Titan comme vous ne l'avez jamais vu

La surface de Titan vue par l'instrument Vims de Cassini. © Nasa/Caltech-JPL/Univ. of Arizona/LPG Nantes
C'est une carte exceptionnelle, un document inédit ! Une équipe du Laboratoire de planétologie et de géodynamique de Nantes vient de réaliser une animation qui synthétise 13 années d'observation de Titan par l'instrument Vims, embarqué par Cassini. En avant-première, décryptage.

Voilà des décennies que Titan fascine les astronomes. Une fois et demie plus grand que la Lune, doté comme la Terre d'une dense atmosphère d’azote, mais qui ne laisse rien voir de sa surface, le gros satellite de Saturne était une cible prioritaire de la mission Cassini. Entre 2004 et 2017, la sonde l’a survolé 127 fois, nous dévoilant chaque fois un peu plus ses secrets.

Constellé de lacs et de mers, traversé de chaînes de montagnes, de lits de rivière, ridé par d’immenses champs de dunes, doté d’une véritable météorologie, Titan s’est révélé être le monde le plus semblable à la Terre dans tout le Système solaire. Mais aussi le plus exotique. Avec ses -180°C en moyenne, le cycle du méthane y remplace le cycle de l'eau, et sa croûte est faite de glace plutôt que de roche.

Au Laboratoire de planétologie et de géodynamique de Nantes (LPG), Stéphane Le Mouélic et ses collègues étaient aux premières loges pour vivre cette aventure. Responsables des observations du spectromètre imageur Vims de Cassini (Visible and Infrared Mapping Spectrometer), on leur doit certaines des images les plus spectaculaires de Titan. Et désormais, son nouveau portrait.

La vidéo que nous diffusons ici en avant-première résume 13 années d'observation de la grosse lune de Saturne par Vims. Stéphane Le Mouélic la présentera le 12 décembre 2018 au colloque de l'American Geophysical Union, à Washington. Il a accepté de nous la commenter.

19 000 images en une seule

« Lorsque la mission Cassini-Huygens a été lancée en 1997, il n’était pas vraiment prévu d'utiliser Vims pour cartographier la surface de Titan. Compte tenu de son épaisse atmosphère et de sa brume d'hydrocarbures, nous misions tout sur les données radar, rappelle le chercheur. Vims était plutôt conçu pour l'étude des satellites de glace de Saturne. Mais dès les premiers survols, nous nous sommes rendu compte qu'il donnerait aussi des images intéressantes de Titan. Parmi les 352 longueurs d'onde d’observation de l'instrument, 7 “fenêtres infrarouges” donnaient accès au sol. Nous avons donc observé systématiquement Titan avec Vims et son capteur de 64x64 pixels de côté, accumulant en treize ans 19 000 images qu'il a fallu fusionner.

Rendre homogène ce jeu de données a été un cauchemar. Cassini n’était pas en orbite autour de Titan, mais de Saturne ! En conséquence de quoi, les conditions de prise de vue étaient très différentes d'un survol à un autre. Et puis il a fallu s'affranchir des effets de la diffusion et de l'absorption atmosphérique, qui dépendent de la longueur d'onde d'observation, de la météo sur Titan, de la position du Soleil... »

Le puzzle des images de Vims, ici à 2,03 µm de longueur d'onde. © Nasa/Caltech-JPL/Univ. of Arizona/CNRS/LPG Nantes

Une technique qui révèle l'invisible

« Cette vidéo ne montre pas Titan en vraies couleurs. D'une part parce qu'elle est fabriquée avec des données acquises dans le domaine infrarouge : nous avons utilisé les mesures de Vims à 1,08 µm, 1,27 µm, 1,59 µm, et 2,03 µm – des longueurs d’onde auxquelles l'atmosphère de Titan est partiellement transparente et qui permettent donc de voir le sol. Mais surtout parce que, contrairement à ce qui se fait habituellement, nous n'avons pas assigné une couleur à une longueur d'onde, mais au rapport entre deux longueurs d'onde. Cette technique est employée pour révéler la géologie d'un astre en s'affranchissant de certaines variations circonstancielles, par exemple les ombres. Elle donne des résultats spectaculaires pour la Lune. Pour Titan, nous avons attribué la couleur rouge au rapport d'intensité entre les bandes à 1,59 µm et 1,27 µm, le vert au rapport 2,03/1,27 et le bleu au rapport 1,27/1,08. »

À gauche : image de la Lune en trois couleurs correspondant à trois longueurs d'onde du domaine visible.
À droite : image de la Lune en trois couleurs correspondant à trois rapports d'intensité de trois longueurs d'onde du domaine visible.
© Nasa

Des dunes, des lits de rivières, et des mystères...

