Que d'eau, que d'eau...!

Photo : Comet C 2001 Q4 Neat - CC by-sa Michael Karrer

Il y a près de 4,6 milliards d'années, aux premiers temps de la formation de notre système solaire, tous ses constituants, Soleil, planètes, satellites, astéroïdes, comètes, devaient contenir de l'eau. L'intense bombardement des planètes par les comètes les a, par la suite, considérablement enrichies en eau. Depuis, chaque planète a eu sa propre évolution et, en matière d'eau, chacune représente une situation unique.

 L'avènement de l'ère spatiale, avec l'utilisation d'instruments de plus en plus performants embarqués à bord de satellites, loin des perturbations liées à l'atmosphère terrestre, nous permet maintenant de détecter l'eau jusqu'au fin fond de l'univers et d'étudier son abondance, sa forme (liquide, glace ou vapeur) et sa composition dans les différents corps du système solaire, planètes, astéroïdes et comètes.

Insolite : de l'eau sur le Soleil ?

Ce qui peut paraître très étonnant c'est la présence d'eau sur le Soleil eu égard aux températures très élevées (plus de 5000 °C) qui règnent à sa surface et qui provoquent la dissociation immédiate des molécules. En fait dans les taches solaires où la température est plus faible, les méthodes spectroscopiques permettent de déceler la présence de molécules d'eau et ce malgré leur très brève durée de vie.

Crédit image soleil et ses taches : NASA/GFSC

Mercure, brûlée par le soleil, et pourtant...

La planète Mercure, située seulement à 58 millions de kilomètres du Soleil, peut voir sa température grimper jusqu'à 400°C le jour. Cependant, vu la très faible inclinaison de son axe de rotation sur le plan de son orbite, il était possible que la température puisse être suffisamment basse pour que de la glace d'eau soit présente au niveau des régions polaires, au fond de certains cratères à l'abri du rayonnement solaire. Des mesures de réflectivité radar (on envoie des impulsions très puissantes et on analyse les ondes en retour) effectuées par le grand radiotélescope d'Arecibo à Porto Rico en 1992 avaient renforcé cette hypothèse. La sonde Messenger, en orbite autour de la planète depuis 2011, vient de confirmer la présence d'eau, grâce à son spectromètre à neutrons qui permet de détecter l'hydrogène de l'eau.

Photo : Dépôts de glace (en jaune) au fond de cratères -à l'abris du rayonnement solaire - près du pôle Nord de la planète Mercure. crédit image : NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washingto.

Autre fournaise : Vénus notre soeur

Orbitant entre Mercure et notre Terre, Vénus est un peu notre sœur jumelle du moins par ses dimensions. Par contre c'est une fournaise : la température à sa surface est en moyenne de 460 °C. Cette chaleur insoutenable est due à une atmosphère extrêmement dense, composée en majeure partie de gaz carbonique responsable d'un effet de serre maximum. Les scientifiques pensent que l'eau initialement présente dans l'atmosphère a été dissociée par le rayonnement ultraviolet en provenance du Soleil et que l'oxygène ainsi libéré a été « utilisé » entièrement pour oxyder la surface de cette planète, sa lithosphère. L'eau ne reste plus qu'en très petite quantité dans l'atmosphère sous forme gazeuse.

Photo Vénus, crédit Nasa/NSSDC

Curiosity sur Mars : un robot chasseur d'eau !

