Plu­ton ex­plo­rée aus­si en ver­sion nu­mé­rique Tan­guy Ber­trand et Fran­çois For­get

Nos ré­centes si­mu­la­tions nu­mé­riques de Plu­ton ont per­mis d’ex­pli­quer dif­fé­rents phé­no­mènes ob­ser­vés par la sonde New Ho­ri­zons en 2015 : la pré­sence de la ca­lotte de glace d’azote dans le bas­sin le plus pro­fond de l’ex-neu­vième pla­nète, celle des gla­ciers

La Recherche - - CONTENTS - Tan­guy Ber­trand et Fran­çois For­get, la­bo­ra­toire de mé­téo­ro­lo­gie dy­na­mique, à Pa­ris

De­puis sa dé­cou­verte en 1930, Plu­ton n’a réa­li­sé qu’un tiers de sa ré­vo­lu­tion au­tour du So­leil. La pla­nète naine est tel­le­ment éloi­gnée de la Terre (sa po­si­tion va­rie entre 30 et 50 fois la dis­tance Terre-So­leil) que même les té­les­copes les plus puis­sants n’en per­çoivent qu’un disque flou. Pen­dant quatre-vingt-cinq ans, les as­tro­nomes ont, mal­gré tout, ac­cu­mu­lé les ob­ser­va­tions pour ten­ter de dres­ser un por­trait de ce monde mys­té­rieux. À par­tir des an­nées 1980, à l’aide de spec­tro­mètres ca­pables d’ana­ly­ser la lu­mière ré­flé­chie par Plu­ton, ils ont mis en évi­dence la pré­sence de grandes quan­ti­tés d’azote (N ),

2 de mé­thane (CH ) et d’un peu

4 de mo­noxyde de car­bone (CO), conden­sés à la sur­face sous forme de glace. Aux tem­pé­ra­tures es­ti­mées sur Plu­ton (en­vi­ron -235 °C à la sur­face), ce­la si­gni­fie qu’une fine at­mo­sphère es­sen­tiel­le­ment com­po­sée d’azote doit co­exis­ter avec, d’une part, des dé­pôts de glace en sur­face et, d’autre part, du mé­thane et du mo­noxyde de car­bone en phase ga­zeuse. Cette at­mo­sphère est dé­tec­table lorsque Plu­ton passe de­vant une étoile. Il est alors pos­sible d’en es­ti­mer la den­si­té. Mys­té­rieuse- ment, entre 1988 et 2010, la pres­sion at­mo­sphé­rique semble avoir triplé. Dès lors, les spé­cu­la­tions vont bon train sur ce que l’on pour­rait y trou­ver. Tout change le 14 juillet 2015 lorsque, après presque dix ans de voyage, la sonde New Ho­ri­zons de la Na­sa sur­vole à moins de 12 500 km la pla­nète naine. Sur­prise ! Grâce à ses ca­mé­ras et ses spec­tro­mètres, la sonde ré­vèle un monde ma­gni­fique aux pay­sages va­riés, in­édit dans le Sys­tème so­laire et dé­bor­dant

Pen­dant quatre-vingt-cinq ans, Plu­ton est res­tée très mys­té­rieuse. Son ex­plo­ra­tion en 2015, par la sonde New Ho­ri­zons, a ré­vé­lé un monde com­plexe, in­édit dans le Sys­tème so­laire et dé­bor­dant d’ac­ti­vi­té. Des si­mu­la­tions nu­mé­riques per­mettent main­te­nant de com­prendre les pro­ces­sus qui l’ont fa­çon­née.

