Le télescope spatial James Webb vient d’ajouter une nouvelle énigme à la chimie du Système solaire. En étudiant la lumière provenant de Titan, la plus grande lune de Saturne, puis de Pluton, une équipe internationale d’astronomes a repéré la même absorption infrarouge autour de 5,11 micromètres.
Cette petite portion de lumière manquante semble provenir de la surface des deux astres. Problème : aucune glace ni aucune molécule répertoriée dans les bases de données de laboratoire ne reproduit exactement la forme du signal.
James Webb n’a donc pas photographié une mystérieuse substance posée sur le sol de Pluton. Il en a détecté l’empreinte lumineuse, un peu comme si un visiteur invisible avait laissé des traces de chaussures cosmiques sans fournir la référence des semelles.
À retenir : James Webb a détecté sur Titan et Pluton une bande d’absorption centrée autour de 5,113 micromètres. Le signal apparaît dans les données de plusieurs instruments et semble provenir de la surface plutôt que de l’atmosphère. Les chercheurs envisagent notamment des composés appartenant à la famille des allènes, ainsi que du benzène ou de la cétène mélangés à d’autres glaces, mais aucun candidat ne correspond encore parfaitement.
Une étrange absence de lumière à 5,113 micromètres
La découverte repose sur la spectroscopie infrarouge. Cette technique consiste à décomposer la lumière reçue d’un objet en fonction de ses différentes longueurs d’onde.
Les molécules et les matériaux absorbent certaines de ces longueurs d’onde. Ils produisent ainsi des creux dans le spectre, comparables à des codes-barres chimiques. Lorsque l’on connaît la signature d’une substance, il devient possible de la reconnaître à distance, sans avoir besoin d’aller en prélever un glaçon.
Dans les spectres de Titan, l’équipe dirigée par Bruno Bézard et Emmanuel Lellouch, chercheurs à l’Observatoire de Paris-PSL, a identifié une bande d’absorption centrée très précisément à 5,1126 micromètres, soit environ 1 956 cm−1 en nombre d’onde.
Sur Titan, cette absorption réduit le signal d’environ 6 à 7 %. Elle apparaît dans des observations réalisées avec NIRSpec, le spectrographe proche infrarouge de James Webb, mais également avec MIRI, son instrument consacré à l’infrarouge moyen.
La présence du même creux dans les données de deux instruments différents rend l’hypothèse d’un simple défaut technique très improbable.
Les spectres enregistrés par NIRSpec et MIRI montrent le même creux autour de 5,11 micromètres. Crédit : B. Bézard et al., CC BY 4.0.
Les données utilisées ne sont d’ailleurs pas toutes nouvelles. NIRSpec a observé Titan le 4 novembre 2022, tandis que MIRI l’a étudié le 11 juillet 2023. Pluton avait été observée par MIRI le 4 mai 2023.
La découverte publiée en 2026 résulte donc d’une analyse approfondie de mesures déjà archivées. Même dans l’espace, certains trésors attendent patiemment au fond d’un disque dur.
NIRCam et MIRI ne servent pas uniquement à traquer des molécules sur des mondes glacés. Ces instruments ont également produit de spectaculaires images de la nébuleuse de la Lyre, dans lesquelles l’infrarouge révèle des filaments de gaz, des globules denses et des structures beaucoup plus discrètes dans la lumière visible.
Pourquoi le signal semble-t-il provenir de la surface de Titan ?
Déterminer l’origine d’une absorption sur Titan n’a rien d’évident. Son sol est dissimulé sous une atmosphère épaisse composée principalement d’azote et de méthane, elle-même recouverte d’une brume orangée d’aérosols organiques.
Les chercheurs ont donc comparé les spectres enregistrés au centre du disque de Titan avec ceux obtenus près de son bord apparent.
Près du bord, la lumière traverse davantage d’atmosphère, tandis que la contribution directe de la surface diminue. Si le signal provenait d’un gaz ou de la brume principale, il devrait donc rester stable ou devenir plus marqué.
