Io, vue globale en vraies couleurs

Découverte par Galilée en 1610, Io resta longtemps un point lumineux que la proximité de Jupiter rendait difficile à étudier. On calcula sa période de révolution autour de la planète géante (42 heures), et on constata que sa taille, sa densité (3,5), sa composition rocheuse et son absence de glaces la rendaient apparemment proche de notre Lune. Rien de bien extraordinaire.

Mais lorsque la sonde Voyager 1 entreprit, en mars 1979, d'étudier les satellites de Jupiter et envoya les premières images haute définition de Io, celle-ci devint immédiatement l'attraction principale. Cette petite lune montrait en effet sur les photographies prises au téléobjectif une fascinante palette de couleurs jaunes et oranges, avec de curieux cercles rouges, de longs serpentins verts ou bruns, des croissants bleuâtres, des plaques blanches et une multitude de petites taches rondes et noires. Ces dernières ressemblaient à ces innombrables cratères qui témoignent de l'intense bombardement d'astéroïdes auxquels ont été soumis tous les astres du système solaire il y a 4 milliards d'années.

Panaches éruptifs à l'horizon

Les ombrelles éruptives de Io

La 1ère ombrelle. Voyager 1, 1979

Loki Voyager 1, 1979

Pillan Patera Hubble, 1997

Masubi Galileo, 1999

Les navigateurs de Voyager 1, qui étudiaient à la loupe les clichés qu'elle envoyait pour déterminer sa position exacte, firent une surprenante découverte. Au limbe de Io, sur le fond noir de l'infini, se dessinaient nettement huit panaches éruptifs en forme d'ombrelles. Quatre mois plus tard, Voyager 2, reprogrammée à la hâte pour observer Io, découvrit deux autres ombrelles. Io n'était pas un objet froid, géologiquement mort, comme notre Lune mais un astre en activité dont on venait de surprendre une dizaine d'éruptions extraterrestres.

Les taches noires ? Des caldeiras, ces dépressions qui se forment au sommet d'un volcan après une éruption. Les anneaux rouges, les traînées vertes, brunes ou grises, les zones blanches ? Des coulées de lave et des dépôts de givre, colorés par du soufre évacué puis refroidi à différentes températures. Les ombrelles ? Des jets d'oxyde de soufre (et non de cendres comme sur la Terre) pouvant atteindre une vitesse d'évacuation de 1000 mètres par seconde (3 fois la vitesse du son) et monter jusqu'à 200, 350, 500 km d'altitude. Une atmosphère extrêmement tenue, une très faible gravité et la nullité des vents permettent à ces colossales colonnes de gaz qui jaillissent des évents, de suivre une trajectoire balistique et de se déployer en gracieuses fontaines symétriques.

La plus grande de ces fontaines éruptives découverte par Voyager 1, avait 1000 km de diamètre. Elle reçu le nom de Pelé, la déesse hawaiienne des volcans. Furent également baptisés Loki (210 km de diamètre), Promethée (250 km), Amirani (200 km) Masubi (150 km). Vingt ans après le passage des sondes Voyager ces volcans étaient toujours actifs.

Les télescopes terrestres dans les années quatre-vingt puis la mission Galileo entre 1995 et 2002 ont exploré de loin puis, de plus en plus près, ce sulfureux petit satellite. Ils ont recensé 200 caldeiras de plus de 20 km de diamètre, une centaine de volcans en activité et d'innombrables points chauds. La sonde Galileo a notamment découvert et photographié, de monstrueux rideaux de laves en fusion, longs de 30 km, hauts de 1500 mètres. Pourquoi, une lune aussi petite qui, théoriquement, devrait être froide depuis longtemps à l'instar de notre Lune, est-elle un corps en fusion produisant 100 fois plus de laves que la Terre ?

Un double effet de marée

Avant même la découverte, sur des photos, des éruptions volcaniques de Io, celles-ci avaient été prévues par une équipe de chercheurs américains, dirigée par S. Peale. Io est soumise à un double effet de marée qui étire sa surface et ses couches internes dans tous les sens.

