La lune de Saturne, Encelade, est une coquille gelée enveloppant un océan global, et près de son pôle sud, des fractures dans la croûte projettent de la vapeur d'eau et des particules de glace dans l'espace comme un geyser qui n'a jamais reçu la note de service sur la plomberie intérieure. Ces particules offrent aux scientifiques un moyen d'étudier un océan extraterrestre sans forer à travers des kilomètres de glace, ce qui est pratique car personne ne possède de foreuse aussi longue.

Une équipe internationale comprenant des chercheurs de l'Institut des sciences de la Terre et de la Vie (ELSI) à l'Institut des sciences de Tokyo a maintenant étudié ce qui arrive à cette eau océanique lorsqu'elle voyage depuis les profondeurs et finit par devenir les minuscules grains de glace détectés dans l'espace.

Entre 2004 et 2017, l'analyseur de poussière cosmique à bord de la sonde Cassini de la NASA a mesuré la composition de particules de glace individuelles dans l'anneau E de Saturne, qui est continuellement alimenté par le matériel éruptif d'Encelade. Une équipe dirigée par le professeur Frank Postberg de l'Université libre de Berlin a examiné 961 spectres de masse de grains riches en sel connus sous le nom de particules de type 3. Si les grains étaient simplement de petits échantillons de la même eau océanique, les scientifiques pourraient s'attendre à ce qu'ils contiennent des mélanges de sels globalement similaires. Au lieu de cela, certains étaient particulièrement riches en chlorure de sodium, tandis que d'autres contenaient des quantités plus élevées de carbonates, de phosphates ou de chlorure de potassium. Un schéma particulièrement frappant : le chlorure et le carbonate apparaissaient rarement ensemble dans la même particule riche en sodium.

Cela a soulevé une énigme fondamentale. Si tous ces grains provenaient du même océan, pourquoi leurs compositions chimiques différaient-elles autant ? C'est l'équivalent en science planétaire de commander la même soupe dans le même restaurant et de recevoir des assaisonnements radicalement différents à chaque fois.

Pour explorer cette question, le professeur Yasuhito Sekine et ses collègues de l'ELSI ont créé des gouttelettes de laboratoire contenant les principaux sels supposés présents dans l'océan d'Encelade. Les chercheurs ont congelé des gouttelettes de différentes tailles dans différentes conditions de refroidissement, puis ont étudié comment les éléments chimiques étaient distribués une fois les gouttelettes solidifiées. Les résultats ont montré que la vitesse de congélation joue un rôle majeur.

Dans des gouttelettes d'environ 200 micromètres de diamètre, les sels se sont séparés en différentes régions lorsque la congélation s'est produite relativement lentement, à environ 10 K par minute ou moins. Lorsque les gouttelettes ont gelé plus rapidement, leurs ingrédients chimiques sont restés beaucoup plus uniformément mélangés.

« Ce qui nous a surpris, c'est que la diversité observée par Cassini pouvait émerger de gouttelettes provenant essentiellement de la même eau océanique », a déclaré Sekine. « Nos expériences montrent que lorsque des gouttelettes océaniques relativement grandes gèlent lentement, différents sels peuvent se séparer en leur sein. Si ces gouttelettes gelées sont ensuite brisées, elles peuvent produire des grains de glace beaucoup plus petits, chacun avec des compositions chimiques très différentes. »

Les résultats pourraient également révéler quelque chose sur ce qui se passe à l'intérieur de la croûte glacée de la lune. Des études antérieures supposaient généralement que les embruns d'eau de mer d'Encelade gèlent rapidement et se déplacent rapidement vers l'espace peu après avoir quitté l'océan. Les nouvelles expériences pointent vers un scénario différent : les gouttelettes pourraient initialement se déplacer beaucoup plus lentement à travers le système d'évents souterrains, suivant des chemins compliqués à travers les fractures de la glace avant d'approcher la surface.

Les chercheurs suggèrent que les embruns océaniques forment d'abord des gouttelettes allant de dizaines à des centaines de micromètres de taille. Alors que ces gouttelettes se déplacent lentement à travers les sections plus profondes des évents, elles gèlent progressivement, donnant aux sels suffisamment de temps pour se séparer en différentes régions. Plus près de la surface, les conditions changent. Le gaz commence à se déplacer plus rapidement, et les gouttelettes gelées peuvent percuter les parois de canaux glacés plus étroits à grande vitesse. Ces collisions peuvent briser les gouttelettes en morceaux beaucoup plus petits. Chaque fragment peut provenir d'une région riche en sel différente au sein de la gouttelette gelée d'origine, créant des grains avec des compositions chimiques très différentes. Ces fragments peuvent ensuite s'échapper dans l'espace et devenir partie de l'anneau E de Saturne.

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