la glace au sommet de la surface rocheuse de la lune. Même lorsqu'ils manquaient de données et incluaient une plage de valeurs plausibles, les calculs finaux se situaient toujours dans la même plage pour chaque lune. Ces résultats suggèrent que la roche est si résistance qu'il n'existe aucune force connue sur ces lunes suffisamment puissante pour la fissurer. C'est la conséquence du poids que l'eau et la glace exercent sur la roche. Selon Byrne, même si la gravité est assez faible, il y a beaucoup d'eau au-dessus du soubassement rocheux et cela suffit à empêcher l'apparition de failles ou de fractures.

Chaque lune étudiée par les chercheurs montra une résistance différente de la roche mais dans tous les cas, les résultats sont similaires et confirment que ces lunes ne sont pas particulièrement prometteuses sur le plan géologique ou biologique. Selon Byrne, "pour Europe, il paraît vraiment difficile de fracturer la roche, et quand on regarde Titan et Ganymède, les chiffres confirment que rien ne peut se produire dans ces mondes." Les valeurs de résistance de la roche d'Encélade ne sont pas aussi sombres car cette lune est beaucoup plus petite que les trois autres, ce qui réduit le poids de l'eau et de la glace sur sa surface rocheuse. La surface d'Encélade est également différente des autres lunes car son noyau rocheux est plus poreux. Si ces pores s'alignaient, ils pourraient permettre à l'eau de percoler profondément dans la lune. Selon Byrne, "c'est dans les limites de la vraisemblance qu’Encélade soit réellement humide et détrempée de part en part." Autrement, c'est peu probable. Mais contrairement aux autres lunes, les astronomes ont des preuves suggérant que la roche et l'eau interagissent sur Encélade à travers des geysers d'eau salée contenant des composés organiques qui percent la croûte glacée et sont propulsés dans l'espace. C'est l'une des rares lunes favorable à une exobiologie.

Si les fonds marins de toutes ces lunes sont trop durs pour être fracturés, il est difficile d’imaginer qu’il pourrait se passer quelque chose sur ces mondes. Sur Terre, deux principaux facteurs influent sur le fond marin : le lessivage des continents et les résidus des créatures marines mortes. Or vraisemblablement aucun de ces phénomènes n'existe sur ces lunes. Les missions spatiales vers les lunes de Jupiter et de Saturne n'ont pas révélé de cicatrices laissées par des impacts qui seraient suffisamment importants pour avoir une incidence récente sur le fond marin. Selon les calculs, la roche est trop dure pour permettre à ces lunes de se contracter ou de former des chaînes volcaniques ou des zones de fractures (rift) comme sur Mercure. Cela signifie qu'une exploration sous-marine de ces lunes ne révélera probablement rien et sera terriblement ennuyeuse. Selon Byrne, "en gros, cela revient à dresser la liste des choses à ne pas faire." En résumé, ces lunes ressemblent à une boule de billard avec une surface rocheuse étrangement lisse.

Ceci dit Byrne souligne que ces résultats ne sont pas définitifs. Les chercheurs confirment qu'ils seront certainement critiqués et qu'il faudra probablement des décennies avant que les scientifiques puissent rassembler les données dont ils pourraient avoir besoin pour vraiment tester leur hypothèse - ce qui nécessiterait des sismomètres sur ces fonds marins extraterrestres. Rappelons qu'on commence juste à installer de tels sismomètres sur autre planète grâce au lander InSight qui s'est posé sur Mars fin 2018.

Mais Byrne reste philosophe et estime qu'il est possible qu'il se soit trompé et que finalement nous trouvions "des choses intéressantes sur ces mondes car ils sont froids et il y a peut-être de la vie là-bas. Mais si nous avons raison, cela signifie que nous devons reconsidérer ces mondes en tant que destinations habitables ou pour explorer les conditions d''habitabilité." Un jour, nous saurons si nous devons oublier ces mondes ou continuer de rêver à leur colonisation.

Prochain chapitre

Les comètes, boules de "CHON" sales

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[9] D.Muhleman et al., Science, 248, 1990, p975.

[10] S.Dermott et C.Sagan, Nature, 374, 1995, p238.

[11] W.Reid Thompson, G.McDonald et C.Sagan, Icarus, 112, 1994, p376.


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