Io passant devant Jupiter

Avec des 3680 km de diamètre, Io semble minuscule lorsqu'elle passe devant l'énorme globe de Jupiter (143000 km de diamètre). Elle en fait le tour, sur une orbite très basse, en 42 heures et 27 minutes. En rasant ainsi la planète géante, elle est soumise à un gigantesque effet de marée qui la déforme et échauffe, non seulement sa surface mais aussi les couches internes.

A cet effet de marée, s'en ajoute un second, celui d'une autre lune de Jupiter, Europe, placée sur une orbite plus haute. Europe fait le tour de Jupiter en 85 heures. Io, plus rapide, la rattrape donc et la dépasse tous les deux tours d'orbite. A chaque rencontre, les deux lunes s'attirent et se déforment mutuellement.

Tiraillée ainsi entre Jupiter et Europe, déformée toutes les 42 heures par des marées de... 100 mètres d'amplitude, Io s'échauffe et dégage des milliers de milliards de watts de chaleur (10¹⁴ watts) soit 40 fois plus que la Terre, alors qu'elle n'est pas plus grande que la Lune. C'est un astre dont les couches internes sont en fusion de façon permanente ce qui provoque d'incessantes et gigantesques éruptions volcaniques : en moyenne 10 000 tonnes de lave par seconde et par volcan ...

Les paysages sur Io

La surface de Io présente une grande variété de terrains. Les caractéristiques marquantes sont des dépressions irrégulières qui correspondent aux caldeiras des volcans (patera), des éminences (tholus), des vastes zones caractérisées par un albédo clair ou sombre (regio), de hauts plateaux (planum), des montagnes (mons) et des chaînes de cratères (catena). Rien à voir avec les autres lunes de Jupiter où dominent les cratères (comme sur Callisto), les rayures, les rides et les cannelures (comme sur Europe et Ganymède).

La carte de Io

Nombreux sont les traits qui témoignent des tensions marémotrices et de l'évacuation de la chaleur qu'elles génèrent : boucliers volcaniques en pente douce semblables à nos volcans hawaiiens, coulées serpentant sur plusieurs centaines de kilomètres, gigantesques anneaux de dépôts, lacs de soufre fondu, caldeiras effondrées, interminables plaines de laves...

Haemus Mons

Le remodelage de la surface est tel que les cratères, si nombreux ailleurs, n'existent pas sur Io. Ils ont été effacés, gommés, sous les retombées pyroclastiques et les flots de lave qui surgissent des noirs évents. On a calculé que si une couche moyenne de 3 millimètres recouvrait chaque année Io, il ne faudrait que 10 millions d'années pour que se constitue une croûte de 30 km d'épaisseur. Si ces estimations sont justes, la croûte de Io aurait été renouvelée 500 fois depuis la formation de Io, il y a 4,4 milliards d'années.

Une chimie du soufre

Le soufre et ses composés donnent à ces paysages des couleurs bariolées. La région de Culan Patera (ci-dessous) constitue un splendide exemple de cette palette contrastée où dominent le jaune, le vert et le rouge. Les teintes changeantes des coulées de lave reflètent, en partie, les états chimiques du soufre qui change selon la température à laquelle il est chauffé ou refroidi.

Culan Patera, l'un des volcans les plus colorés de Io doit son aspect au soufre, à ses composés et à leur interaction avec le magma silicaté qui jaillit de la caldeira centrale (l'ovale vert irrégulier au centre de l'image).

Le soufre possède en effet d'étonnantes propriétés. A sa température de fusion, 113°, il est jaune. A 150°, il devient orange. A 180°,il vire au rouge. A 250° et plus, il revêt une couleur brun-noir.

Autre caractéristique du soufre : il conserve sa couleur de fonte s'il est brusquement refroidi. Ainsi une petite coulé de soufre jaillissant à plus de 250° sera d'une belle couleur chocolat et le restera si la température ambiante (- 150°) la refroidit brutalement. Mais si elle est épaisse, et se refroidie lentement, elle tournera au rouge ou à l'orange.

Le soufre présente une autre singularité. Sa viscosité évolue au gré de la chaleur. A plus de 250°, il est très fluide. Au fur et à mesure que sa température baisse, il devient de plus en plus visqueux. A 200° il est rouge et pâteux. Mais il redevient fluide à 150° alors qu'il est orange. Et il se fige à 120° lorsqu'il est jaune.