Depuis 1964, plusieurs engins spatiaux ont été envoyés pour étudier Mars. Ils nous ont appris que ses calottes polaires sont formées de glace d'eau et que de l'eau à l'état liquide était présente à sa surface il y a environ 4 milliards d'années. La nouvelle mission Mars Science Laboratory (MSL) dont le véhicule motorisé, le fameux rover Curiosity, a atterri il y a tout juste 6 mois, a pour but d'étudier l'habitabilité passée de la planète. Actuellement, il parcourt, dans le cratère Gale, une zone faite de sédiments traversés par des veines claires épaisses de quelques millimètres. Un de ses 10 instruments, ChemCam, focalise un laser sur la roche ce qui la volatilise et permet d'analyser sa composition chimique. En parallèle, une caméra prend une image pour déterminer le point d'impact du laser. Les spectres de ces filons, récemment obtenus par ChemCam, révèlent une composition de sulfates de calcium ou gypse. Or sur Terre, la présence de veines de gypse témoigne de la circulation de fluides. La découverte de ChemCam serait ainsi la première preuve minéralogique de l'existence passée d'eau sur ce site. Le forage a effectivement commencé et les résultats des toutes dernières analyses (12 mars  2013) des prélèvements effectués par la foreuse du Curiosity révèlent la présence de soufre, azote, hydrogène, oxygène, phosphore et carbone,  tous des éléments indispensables à la vie. Ces données confirment ainsi l' hypothèse émise pour la première fois en 2008 qu'un certain nombre de conditions nécessaires à l'apparition de la vie ont été réunies sur Mars, il y a probablement 3 milliards d'années. Le suspens demeure et la suite de la mission du rover martien, après dépannage de son système informatique, est attendue avec impatience par les scientifiques et les passionnés de la planète rouge.
 

légende : Ces images montrent la similitude de veines riches en sulfate de calcium sur Mars et sur Terre. Crédit image: NASA / JPL-Caltech / LANL / CNES / PARI / LPGNantes / CNRS / LGLyon / Planet-Terre/ IAS
 

La Terre : la planète bleue

L'eau est indispensable à l'apparition et au maintien de la vie sur Terre. Près de 70% de la surface de la terre est recouverte d'eau. Mais en masse, 99% de notre Terre est sèche…Et l'eau douce de surface, directement exploitable par l'Homme, représente une infime quantité de l'eau totale, comme l'illustre cette image sur laquelle la plus grosse des gouttes bleues représente toute l'eau de la Terre, gelée ou liquide, douce ou salée, la goutte moyenne, toute l'eau douce liquide, et la minuscule, l'eau douce des lacs et des rivières.

Cela fait très peu par rapport à notre consommation frénétique…mais peut-être n'avons-nous pas encore recensé toutes nos richesses en eau potable ? C'est ce que laisse supposer la découverte, au nord de la Namibie, d'une couche de roches peu profondes, saturées d'eau, constituant un réservoir d'au minimum 5 milliards de m³ d'eau douce de très bonne qualité et facilement accessible.

Légende : représentation de l'eau sur Terre. Crédit : Howard Perlman, USGS ; illustration du globe Jack Cook, Woods Hole Oceanographic Institution (©) ; Adam Nieman.

Et sur la Lune ?

La question de l'eau se pose bien évidemment aussi pour notre satellite la Lune… La présence d'eau a été attestée par différentes sondes ou instruments et celle-ci a même été trouvée dans des roches lunaires rapportées il y a 40 ans par les missions Apollo. Cependant l'eau n'est sans doute présente qu'en faible quantité à cause des températures (supérieures à 100°C au soleil) et de l'absence d'atmosphère. Comme sur Mercure, de l'eau pourrait ainsi rester tapie sous forme de glace au fond de certains cratères à l'abri du soleil. L'origine de cette eau reste controversée : eau déjà présente à la formation de la Lune ? Eau apportée par le bombardement cométaire ? On évoque même maintenant le rôle du vent solaire, formé de protons c'est-à-dire de noyaux d'atomes d'hydrogène, qui arrivant jusqu'à la surface à cause de l'absence d'atmosphère, se combineraient avec de l'oxygène présent dans les roches pour donner de l'eau.