d’ac­ti­vi­té. La croûte de Plu­ton, com­po­sée de glace d’eau très froide, est dure comme de la roche et forme des mon­tagnes es­car­pées de plu­sieurs mil­liers de mètres de hau­teur qui contrastent avec de pro­fondes val­lées. Sur ce socle re­posent comme pré­vu des mé­langes de glaces d’azote, de mé­thane et de mo­noxyde de car­bone (Fig. 1), mais les quan­ti­tés pré­sentes sont sur­pre­nantes. D’im­menses éten­dues de givre et de spec­ta­cu­laires gla­ciers té­moignent de la com­plexi­té et de la di­ver­si­té géo­lo­gique de Plu­ton. Ain­si, on ne peut ra­ter la co­los­sale struc­ture brillante en forme de coeur bap­ti­sée Tom­baugh Re­gio. Le lobe gauche du coeur cor­res­pond à une ca­lotte gla­ciaire d’azote mas­sive, avec un peu de mé­thane et de mo­noxyde de car­bone, large comme la France et sans doute épaisse de plu­sieurs ki­lo­mètres. Son centre est brillant et lisse, dé­nué de cra­tères d’im­pact, ce qui est signe d’une ac­ti­vi­té géo­lo­gique ré­cente (moins de 10 mil­lions d’an­nées). À l’in­verse, les ter­rains équa­to­riaux sont plus sombres et for­te­ment cra­té­ri­sés, donc plus âgés géo­lo­gi­que­ment. Cette ca­lotte gla­ciaire ne s’est pas consti­tuée aux pôles et en al­ti­tude comme c’est le cas sur Terre. Au contraire, elle est pré­sente à l’équa­teur, au fond d’un vaste bas­sin to­po­gra­phique ap­pe­lé Sput­nik Pla­ni­tia. Tout au­tour du bas­sin, l’ac­ti­vi­té gla­ciaire semble avoir éro­dé et sculp­té les mon­tagnes. New Ho­ri­zons détecte éga­le­ment de la glace de mé­thane presque par­tout dans l’hé­mi­sphère nord (plon­gé dans une longue nuit po­laire, l’hé­mi­sphère sud n’est pas ob­ser­vable), et cette glace semble exis­ter sous dif­fé­rentes tex­tures. Au pôle nord, elle est très pure et très brillante, et se dif­fé­ren­cie ain­si de celle si­tuée aux moyennes la­ti­tudes, de cou­leur jau­nâtre. À l’équa­teur, à l’est de Tom­baugh Re­gio, elle forme des gla­ciers plus sombres res­sem­blant à des dunes ter­restres, aux crêtes tran­chantes. L’at­mo­sphère de Plu­ton sur­prend éga­le­ment. La sonde me­sure une pres­sion en sur­face d’en­vi­ron 1 pas­cal (1/100 000e de l’at­mo­sphère ter­restre), ain­si que la tem­pé­ra­ture de l’at­mo­sphère, à la fois dans le bas­sin Sput­nik Pla­ni­tia au sud du gla­cier d’azote et à l’ex­té­rieur du bas­sin aux moyennes la­ti­tudes nord. Étran­ge­ment, les tem­pé­ra­tures ob­te­nues dif­fèrent. En­fin, en ob­ser­vant Plu­ton à contre-jour, la sonde ré­vèle aus­si la pré­sence d’une somp­tueuse brume or­ga­nique bleu­tée struc­tu­rée en une mul­ti­tude de couches fines ! Tous ces phé­no­mènes ob­ser­vés sur Plu­ton sont au­tant d’énigmes à ré­soudre : com­ment s’est for­mée la ca­lotte gla­ciaire d’azote dans Sput­nik Pla­ni­tia ? Com­ment se sont consti­tués les gla­ciers de mé­thane à l’équa­teur ? Pour­quoi la pres­sion a aug­men­té au cours des der­nières dé­cen­nies ? Com­ment ex­pli­quer la cou­leur des brumes dans l’at­mo­sphère ? De­puis plu­sieurs an­nées, notre équipe du la­bo­ra­toire de mé­téo­ro­lo­gie dy­na­mique s’est spé­cia­li­sée dans la mo­dé­li­sa­tion sur or­di­na­teur des en­vi­ron­ne­ments pla­né­taires, en s’ap­puyant uni­que­ment sur des prin­cipes phy­siques uni­ver­sels. Nous dé­ve­lop­pons no­tam­ment des mo­dèles de cli­mats glo­baux ( Glo­bal Cli­mate Mo­dels, ou GCM) qui per­mettent de si­mu­ler

(*) L’équi­libre

so­lide-gaz est un état où un so­lide et sa va­peur sont en équi­libre ther­mo­dy­na­mique : il y a au­tant de su­bli­ma­tion du so­lide que de so­li­di­fi­ca­tion du gaz. l’at­mo­sphère. Dans un qua­drillage tri­di­men­sion­nel, chaque maille contient une va­leur unique de tem­pé­ra­ture, de vi­tesse du vent et de com­po­si­tion at­mo­sphé­rique, qui évo­lue au cours du temps se­lon les équa­tions de la dy­na­mique des fluides et des dif­fé­rents mé­ca­nismes qui contrôlent les échanges ther­miques lo­ca­le­ment. Ces si­mu­la­tions nu­mé­riques ont per­mis de mieux com­prendre le cli­mat de la Terre, de Mars, Vé­nus, Ti­tan, des pla­nètes géantes et même des exo­pla­nètes. Pour­quoi ne pas l’adap­ter à Plu­ton pour en ex­pli­quer cer­tains phé­no­mènes ? Brique par brique, nous avons ain­si construit le mo­dèle nu­mé­rique de Plu­ton en re­pré­sen­tant nu­mé­ri­que­ment une sphère de 2 380 ki­lo­mètres de dia­mètre, or­bi­tant au­tour du So­leil. Puis nous avons résolu en chaque point les équa­tions dé­cri­vant les pro­ces­sus phy­si­co-chi­miques. Un des pre­miers dé­fis ren­con­trés par les mo­dé­li­sa­teurs de cli­mat est de pou­voir faire « tour­ner » les si­mu­la­tions as­sez long­temps pour ar­ri­ver à un état d’équi­libre, un mo­ment où la ré­par­ti­tion des glaces et des élé­ments vo­la­tils, ain­si que les tem­pé­ra­tures de sous-sur­face, de sur­face et de l’at­mo­sphère, ne dé­pendent plus de l’état ini­tial ar­bi­trai­re­ment choi­si. Hélas, parce qu’elle est très éloi­gnée du So­leil, Plu­ton est ré­gie par un cycle sai­son­nier bien plus long que la Terre. Sur­tout, elle re­çoit très peu d’éner­gie, et donc tous les pro­ces­sus chi­miques et ther­mo­dy­na­miques à sa sur­face sont très lents. Par consé­quent, il faut si­mu­ler de nom­breuses an­nées plu­to­niennes (l’équi­valent de quelques mil­liers d’an­nées ter­restres) pour ne plus être sen­sible à l’état ini­tial. Sur nos or­di­na­teurs, ce­la né­ces­site des mois de cal­culs avec le mo­dèle clas­sique !

Tous les phé­no­mènes ob­ser­vés sur Plu­ton sont au­tant d’énigmes à ré­soudre

UNE SU­BLIME BRUME BLEU­TÉE

ap­pa­raît sur cette pho­to prise à contre-jour. Elle ré­sul­te­rait de l’ef­fet de la lu­mière du So­leil sur les mo­lé­cules d’azote et de mé­thane de l’at­mo­sphère de Plu­ton.

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