Autre image haute en couleur, la caldeira du volcan Tupan, prise en gros plan en octobre 2001, alors qu'elle ne présentait aucun signe d'activité. Large de 75 km, elle est entourée de remparts hauts de 900 mètres. Le fond de la caldeira est orné de motifs surréalistes noirs, verts, rouges et jaunes. La matière noire est récente. Il s'agit de lave encore chaude. En jaune, un mélange de composés sulfureux. La matière verte semble se former aux points de rencontre du soufre rouge et la lave noire. Le centre de la caldeira, qui n'est pas recouvert de laves noires, est probablement plus haut que le reste du plancher du cratère.

Le rouge et le noir

Pillan Patera

Les scientifiques s'interrogent sur la nature des nombreuses taches rouges observables à la surface de Io. Ils pensent actuellement qu'elles proviennent des atomes de soufre qui prennent une couleur rouge lorsque qu'ils se recomposent en molécules de 3 ou 4 atomes (S3 ou S4).

Quant à certaines taches noires, très larges comme celle qui est apparue autour de Pillan Patera en moins de trois mois, elles seraient constituées de cendres, riches en fer et en magnésium.

Des laves silicatées très fluides

Le soufre n'est pas la seule matière que dégorgent les volcans de Io. Les télescopes terrestres, équipés de radiomètres infrarouges, ont mesuré au fond des caldeira des températures de 600°, puis de 1200°, très supérieures à celles que dégage le soufre fondu. Sur Terre, seuls les magmas basaltiques atteignent 1250°.

La sonde Galileo a confirmé ces résultats. Elle a notamment repéré, entre 1995 et 2002, une dizaine de caldeiras où la température s'élève à 1400°. Compte tenu de la température qui règne à la surface de Io, la lave doit jaillir à 1800°. elle proviendrait donc de plusieurs centaines kilomètres de profondeur (et non de quelques dizaines de kilomètres comme sur Terre) et parviendrait à remonter à la surface sans se refroidir. Ou bien, autre hypothèse, la chaleur serait très élevée près de la surface, et ferait fondre jusqu'aux matériaux les plus réfractaires.

C'est ce qui est arrivé sur Terre, il y a 2 milliards d'années, lorsque le manteau était plus chaud, avec un magma qui donna naissance à des komatites, des laves extrêmement fluides. Et Io permet de mieux comprendre la formation de telles laves.

Survols rapprochés

Au vu des premiers résultats enregistrés par Galileo, les responsables de la mission qui hésitaient à envoyer leur sonde survoler Io, ont finalement programmé des passages à faible distance.

Io et son tore

Et comme Galileo a souffert d'une avarie de son antenne principale de communication (elle n'a jamais pu se déployer), les responsables de la mission, déjà préoccupés par la récupération de données beaucoup moins nombreuses que prévu, ont préféré repousser à la fin de la mission, les survols en rase-mottes.

La trajectoire des deux premiers survols

Le premier survol a eu lieu le 11 octobre 1999 et ne s'est pas très bien déroulé. Le choc a été rude. La caméra et le spectromètre infrarouge ont été très secoués et la plupart des images n'ont pu être exploitées qu'après de longs traitements informatiques.

Le second vol rapproché est intervenu le 26 novembre 1999 et a bien failli échouer. Les bombardements des particules énergétiques ont déréglé l'ordinateur de bord qui s'est placé en mode stand-by. Après plusieurs heures de travail frénétique, et quatre minutes seulement après l'approche maximale, les ingénieurs du JPL ont réussi à réactiver les appareils de mesure et la caméra. Un peu plus de la moitié des observations programmées ont pu être faites.

Depuis, d'autres "missions suicides" se sont déroulées, avec chaque fois, des incidents plus ou moins sérieux. La caméra notamment, a été endommagée et il a fallu développer puis envoyer un nouveau programme pour qu'elle fonctionne à nouveau de façon à peu près satisfaisante. Le tout dernier passage, le 17 février 2002, a été raté, Galileo s'étant placé en mode de sauvegarde, interdisant ainsi aux appareils de fonctionner. Il a fallu 14 heures d'efforts pour remettre en route la sonde.