« On distingue immédiatement trois grandes unités géologiques : une large bande marron près de l'équateur, des régions qui apparaissent en bleu foncé, et de très vastes zones blanches. Les champs de dunes de Titan, qui sont bien visibles sur les données radar, correspondent systématiquement aux zones marron de cette carte. Donc même si Cassini n'a observé que les deux tiers de la surface avec son radar, on peut raisonnablement extrapoler en disant que toutes les zones marron que l’on voit ici sont des champs de dunes.

Les zones bleues sont des régions qui absorbent la lumière à 1,59 µm et 2,03 µm, mais pas à 1,27 µm. En laboratoire, ce comportement correspond à un enrichissement local en glace d'eau. Ces régions bleutées pourraient donc être des zones contenant plus de glace d'eau que les environs. Cela colle assez bien avec le fait que les réseaux de rivières asséchées sont de cette couleur : les rivières de méthane ont pu lessiver le sol à ces endroits et rendre apparent le substrat de glace d'eau. Mais cette interprétation n'est pas définitive ; nous avons eu beaucoup de discussions à ce propos au sein de l'équipe ! Roger Clark, du Planetary Science Institute de Tucson, a notamment montré que des molécules organiques peuvent avoir la même réponse spectrale, ce qui a rouvert le débat.

Les zones blanches, elles, représentent le constituant majeur de la surface de Titan (Vims n'étant sensible qu'aux premières dizaines de microns de profondeur). Hélas, nous n'avons pas assez d'informations pour déterminer ce dont il s'agit... »

Ces vues de Titan montrent sa diversité géologique. © Nasa/Caltech-JPL/Univ. of Arizona/LPG Nantes

Le cratère Sinlap

« Le premier zoom de la vidéo montre le cratère Sinlap, l'un des rares cratères d'impact sur Titan. C'est aussi sans doute l'un des plus jeunes. On pense qu'il a été formé par un bolide de 5 à 10 km de diamètre. Notre animation montre très clairement le cratère d'environ 80 km en bleu, avec un point blanc au centre qui pourrait être son pic central. Le cratère est entouré d'un anneau blanc, plus ou moins symétrique, lui-même cerné par une région bleue de forme parabolique. Notre hypothèse est que cette zone bleutée représente une fine couche de glace d'eau redéposée au sol à partir du panache de l'impact. Sa forme serait liée aux vents dominants dans ce secteur. Ce que l'orientation des dunes proches, vues par le radar, semble confirmer. »

Le cratère Sinlap vu par Vims. © Nasa/Caltech-JPL/Univ. of Arizona/CNRS/LPG Nantes

Hotei, Menrva, et le site d’atterrissage de Huygens

« Le deuxième zoom montre la région Hotei. Elle est très brillante au radar et, dans les données de Vims, elle ressemble beaucoup aux évaporites que l'on trouve sur le bord des lacs du pôle Nord de Titan. Il y a beaucoup de dépressions dans cette région. Nous pensons qu'il s'agit de lacs asséchés. »

« Le troisième zoom cible Menrva, la plus grande structure d'impact sur Titan. Mais c'est surtout le quatrième qui est intéressant : il montre le site où s’est posé le module européen Huygens en 2005. En regardant cette carte, on réalise combien nous avons été chanceux à l'époque. Huygens a atterri dans une zone d'une grande variété géologique, à la frontière de trois types de terrain. Pour la petite histoire, ce site qui nous intéressait tout particulièrement n'a pas été simple à imager avec Vims. Bien sûr, nous voulions obtenir l’image la plus nette possible. Mais Cassini survolait Titan très vite ! Pour atteindre la résolution record de 700 mètres par pixel, il fallait dépointer la sonde pendant son passage pour compenser son mouvement. C’est une manœuvre complexe ; nous l’avons effectuée seulement trois ou quatre fois avec Vims pendant toute la mission. »

Le site d'atterrissage vu par Vims (à gauche) et par le module Huygens.
© Nasa/Caltech-JPL/Univ. of Arizona/CNRS/LPG Nantes et ESA

Pour revivre les 127 survols en attendant un retour sur Titan

« Le but de cette carte est de fournir une vue synthétique de ce que Vims nous a appris en treize ans. Les grandes unités géologiques de Titan — par exemple, les champs de dunes de l'équateur — sautent aux yeux. Mais d'un point de vue prospectif, elle peut nous aider dans le choix du site d'atterrissage d'une future mission. Tout ce que nous avons appris sur Titan nous donne fortement envie d’y retourner, avec de nouveaux moyens d'investigation... Une mission est en projet : Dragonfly, une sorte de drone alimenté au plutonium qui pourrait se déplacer d'un point à un autre. Mais il faudra être patient : ce sera pour les années 2030 au mieux !

En attendant, sur le site vims.univ-nantes.fr, chacun peut maintenant accéder à la beauté des images infrarouges de Titan (et des autres satellites de glace) grâce au travail de Benoît Seignovert, qui a réalisé un travail exhaustif de mise en forme des données lors de son séjour postdoctoral à Nantes. Ce site utilise les outils de prévisualisation que nous avions mis en place pour l’analyse des données. »

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