Photo : roche lunaire - mission Apollo 15 - crédit : NASA

Des milliers d'astéroïdes

Photo astéroïde EROS, crédit : NASA/JHUAPL

Entre Mars et Jupiter orbitent des dizaines de milliers (sans doute des millions…) de corps dont les tailles vont de celle d'un grain de poussière à quelques centaines de kilomètres. Le plus gros, Cérès, a un diamètre de 950 kilomètres. Tous ces corps constituent ce que l'on appelle la ceinture d'astéroïdes, restes des blocs de la nébuleuse primitive qui ne se sont pas soudés (accrétion) pour former une planète. Récemment, en 2009, un télescope infrarouge de la NASA a détecté la présence de glace d'eau sur l'un des gros astéroïdes – près de 200 kilomètres de diamètre- appelé Thémis 24. L'eau existe vraisemblablement sur beaucoup d'autres astéroïdes et pourrait, tout comme la Lune, avoir pour origine les protons du vent solaire qui se combinent avec l'oxygène des roches de surface.

Jupiter et les lunes de Monsieur Galilée

Jupiter, la plus grosse des planètes avec environ 1320 fois le volume de la Terre, a une atmosphère composée essentiellement d'hydrogène et d'hélium. L'eau est sans doute présente en petite quantité dans les couches profondes de celle-ci (environ 0,1%) avec de nombreux autres composés eux aussi en faible proportion, tels que le méthane, le sulfure d'hydrogène, l'ammoniac, etc…

Jupiter possède quatre gros satellites (Io, Europe, Ganymède, Callisto) découverts au début du XVII^éme siècle par Galilée, d'où leurs noms de satellites galiléens. Europe est fortement soupçonné d'abriter un océan liquide d'environ 90 km de profondeur sous sa surface de glace.

Sa surface lisse avec un important pouvoir réfléchissant (albédo) rappelle beaucoup les banquises de notre planète. L'énergie nécessaire à l'entretien d'un océan liquide, en dépit d'une température très basse (-150°C), proviendrait des gigantesques forces de marée provoquées par l'énorme Jupiter…

L'étonnant cas d'Encelade qui "arrose" sa planète

Il y a déjà un certain nombre d'années, précisément en 1997, de la vapeur d'eau avait été détectée dans la haute atmosphère de Saturne, la belle planète aux célèbres anneaux…

Montage de vues prises par la sonde Voyager1 en 1980 montrant Saturne et ses principaux satellites. crédit : Nasa.

Cependant l'origine de cette eau restait mystérieuse et ce n'est que tout récemment que le voile a été levé. Parmi les nombreux satellites de cette planète - une soixantaine, la plupart très petits – l'un d'entre eux, Encelade, relativement gros avec un diamètre de 500 kilomètres, joue le rôle d'arroseur pour Saturne… ! La surprise a été de découvrir, en effet, que cette « lune » possède un océan souterrain dont l'eau est expulsée dans l'espace à raison de 250 kilogrammes par seconde (cryovolcanisme), formant un gigantesque panache en forme d'anneau dont une fraction se retrouve captée par la grosse planète.

Vue d'artiste du ciel nocturne d'Encelade. Crédit NASA.

Les géantes glacées

 Bien que composée principalement d'hélium et d'hydrogène, comme Jupiter et Saturne, l'atmosphère d'Uranus et de Neptune en diffère sensiblement par une plus grande proportion de gaz volatils que sont l'ammoniac, l'eau et le méthane. En surface se trouverait un océan de ces mêmes composés, sans transition bien nette avec l'atmosphère. Pour cette raison, Uranus et Neptune se distinguent de Jupiter et Saturne et sont souvent appelées géantes glacées.
 

Des voyageuses lointaines et solitaires

Les comètes, puisqu'il s'agit d'elles, sont des petits corps (dimensions de l'ordre de quelques kilomètres) circulant dans le système solaire sur des orbites en général très elliptiques. Elles sont composées essentiellement de poussières et d'eau – on parle quelquefois de boules de neige sale – et donnent souvent lieu à de spectaculaires panaches de gaz ionisés lumineux – la queue de la comète – lorsqu'elles s'approchent du soleil. Certaines comètes sont périodiques avec des périodes plus ou moins longues, d'autres semblent n'apparaître qu'une fois, tout au moins à l'échelle de la mémoire humaine…Nous savons maintenant qu'elles proviennent des confins du système solaire et ont sans doute été formées du temps de la nébuleuse primitive.