Le volcanisme qui sévit sur Io est trop imprévisible pour planifier une campagne photographique. Bien des clichés réalisés sont fortuits. Glanés au petit bonheur la chance, entre deux avaries de la caméra, ils ont pourtant apporté des résultats significatifs. Ils confirment notamment plusieurs hypothèses qui reposaient jusqu'alors sur l'interprétation délicate d'images en basse résolution.

Ainsi Pele renferme bien au sein de sa caldeira un lac de lave actif. Les volcans Prométhée et Amirani sont le siège de lents et gigantesques épanchements de lave, de type hawaiien. Des fontaines de lave actives expliquent l'intense rayonnement thermique de certains volcans. Et Loki, premier volcan extraterrestre à avoir été découvert est le plus puissant volcan du système solaire. Toutefois, les images prises n'ont pas une résolution suffisante pour confirmer ou infirmer les modèles mathématiques élaborés pour expliquer le volcanisme actuel sur Io.

Io by night

A gauche, la carte des températures nocturnes relevées en février 2000. A droite, le même hémisphère, en lumière visible. En bleu, les températures les plus froides (- 183° C). En jaune et orange, les températures les plus chaudes, supérieures à - 103° C. Dans plusieurs endroits, très localisés, la température atteint 1225° C. L-K : Lei-Kung Fluctus. L : Loki. Pi : Pillan. M : Marduk. Pe : Pele

La carte de la chaleur, la nuit sur Io, fait apparaître les volcans les plus les plus actifs du système solaire. Les points les plus chauds correspondent à des volcans plutôt discrets. C'est le cas, notamment, de Loki qui irradie 15 % de la chaleur totale. Il libère, à lui tout seul, davantage d'énergie que l'ensemble des volcans terrestres. Un vrai monstre. Son cratère, en forme de fer à cheval, est envahi périodiquement par des coulées de lave de plusieurs mètres d'épaisseur qui recouvrent parfois une surface de 32000 km carrés. Elles doivent refroidir lentement, pendant plusieurs mois, ce qui expliquerait la température de + 30°C mesurée au cœur de la caldeira, alors que les plaines environnantes affichent une température de - 150° C.

Dans l'échelle des températures, le volcan Pillan occupe la seconde position. Sa chaleur correspond à des coulées de lave en cours de refroidissement depuis deux ans et demi.

Par contre, Pele qui émet de violents panaches éruptifs, génère peu de chaleur. Son activité reste confinée dans un petit cratère.

Le lac du Mont Pele

En passant au dessus de Pele le 10 octobre 1999, Galileo réussit à surprendre, pour la première fois hors de la Terre, de la lave incandescente dont la température s'élevait à 1027° C

elle s'étire sur 10 km de long et mesure 50 mètres de large. Les variations de son éclat sont probablement dues à la plus ou moins grande quantité de matériau exposé à la surface.

Il s'agirait, non pas d'une coulée de lave mais d'un lac dont le contenu se renouvelle continuellement. Ce sont les bords de la caldeira du volcan que l'on verrait sur cette image. La croûte refroidie, flottant sur la lave en fusion, se heurterait sans cesse aux parois du cratère et se briserait, exposant ainsi un ruban de matière en fusion.

Une autre image de nuit prise deux ans plus tard, avec des détails de 60 mètres par pixel, confirme cette hypothèse. L'enfilade de taches brillantes (à gauche de l'image) correspondrait au bord du volcan. La très grande tache (à droite) serait une large ouverture dans la croûte, laissant apparaître la lave chaude sous-jacente.

Les lueurs rougeoyantes du Mont Pele sont suffisamment fortes pour être photographiées en plein jour. A gauche, une image prise dans la lumière visible. Elle est centrée sur cet immense anneau rouge de 1300 km de diamètre qui rend Pele reconnaissable entre tous. Il a pour origine les retombées du soufre éjecté dans des jets de 80 km de haut. L'image de droite est en fausses couleurs et a été prise dans l'infrarouge. Le point rouge sombre situé au milieu du cercle noir correspond à l'endroit où se trouve le lac de lave. Sa taille est estimé à 15 km de longueur sur 10 km de largeur.