Or la bande de 5,11 micromètres devient environ deux fois moins profonde à proximité du bord, alors que les absorptions atmosphériques du monoxyde de carbone conservent une intensité comparable.
Ce comportement indique que la source du signal se trouve vraisemblablement sur le sol de Titan. Les chercheurs n’excluent toutefois pas totalement une très fine couche de condensats située juste au-dessus de la surface, sous l’essentiel de la brume.
La présence d’une absorption presque identique sur Pluton renforce cette interprétation. L’atmosphère de la planète naine est beaucoup plus ténue et ne masque pas sa surface de la même manière.
Autre élément intéressant : les spectres de Ganymède, la plus grande lune de Jupiter, ne présentent pas cette absorption. Le phénomène ne semble donc pas être une caractéristique banale de toutes les surfaces glacées du Système solaire.
Titan observé par la caméra NIRCam de James Webb le 4 novembre 2022. Crédit : NASA, ESA, CSA, Webb Titan GTO Team ; traitement Alyssa Pagan, STScI.
James Webb s’est surtout fait connaître du grand public grâce à ses observations de l’Univers lointain, depuis ses images détaillées de galaxies en spirale jusqu’à sa vertigineuse vue des Piliers de la création.
Son regard infrarouge ne se limite pourtant pas aux galaxies et aux nébuleuses. Il peut également analyser les planètes, les satellites et les petits corps glacés de notre propre voisinage cosmique.
Titan et Pluton, deux mondes très différents réunis par leur chimie
Observer la même signature sur Titan et Pluton est particulièrement inattendu, car les conditions présentes sur ces deux astres sont très différentes.
Titan possède un diamètre d’environ 5 150 kilomètres, ce qui le rend plus grand que la planète Mercure. Sa température de surface avoisine −179 °C et la pression de son atmosphère est environ 60 % plus élevée que celle mesurée au niveau de la mer sur Terre.
Son paysage comprend des dunes de grains organiques, des rivières et des lacs alimentés non par de l’eau, mais par du méthane et de l’éthane liquides. Titan est le seul monde connu avec la Terre à posséder durablement des étendues de liquide à sa surface.
Pluton mesure seulement 2 377 kilomètres de diamètre. Sa température moyenne se situe autour de −232 °C et son atmosphère, composée principalement d’azote avec du méthane et du monoxyde de carbone, est extrêmement ténue.
Sa surface est couverte de glaces d’azote, de méthane, de monoxyde de carbone et d’eau. Elle présente également des matériaux organiques rougeâtres révélés en détail par la sonde New Horizons lors de son survol du 14 juillet 2015.
Pour replacer ces dimensions dans le grand jeu des poupées russes cosmiques, cette comparaison de la taille des objets célestes permet de passer de Pluton à Titan, puis aux étoiles et aux galaxies, avec un léger risque de vertige.
Pluton photographiée par la sonde New Horizons en juillet 2015. Crédit : NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.
Malgré leurs différences de taille, de température et de pression atmosphérique, Titan et Pluton partagent plusieurs ingrédients chimiques importants.
Leurs atmosphères sont dominées par l’azote et contiennent du méthane. Sous l’effet du rayonnement solaire et des particules énergétiques, ces gaz peuvent produire des hydrocarbures, des nitriles et des aérosols organiques complexes. Une partie de ces matériaux finit ensuite par se déposer à la surface.
Cette chimie commune pourrait expliquer pourquoi une substance identique, une même famille de molécules ou deux composés aux propriétés voisines laissent une empreinte spectrale au même endroit.
Quelle substance pourrait laisser cette empreinte ?
Les chercheurs ont comparé le signal avec les spectres de nombreuses glaces et molécules susceptibles d’exister sur Titan ou Pluton : méthane, éthane, éthylène, acétylène, propane, benzène, cyanure d’hydrogène, dioxyde de carbone, eau et différents nitriles.