 Dans un passé où les comètes étaient des objets mystérieux, elles ont souvent frappé l'imagination car considérées comme annonciatrices de malheurs ou de catastrophes.

Peu de temps après la formation des planètes et de leurs satellites (quelques millions d'années quand même…), les comètes ont bombardé ces corps nouvellement formés, leur apportant ainsi une partie de l'eau qu'ils contiennent. C'est du moins, le cas de la Terre comme l'ont montré très récemment les scientifiques en mesurant différentes formes d'eau (comme l'eau deutérée).

La sonde Rosetta lancée en 2004 doit se placer en orbite autour de la comète Tchourioumov-Guerassimenko en 2014 pour effectuer de nombreuses mesures et observations. Elle doit même larguer un petit atterisseur d'une centaine de kilogrammes destiné à analyser la composition de la surface de la comète.

Photo Rosetta, crédit NASA

De l'eau dans les exoplanètes ?

Le télescope Kepler de la NASA traque les exoplanètes, c'est à dire les planètes d'autres soleils que le nôtre, ailleurs dans la Voie Lactée qui contient à peu près 100 milliards d'étoiles. D'après les dernières analyses, la plupart des étoiles qui ressemblent à notre Soleil auraient une planète. Il y aurait donc potentiellement plusieurs dizaines de milliards de sœurs de la Terre ailleurs dans notre galaxie !
Parmi les dernières planètes découvertes, les experts de l'agence spatiale américaine (NASA) ont annoncé au début de l'année que 4 d'entre elles ont une taille et une distance à leur étoile qui rendent possible la présence d'eau liquide à leur surface. Ces résultats font dire à l'astrophysicien Steve Howell : on ne doit plus poser la question : « trouverons-nous une sœur jumelle à la Terre ? » mais « quand la trouverons-nous ? ». Détecter de l'eau sur de telles exoplanètes n'est pas encore techniquement à notre portée, mais les prouesses des astrophysiciens sont bien réelles !

 

En conclusion, l'eau est omniprésente dans notre système solaire, sous des formes diverses et en quantités très variables. Les nombreuses sondes spatiales envoyées lors des dernières décennies ont révélé l'extraordinaire diversité des planètes et satellites qui nous accompagnent dans notre course autour du Soleil. La mission Herschel traque l'eau et sa distribution dans l'Univers tout entier. C'est une des molécules les plus abondantes dans le milieu interstellaire et les régions de formation des étoiles. L'existence probable dans l'Univers de milliards de milliards de systèmes étoile-planètes plus ou moins semblables à notre système solaire ouvre de fantastiques perspectives quant à la présence de la vie « ailleurs »...

"les méthodes spectroscopiques" : Les méthodes de détection de l'eau sont essentiellement fondées sur la spectroscopie, c'est à dire sur l'observation de rayonnements électromagnétiques émis, réfléchis ou absorbés aux longueurs d'ondes caractéristiques de la molécule que l'on veut détecter. Suivant l'objectif de la mission spatiale, les spectromètres ou les radars embarqués à bord des satellites couvrent des longueurs d'onde différentes.  Par exemple, le télescope Herschel, utilisé pour détecter et étudier l'eau dans l'Univers, couvre le domaine de l'infrarouge et des ondes submillimétriques.

Echelle des longueurs d'onde () et des fréquences () des rayonnements électromagnétiques.
Noter le domaine très étroit de la lumière visible, entre 0,4 et 0,8 micromètres de longueur d'onde,
par rapport à l'ultraviolet (UV) et à l'infrarouge (IR). CC by-sa Benjamin Abel.

Article du 4 février 2013 rédigé par Dominique Morello (chercheuse CNRS, détachée au Muséum de Toulouse) et Jean-Pierre Ulmet (volontaire au Muséum de Toulouse).

Références d'articles disponibles à la médiathèque adultes Cartailhac et une sélection de liens
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Un évènement "L'eau dans le système solaire" a eu lieu au Muséum de Toulouse, le 3 février 2013. Lire le billet de blog imagé.