Les tubes de lave et les panaches de Prométhée

Chaque fois qu'une sonde a pu observer, de loin ou de près le volcan Prométhée, celui-ci était en activité, surmonté d'un splendide panache de gaz de dioxyde de soufre. Les scientifiques attendaient dont avec impatience les mesures et les photos haute résolution de Galileo. La combinaison de ces différentes données a permis de comprendre le mécanisme d'une éruption et de dresser la carte du volcan:

La carte de Prométhée	Les sources des ombrelles
En rose, la caldeira semi-circulaire de 250 km qui ressemble à une tête de cygne. En noir, les coulées récentes. En rouge, les coulées actives. En vert, la mesa. Les flèches jaunes indiquent la direction des panaches.	En haut à droite la caldeira. Une large et tortueuse coulée s'en échappe sur 90 km. Elle est bordée de traînées blanches de dioxyde de soufre. C'est là que surgissent, en plusieurs endroits, les panaches de gaz en forme d'ombrelles.

Selon le professeur Laszio Keszthelyi de l'université d'Arizona, Prométhée "possède des caractéristiques remarquablement semblables à celles du volcan hawaïen Kilauea, bien qu'il soit beaucoup plus grand". Le magma est stocké dans une chambre souterraine située au-dessous de la caldeira. La lave remonte à la surface une quinzaine de kilomètres au sud de la caldera.
Ce point correspond, sur l'image des températures, à la zone bleue au centre de laquelle se trouve une zone orangée de matière riche en soufre. La lave parcourt ensuite une centaine de kilomètres (à partir de l'évent) à travers des conduits souterrains jusqu'à l'extrémité des coulées. Elle est parfois visible à travers quelques trous. La lave liquide, exposée à la surface, correspond à une zone de très haute température, située sur la partie ouest du volcan .

Un panache de dioxyde de soufre de 100 km de haut s'étend au dessus de ces coulées actives. L'origine de ces ombrelles éruptives intrigue depuis longtemps les spécialistes de Io. D'où surgissent-elles ? D'un seul évent ou bien de plusieurs endroits à la fois ?

Elles ne se dressent pas au dessus de la caldeira en tête de cygne de Prométhée mais beaucoup plus loin. Elles surgissent aux extrémités des coulées de lave, dans des zones où le sol est recouvert de neige ou de dioxyde de soufre. La vaporisation de cette matière glacée au contact des laves chaudes serait à l'origine des ombrelles éruptives. Le processus serait identique à celui qui se déroule, sur Terre, à Hawaii, sur le Kilauea. Les laves coulent dans des chenaux souterrains et se déversent dans le Pacifique au milieu de spectaculaires panaches de fumée issus de la rencontre de l'eau froide et de la lave brûlante. Il est aussi possible que le givre de dioxyde de soufre s'enfouisse dans le sous-sol et s'accumule en une nappe phréatique de soufre liquide qui se vaporise lorsqu'une coulée de lave chaude le recouvre.

Les champs d'Amirani et de Maui

La région d'Amirani

Les champs de lave d'Amirani

Dans la région du volcan Amirani, les volcans atteignent 4 à 8 km d'altitude mais avec des pentes si douces qu'un promeneur monterait vers le sommet sans s'en rendre compte. Ce qui caractérise ce volcan, observé depuis 20 ans, c'est la profusion et la longueur de ses coulées.

La plus longue coulée de lave du système solaire se trouve ici. Longue de 300 km, elle est sans cesse alimentée par des épanchements monstrueux, non seulement d'Amirani mais aussi d'un volcan voisin, Maui, avec lequel il semble être en train de fusionner. Les deux volcans réunis dégorgent 100 tonnes de laves à la seconde.

Les volcans du Grand Nord (I) : Tvashtar Catena et ses fontaines

Lorsque Galileo survole en juillet puis en novembre 1999 la chaîne de cratères Tvashtar Catena, la magma en fusion est si chaud et si brillant qu'il surexpose la caméra. En se basant sur leur expérience dans des cas semblables, les scientifiques de l'équipe Galileo parviennent à interpréter et à redessiner en partie la surface photographiée.

