Crédit d'image: ESA
Il faut au moins trois éléments pour abriter la vie telle que nous la connaissons: l'eau, l'énergie et une atmosphère. Parmi Mars et les lunes autour de Jupiter et de Saturne, il existe des preuves d'un ou deux de ces trois éléments, mais on en sait moins si un ensemble complet est disponible. Seule la lune de Saturne, Titan, a une atmosphère comparable à la pression de la Terre et est beaucoup plus épaisse que la martienne (1% de la pression au niveau de la mer).
Le point le plus intéressant sur les simulations de la brume d'hydrocarbures de Titan est que ce composant smoggy contient des molécules appelées tholins (du mot grec, boueux) qui peuvent former les fondations des blocs de construction de la vie. Par exemple, les acides aminés, l'un des éléments constitutifs de la vie terrestre, se forment lorsque ces particules rouge-brun ressemblant à du smog sont placées dans l'eau. Comme l'a souligné Carl Sagan, Titan peut être considéré comme un large parallèle avec l'atmosphère terrestre primitive en ce qui concerne sa chimie et, de cette façon, il est certainement pertinent pour les origines de la vie.
Cet été, le vaisseau spatial Cassini de la NASA, lancé en 1997, devrait entrer en orbite autour de Saturne et de ses lunes pendant quatre ans. Début 2005, la sonde Huygens à ferroutage devrait plonger dans l'atmosphère brumeuse de Titan et atterrir à la surface de la lune. Il y a 12 instruments à bord de l'orbiteur Cassini Spacecraft et 6 instruments à bord de la sonde Huygens. La sonde Huygens est principalement orientée vers l'échantillonnage de l'atmosphère. La sonde est équipée pour prendre des mesures et enregistrer des images pendant une demi-heure à la surface. Mais la sonde n'a pas de pattes, donc lorsqu'elle se posera sur la surface de Titan, son orientation sera aléatoire. Et son atterrissage peut ne pas être effectué par un site contenant des matières organiques. Des images de l'endroit où se trouve Cassini sur son orbite actuelle sont constamment mises à jour et disponibles pour visualisation au fur et à mesure de l'avancement de la mission.
Le magazine Astrobiology a eu l’occasion de discuter avec le chercheur, Jean-Michel Bernard de l’université de Paris, sur la façon de simuler la chimie complexe de Titan dans un tube à essai terrestre. Ses simulations de l'environnement de Titan s'appuient sur la soupe prébiotique classique, créée il y a cinquante ans par des chercheurs de l'Université de Chicago, Harold Urey et Stanley Miller.
Magazine d'astrobiologie (AM): Qu'est-ce qui a d'abord stimulé votre intérêt pour la chimie atmosphérique de Titan?
Jean-Michel Bernard (JB): Comment deux molécules simples (azote et méthane) créent-elles une chimie très complexe? La chimie devient-elle biochimie? Les récentes découvertes de la vie dans des conditions extrêmes sur Terre (bactéries au Pôle Sud à -40 ° C et archées à plus de +110 ° C au voisinage des sources hydrothermales) permettent de supposer que la vie pourrait être présente sur d'autres mondes et autres conditions.
Titan a un intérêt astrobiologique car c'est le seul satellite du système solaire avec une atmosphère dense. L'atmosphère de Titan est faite d'azote et de méthane. Les particules énergétiques provenant de l'environnement du Soleil et de Saturne permettent une chimie complexe, telle que la formation d'hydrocarbures et de nitriles. Les particules génèrent également une brume permanente autour du satellite, des pluies de méthane, des vents, des saisons Récemment, des lacs d'hydrocarbures semblent avoir été détectés à la surface de Titan. Je pense que cette découverte, si elle est confirmée par la mission Cassini-Huygens, sera d'un grand intérêt.
Cela ferait de Titan un analogue de la Terre, car il aurait une atmosphère (gaz), des lacs (liquide), de la brume et du sol (solide), les trois environnements nécessaires à l'apparition de la vie.
La composition de la brume de Titan est inconnue. Seules les données optiques sont disponibles et difficiles à analyser en raison de la complexité de ce matériau carboné. De nombreuses expériences ont été réalisées afin d’imiter la chimie de l’atmosphère de Titan, notamment les analogues d’aérosols nommés «tholins» par le groupe de Carl Sagan. Il semble que les tholins pourraient être impliqués dans l'origine de la vie. En effet, l'hydrolyse de ces analogues d'aérosols Titan donne lieu à la formation d'acides aminés, précurseurs de la vie.
UN M: Pouvez-vous décrire votre simulation expérimentale pour étendre les expériences de Miller-Urey d'une manière adaptée aux basses températures et à la chimie unique de Titan?
JB: Depuis les expériences de Miller-Urey, de nombreuses simulations expérimentales du supposé système prébiotique ont été réalisées. Mais après la récupération des données de Voyager, il est apparu nécessaire de revenir à cette approche pour simuler l'atmosphère de Titan. Ensuite, plusieurs scientifiques ont réalisé de telles expériences de simulation en introduisant un mélange azote-méthane dans un système comme l'appareil de Miller. Mais un problème est devenu évident en raison de la différence entre les conditions expérimentales et les conditions de Titan. La pression et la température n'étaient pas représentatives de l'environnement de Titan. Nous avons ensuite décidé de réaliser des expériences qui reproduisent la pression et la température de la stratosphère de Titan: un mélange gazeux de 2% de méthane dans l'azote, une basse pression (environ 1 mbar) et un système cryogénique afin d'avoir une température basse. De plus, notre système est placé dans une boîte à gants contenant de l'azote pur afin d'éviter la contamination par l'air ambiant des produits solides.
