Les attentes concernant la géologie active sur Pluton étaient assez faibles avant l’arrivée de la sonde New Horizons. Mais les photos qui sont revenues de la planète naine ont révélé un monde de montagnes, de crêtes et… d’étranges choses grumeleuses qui n’ont pas d’analogue terrestre évident. L’une des curiosités les plus importantes était la plaine de Spoutnik Planitia, remplie de glace à l’azote divisée en formes polygonales séparées par des ravins de plusieurs dizaines de mètres de profondeur.
Les scientifiques ont rapidement trouvé une explication partielle à ces structures : la convection, où les différences de chaleur provoquent la formation de glaces d’azote plus profondes et plus chaudes à travers le matériau mou vers la surface. Le problème est que la planète n’a pas de sources évidentes de chaleur à l’intérieur. Maintenant, cependant, un groupe de chercheurs européens suggère que la convection pourrait être entraînée par le refroidissement de la surface, plutôt que par la chaleur de l’intérieur de la planète. Le secret est la sublimation des glaces d’azote directement en vapeurs.
Manque de chaleur
Il est difficile d’expliquer les formations sur de petits corps glacés comme Pluton, car les scientifiques s’attendent à ce qu’ils ne disposent pas des sources de chaleur qui entraînent la tectonique des plaques, comme celles de la Terre. Ces corps glacés sont suffisamment petits pour que toute chaleur générée par les collisions qui les ont construits, et la planète naine, se soit dissipée il y a longtemps. Et ils n’ont pas assez de matériaux métalliques pour que les radio-isotopes fournissent une génération continue de chaleur. Les quelques exceptions à cela, comme Europe et Encelade, sont chauffées par les interactions gravitationnelles avec les planètes géantes sur lesquelles elles orbitent, mais ce n’est pas non plus une option pour Pluton.
En tant que tel, il est difficile de trouver une grande source de chaleur qui serait encore présente des milliards d’années après la formation du système solaire. Et c’est un problème pour l’idée de convection. Ici sur Terre, la convection interne de la planète est entraînée par la chaleur s’échappant du noyau de la planète. Et cette convection entraîne à son tour l’activité volcanique à la surface. Sans ce genre de chaleur, il est difficile de voir comment la convection peut entraîner les caractéristiques que nous observons sur Pluton.
L’idée que l’équipe européenne avait était que ce n’est pas la chaleur absolue qui est nécessairement nécessaire pour entraîner la convection. C’est plutôt la différence de température qui compte (ainsi que la capacité du matériau impliqué à se déformer). Ainsi, un moyen de refroidir la surface pourrait être tout aussi efficace qu’un moyen de chauffer l’intérieur.
Et il y avait un candidat clair pour cela. Lorsqu’elle est réchauffée par le Soleil, une petite quantité de glace d’azote se vaporisera en un gaz dans un processus appelé sublimation. Et, dans le processus, les molécules d’azote qui s’échappent emportent avec elles une partie de la chaleur de la glace, fournissant une petite quantité de refroidissement. Ce n’est pas beaucoup sur une base par atome, mais Spoutnik Planitia est un vaste plan de glace, et il a eu des milliards d’années pour subir la sublimation.
De plus, les chercheurs avaient déjà expliqué d’autres caractéristiques de Pluton qui pourraient être produites par sublimation.
Un modèle sublime
De toute évidence, nous ne pouvons pas simplement nous rendre à Pluton pour déterminer si l’azote se sublime à la surface. Au lieu de cela, l’équipe de recherche a construit un modèle de convection et utilisé des valeurs physiquement plausibles pour les propriétés de la glace d’azote et la quantité d’énergie dont elle dispose. Dans d’autres cas, ils ont fait varier les paramètres sur une plage pour voir quelles valeurs pourraient entraîner un comportement différent.
Dans un premier test, ils ont exécuté leur modèle en utilisant la sublimation pour fournir une différence de chaleur à la glace et ont exécuté une deuxième version du modèle qui fournissait simplement un gradient de température à la glace. Dans ce dernier cas, des polygones se sont formés, mais ils semblaient différents de ce que nous voyons sur Pluton. Peut-être plus important encore, leurs points culminants étaient près des bords des polygones, plutôt qu’au centre. En revanche, lorsque la sublimation était utilisée, les choses ressemblaient beaucoup à Pluton.
En testant différents paramètres, l’équipe a pu déterminer que les matériaux à haute viscosité finissent par stagner lorsque peu de matériau frais remonte à la surface. Pour les viscosités trop faibles, le modèle a fini par ne pas former de zones présentant un contraste significatif entre elles, de sorte qu’aucune région limite n’est apparente.
Regarder les polygones se développer indique qu’ils émergent progressivement d’instabilités aléatoires dans la convection, puis se réorganisent progressivement en downwellings en forme de feuille qui forment les côtés des polygones. De même, les panaches à petite échelle se condensent progressivement en un seul grand upwelling qui forme la région centrale du panache.
Le degré auquel ce système peut fonctionner, cependant, dépend des détails de l’orbite de Pluton, des détails qui changent sur des périodes de millions d’années. Il est donc possible que les caractéristiques se soient formées et se soient décomposées plusieurs fois au cours de l’histoire de la planète naine.
La nature, 2021. DOI : 10.1038/s41586-021-04095-w (À propos des DOI).