Ils ont également vérifié les spectres de tholins. Ce terme désigne des mélanges organiques brun-rouge produits en laboratoire en irradiant des gaz contenant notamment de l’azote et du méthane.
Aucun de ces matériaux ne présente, dans les conditions déjà testées, une absorption correspondant précisément à celle détectée par James Webb.
Quelques suspects restent néanmoins dans le bureau d’interrogatoire.
Les allènes, une famille de composés très intéressante
Les allènes sont une famille de composés organiques possédant une succession de trois atomes de carbone liés selon le motif C=C=C.
Ce groupe chimique absorbe fortement la lumière dans une région spectrale comprise entre 1 900 et 2 000 cm−1, très proche de la signature mesurée sur Titan et Pluton.
Le plus simple de ces composés, le propadiène, a déjà été détecté dans l’atmosphère de Titan. Ses bandes connues se situent toutefois autour de 5,13 micromètres et ne reproduisent pas exactement la position de l’absorption observée.
Le propadiène pur n’est donc probablement pas le bon candidat. Des molécules plus complexes appartenant à la même famille pourraient néanmoins convenir, car les groupes chimiques attachés aux extrémités de leur chaîne carbonée peuvent déplacer et élargir leur bande d’absorption.
Le benzène mélangé à d’autres glaces
Le benzène solide présente lui aussi une faible absorption dans cette région du spectre. Sa position varie cependant fortement selon sa température, son état cristallin ou amorphe et les molécules qui l’entourent.
La signature du benzène pur ne correspond pas aux observations. En revanche, du benzène emprisonné dans une matrice constituée d’autres glaces pourrait voir son empreinte déplacée jusqu’à la longueur d’onde mesurée.
Cette hypothèse semble surtout envisageable pour Titan. Sur Pluton, l’absence d’une autre bande attendue rend le benzène beaucoup moins convaincant.
La cétène et un mystérieux résidu de méthanol
La cétène, de formule CH2=C=O, possède également des absorptions proches de 5,11 micromètres.
Un résidu obtenu en laboratoire après irradiation de glace de méthanol a même présenté une bande à 5,110 micromètres, presque exactement au bon endroit.
Cette absorption pourrait provenir d’un composé de type allène ou d’un groupe chimique C=C=O. Les données disponibles ne suffisent cependant pas à identifier précisément la molécule responsable.
L’acétylène, un candidat plutôt fragile
L’acétylène possède une faible bande autour de 5,099 micromètres. Des mélanges de glace d’eau et de méthane irradiés par des particules énergétiques peuvent également produire de l’acétylène avec une absorption proche de celle observée.
Le problème est que d’autres bandes beaucoup plus fortes de l’acétylène devraient alors apparaître dans le spectre de Pluton. Leur absence affaiblit fortement cette hypothèse pour la planète naine.
L’acétylène reste donc un candidat possible sur Titan, mais beaucoup moins convaincant sur Pluton.
Pourquoi le signal de Pluton est-il trois fois plus large ?
La position centrale de l’absorption est pratiquement identique sur les deux astres, mais sa forme ne l’est pas.
Sur Titan, sa largeur à mi-hauteur atteint environ 0,024 micromètre dans les données de NIRSpec. Sur Pluton, elle atteint approximativement 0,069 micromètre, soit presque trois fois plus.
L’aire totale de l’absorption est également environ deux fois plus importante sur Pluton.
Cette différence pourrait provenir de l’état physique du matériau ou de la diversité de son environnement moléculaire. Des molécules regroupées en agrégats de différentes tailles peuvent produire des bandes légèrement décalées qui se superposent et forment une absorption plus large.
Une famille entière de composés voisins pourrait également être impliquée. Dans le cas des allènes, les différents groupes chimiques fixés aux extrémités du motif C=C=C modifient la position et la largeur du signal.
Pluton est en outre beaucoup plus directement exposée aux rayons cosmiques galactiques. Son atmosphère très mince permet à une partie de ces particules de pénétrer de plusieurs centimètres, voire de plusieurs dizaines de centimètres dans le sol.