UN M: Quelle est, selon vous, la meilleure source d'énergie pour déclencher la chimie synthétique de Titan: la magnétosphère des particules saturniennes, le rayonnement solaire ou autre chose?
JB: Les scientifiques débattent de la source d'énergie qui simulerait le mieux les sources d'énergie dans l'atmosphère de Titan. Rayonnement ultraviolet (UV)? Rayons cosmiques? Des électrons et autres particules énergétiques provenant de la magnétosphère de Saturne? Toutes ces sources sont impliquées, mais leur occurrence dépend de l'altitude: rayonnement ultraviolet extrême et électrons dans l'ionosphère, lumière UV dans la stratosphère, tandis que les rayons cosmiques se produisent dans la troposphère.
Je pense que la question appropriée devrait être: Quel est l'objectif expérimental? Pour comprendre la chimie du cyanure d'hydrogène (HCN) dans la stratosphère de Titan, une simulation avec le rayonnement UV du HCN est appropriée. Si l'objectif est de déterminer les effets des champs électriques générés par les rayons cosmiques galactiques dans la troposphère, une décharge corona d'une atmosphère Titan simulée est préférable.
En étudiant les conditions stratosphériques de Titan, nous avons choisi d'utiliser une décharge électrique dans notre simulation. Ce choix est contesté par une minorité de scientifiques car la principale source d’énergie dans la stratosphère de Titan est le rayonnement UV. Mais nos résultats ont validé notre expérience. Nous avons détecté toutes les espèces organiques observées sur Titan. Nous avons prédit la présence de CH3CN (acétonitrile) avant son observation. Nous avons détecté pour la première fois du dicyanoacétylène, C4N2, une molécule instable à température ambiante qui a également été détectée dans l'atmosphère de Titan. La signature infrarouge moyenne des produits solides créés dans notre expérience était conforme aux observations de Titan.
UN M: Comment vos résultats font-ils partie des tests atmosphériques prévus pour la sonde Cassini-Huygens?
JB: Après avoir collaboré avec une équipe de l'Observatoire Astronomique de Bordeaux en France, nous avons déterminé les constantes diélectriques des analogues d'aérosols. Cela nous permettra d'estimer comment l'atmosphère et les propriétés de surface de Titan pourraient affecter les performances des expériences radar de Cassini-Huygens. L'altimètre à bord de la sonde Huygens pourrait être affecté par les propriétés des aérosols, mais des expériences complémentaires doivent être menées pour confirmer ce résultat.
Il y a deux ans, nous avons introduit un mélange gazeux, N2 / CH4 / CO (98 / 1,99 / 0,01). L'objectif était de déterminer l'impact du monoxyde de carbone, le composé oxygéné le plus abondant sur Titan. Étonnamment, nous avons détecté l'oxirane dans la phase gazeuse comme le principal produit oxygéné. Cette molécule instable a été découverte dans le milieu interstellaire mais les modèles théoriques ne la prédisent pas pour la chimie de Titan. Pourtant, cette molécule est peut-être présente sur Titan.
Actuellement, nous analysons les premières molécules, radicaux, atomes et ions (ou «espèces») créés à l'intérieur de notre réacteur expérimental. Nous utilisons la spectrométrie infrarouge et l'émission UV-visible pour étudier des espèces excitées comme le CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2. Ensuite, nous observerons la corrélation entre l'abondance de ces espèces et les structures des produits solides. En couplant ces résultats expérimentaux avec un modèle théorique développé en collaboration avec l'Université de Porto au Portugal, nous aurons une meilleure compréhension de la chimie se produisant dans le réacteur expérimental. Cela nous permettra d'analyser les données de Cassini-Huygens et la formation de brume de Titan.
Notre équipe est également impliquée au niveau de la science de la mission, car l'un des scientifiques de la mission fait également partie de notre groupe au Laboratoire Inter-Universitaire des Systèmes Atmosphériques, LISA). Nos tholins de laboratoire serviront de guides pour calibrer plusieurs des instruments de la sonde Huygens et de l'orbiteur Cassini.
Il y a 18 instruments à bord de la sonde et de l'orbiteur. Des tests d'étalonnage sont nécessaires pour la chromatographie en phase gazeuse et la spectroscopie de masse [GC-MS]. Le GC-MS identifiera et mesurera les produits chimiques dans l'atmosphère de Titan.
Des tests d'étalonnage sont également nécessaires pour le collecteur et pyrolyseur d'aérosols (ACP). Cette expérience attirera des particules d'aérosol de l'atmosphère à travers des filtres, puis chauffera les échantillons piégés dans des fours pour vaporiser les substances volatiles et décomposer les matières organiques complexes.
Le spectromètre infrarouge composite (CIRS), un instrument de mesure thermique sur l'orbiteur, doit également être étalonné. Comparé aux précédentes missions dans l'espace lointain, le spectromètre à bord de Cassini-Huygens est une amélioration significative, avec une résolution spectrale dix fois supérieure à celle du spectromètre du vaisseau spatial Voyager.
UN M: Avez-vous des plans futurs pour cette recherche?
JB: Notre prochaine étape est une expérience développée par Marie-Claire Gazeau, appelée «SETUP». L'expérience comprend deux parties: un plasma froid pour dissocier l'azote et un réacteur photochimique pour photodissocier le méthane. Cela nous donnera une meilleure simulation globale de l'état de Titan.
Source d'origine: NASA Astrobiology Magazine