Interprétation du cliché pris le 26 novembre 1999 En noir et blanc, de gauche à droite, la photo originale, puis son interprétation et un zoom de la zone la plus intéressante (cliquez sur la vignette pour l'agrandir). Le ruban rouge correspond à un rideau de lave qui jaillit d'une fissure de 30 km de long avec des fontaines de lave hautes de 1500 mètres ! Une éruption phénoménale, à ramener toutefois à de plus justes proportions compte tenu de la quasi inexistence d'atmosphère. Sur Terre, les mêmes fontaines ne dépasseraient pas 150 mètres.

Evolution entre le 26 novembre 1999 et le 22 février 2000

L'image de gauche (en couleurs rehaussées pour mieux faire apparaître les différences) est une combinaison de clichés basse et haute résolution. On observe, au sud du rideau de lave, deux autres caldeiras, d'où partent plusieurs coulées de lave. Les plus noires semblent être les plus récentes. Cette chaînes de bouches volcaniques est entourée d'une ESA, haute de 1 km. Elle a été sapée à plusieurs endroits, peut-être par du soufre liquide.

L'image de droite a été prise deux mois après celle de gauche. Les fontaines de lave et la fissure d'où elles partaient ont disparu. Par contre, à l'ouest de cet endroit, une nouvelle coulée de magma en fusion s'allonge sur près de 60 km. Un peu au dessus, les deux points lumineux aux extrémités de coulées noires en forme de "V" correspondent à des laves encore chaudes exposées à la surface.

Les volcans du Grand Nord (II) : naissance d'un volcan

Les images de Cassini mettent en évidence deux grands panaches éruptifs : celui du volcan Pele, près de l'équateur, mesure 390 km de haut ; un second panache s'élève à 150 km d'altitude à proximité du pôle Nord, dans la région de Tvashtar.

Décembre 2000 : la sonde Cassini-Huygens en route vers Saturne et la sonde Galileo, en orbite autour de Jupiter, se croisent et, profitant de cette occasion inespérée, étudient ensemble Jupiter et ses lunes. Tandis que Galileo photographie Io dans la lumière visible, Cassini-Huygens prend des images dans l'ultraviolet de manière à mieux détecter les panaches éruptifs.

Sur les clichés pris par Galileo, on distingue très bien (image du haut) l'habituel anneau rouge de 1300 km de diamètre qui entoure la caldeira de Pele et qui correspond à la retombée des ombrelles de dioxyde de soufre. Et, surprise, sur l'autre hémisphère de Io (image du bas) un anneau tout aussi gigantesque apparaît du côté du pôle. Ces dépôts circulaires proviennent probablement du panache photographié près de Tvashtar par Cassini.

Le panache éruptif découvert conjointement par les sondes Cassini-Huygens et Galileo est-il encore actif plusieurs mois après ? Pour le savoir, les scientifiques programment en août 2001 un survol rapproché au dessus du site.

Le panache observé au tout début de l'année a disparu. Par contre un autre panache qui monte jusqu'à de 500 km d'altitude est découvert. Il provient d'un nouveau volcan.

Avec ses 500 km d'altitude, ce panache éruptif est le plus élevé jamais observé sur Io. Les panaches terrestres ne dépassent pas 55 km d'altitude mais dans une atmosphère infiniment plus dense que celle de Io.

Situé par 41° de latitude Nord et 133° de longitude Ouest, le nouveau volcan est entouré d'un large anneau de matière à la fois sombre et claire. Ces dépôts qui se sont accumulés à une vitesse stupéfiante recouvrent en partie ceux plus rouges encerclant Tvashtar Catena.

Alors que Galileo se trouve à 194 km au dessus de cette zone, elle capture et analyse des particules toutes fraîches, provenant de l'éruption du nouveau volcan. Il s'agit de flocons de neige de dioxyde de soufre. Chaque flocon compte de 15 à 20 molécules assemblées.

Coulée de lave sur la face de Io qui
est toujours tournée vers Jupiter
Vue d'artiste de John Spencer

Cet article a été publié précédemment sur le site Astrobale.com de Sylvie Hugelin. Nous tenons à la remercier de nous avoir donné l'autorisation de le reproduire. Article © Sylvie Hugelin, tous droits réservés