Cette irradiation peut briser des liaisons chimiques, éjecter certains atomes, recombiner des radicaux, créer de nouvelles molécules et rendre les glaces amorphes.
Le sol de Pluton pourrait donc contenir un cocktail moléculaire plus diversifié que celui de Titan. Un cocktail servi à environ −230 °C, sans parasol et avec une recette que personne n’a encore réussi à reproduire.
Une substance inconnue ne signifie pas nécessairement une nouvelle molécule
La formulation « substance inconnue » doit être interprétée avec prudence. James Webb n’a pas isolé une matière nouvelle et les chercheurs n’ont évidemment rapporté aucun échantillon.
Ils ont détecté une signature spectrale non identifiée.
Celle-ci peut correspondre à une molécule déjà connue dont les propriétés n’ont jamais été mesurées dans les bonnes conditions, à une combinaison de plusieurs matériaux ou à toute une famille de composés possédant des structures chimiques voisines.
Dans une glace, la température, la concentration, la taille des grains, la structure cristalline et la nature des molécules environnantes peuvent modifier sensiblement une absorption infrarouge.
Il n’est même pas encore certain que le même composé soit responsable du signal sur Titan et Pluton. Deux substances différentes pourraient absorber la lumière autour de la même longueur d’onde.
La découverte ne constitue pas davantage une preuve de vie. Elle concerne toutefois la chimie organique complexe de deux mondes riches en carbone, en azote et en méthane, ce qui la rend importante pour comprendre les processus chimiques ayant précédé l’apparition de la vie sur certaines planètes.
Dragonfly pourra-t-il identifier la substance sur Titan ?
Les astronomes disposent déjà de nouvelles observations de Titan réalisées sous plusieurs angles avec NIRSpec et MIRI.
Leur analyse devrait permettre de cartographier la bande de 5,11 micromètres et de déterminer si elle varie selon les régions, les dunes, les plaines ou les autres unités géologiques de Titan.
La mission Dragonfly pourra ensuite apporter des informations directement depuis le sol.
Ce gros drone à huit rotors doit être lancé au plus tôt en juillet 2028 et atteindre Titan à la fin de l’année 2034. Sa mission principale doit durer environ 3,3 années terrestres.
Dragonfly pourra parcourir plusieurs kilomètres à chaque vol, se poser sur différents sites et prélever des matériaux de surface pour les analyser.
Vue d’artiste du drone Dragonfly à la surface de Titan. Crédit : NASA/Johns Hopkins APL.
Son spectromètre de masse DraMS devrait être capable d’identifier certains des candidats envisagés pour expliquer la bande de 5,11 micromètres. L’acétylène, relativement volatil, pourrait toutefois être difficile à conserver pendant l’analyse.
Dragonfly ne possède par ailleurs aucun spectromètre infrarouge capable de mesurer directement la mystérieuse bande dans les échantillons.
Les scientifiques devront donc comparer les molécules identifiées sur place avec les cartes spectrales établies à distance par James Webb.
En attendant l’arrivée du drone, les laboratoires devront refroidir, mélanger et irradier de nouvelles combinaisons de glaces afin de reproduire les conditions de Titan et de Pluton.
L’inconnue n’est peut-être pas une molécule totalement exotique. Elle se cache peut-être simplement dans une recette que personne n’a encore pensé à préparer.
Sources pour aller plus loin
- Étude scientifique de B. Bézard, E. Lellouch et leurs collègues, acceptée pour publication dans Astronomy & Astrophysics.
- Version HTML intégrale de l’étude scientifique.
- Communiqué de l’Observatoire de Paris-PSL sur la signature spectrale inconnue.
- Présentation et données scientifiques de la NASA sur Titan.
- Présentation et données scientifiques de la NASA sur Pluton.
- Présentation officielle de la mission Dragonfly par la NASA.