29 Septembre 2015

67P : des changements importants observés à la surface du noyau avant le périhélie

Olivier Groussin (Laboratoire d’astrophysique de Marseille) est le 1er auteur d’une lettre récemment publiée par la revue scientifique Astronomy & Astrophysics. Cette lettre présente les rapides changements morphologiques observés dans la région Imhotep (grand lobe), avec l’instrument OSIRIS de Rosetta, entre le 24 mai et le 11 juillet, soit plusieurs semaines avant le passage au plus près du Soleil – périhélie le 13 août 2015 – de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko.
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Cette séquence de 10 images montre les changements observés à la surface de la région Imhotep sur le noyau de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko. Elles ont été réalisées entre le 24 mai et le 11 juillet 2015 à l’aide de la caméra OSIRIS-NAC de Rosetta.
Crédits : ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

Des changements à la surface d’un noyau cométaire ont déjà été observés lorsque la sonde américaine Stardust a survolé la comète 9P/Tempel 1 en 2011, soit près d’un passage au périhélie après le premier survol de cet astre par la sonde Deep Impact en 2005. Mais il n’y avait alors aucun moyen de savoir comment ces changements s’étaient déroulés. L’énorme avantage de la sonde Rosetta est que, depuis le mois d’août 2014, elle permet un suivi régulier de l’activité et de la transformation du noyau de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko.

Depuis l’arrivée de la sonde Rosetta à côté du noyau de 67P, l’activité des jets de gaz et de poussière est allée crescendo mais aucun changement de grande ampleur n’avait été repéré à la surface avant la fin du mois de mai dernier, pouvez-vous nous expliquer ce que vous avez observé, où et comment ?

Olivier Groussin : « Nos observations concernent la région Imhotep que nous étudions depuis le mois d’août 2014. Dès les premières images suffisamment résolues de la caméra OSIRIS-NAC, nous avions remarqué ce grand terrain lisse et des structures circulaires en surface. Cette zone nous a toujours paru comme une région extrêmement diverse et intéressante du point de vue morphologique. Il se trouve que, dans l’équipe OSIRIS, nous nous partageons le travail de surveillance de la surface et mes collègues du LAM et moi-même surveillons en particulier Imhotep. Bien sûr, nous attendions des changements à l’approche du périhélie. Cela faisait des mois que nous guettions la moindre évolution et nous n’avons donc pas été vraiment surpris lorsque, fin mai, nous avons commencé à voir ces transformations morphologiques. Ce qui était inattendu, en revanche, c’était qu’elles se produisaient dans les zones lisses. »


Olivier Groussin. Crédits : François Moura.

On pensait plutôt que la région d’Imhotep était une zone où des poussières plus ou moins volumineuses éjectées par l’activité de dégazage ailleurs sur le noyau s’étaient déposées ?

OG : « Oui, c’est cela. Imhotep est une cuvette et c’est un endroit ou naturellement la matière a tendance à s’accumuler. Nous pensions donc que cette zone lisse était le résultat d’une accumulation progressive de matière et nous ne pensions pas qu’elle allait se transformer aussi rapidement. »

  Les structures approximativement circulaires qui ont commencé à apparaître à la surface d’Imhotep fin mai s’étendent de plusieurs mètres par rotation du noyau  

Quand vous dîtes « aussi rapidement » cela signifie à quelle vitesse ?

OG : « Les structures approximativement circulaires qui ont commencé à apparaître à la surface d’Imhotep fin mai s’étendent de plusieurs mètres par rotation du noyau, c’est-à-dire plus de 20 cm par heure en moyenne. On pourrait presque suivre la transformation du paysage à l’œil nu si on se trouvait sur place ! »

Sur les images, on a l’impression que les structures sont des zones d’effondrements dont les bordures s’étendent, avez-vous pu estimer la hauteur de ces bordures ?

OG : « Nous estimons que le bord des nouvelles formations circulaires mesure près de 5 m de haut, plus ou moins 2 m. »

Est-ce que vous avez essayé de réaliser des time-lapse pour montrer l’expansion de ces structures ?

OG : « Le problème c’est que notre résolution spatiale avec la caméra OSIRIS-NAC au moment de ces observations n’était que de quelques mètres par pixel donc nous ne pouvions pas espérer suivre l’expansion "en direct". Mais, d’observation en observation, le taux de progression est resté constant et à peu près du même ordre de grandeur, 20 à 30 cm par heure. Nos observations étaient typiquement espacées de quelques heures à quelques jours, nous ne savons donc pas si le front avance de façon continue ou s’il progresse par à-coups. Peut-être que chaque jour, à chaque passage au Soleil il y a une avancée et puis que cela s’arrête la nuit avant de reprendre le jour suivant après quelques heures d’ensoleillement. »

Comment cette région Imhotep était-elle éclairée à l’approche du périhélie ?

OG : « En mai-juin, durant la période où nous avons commencé à constater ces changements, le Soleil passait au zénith d’Imhotep à midi, nous étions donc en conditions d’ensoleillement maximal pour cette région. Par la suite, au périhélie, le Soleil privilégiait l’hémisphère Sud du noyau. »

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Même séquence de 10 images que ci-dessus avec les dates et l’indication des 5 principales zones de changements. Le trait blanc sur la première image donne l’échelle. La résolution évolue de 4,3 m/pixel fin mai à 3 m/pixel mi-juillet. L’insert a) indique la position de la région Imhotep sur le grand lobe et l’insert b) montre la région avec une résolution de 1 m/pixel en septembre 2014, soit avant le début des changements. Toutes les images ont été obtenues avec la caméra OSIRIS-NAC de Rosetta.
Crédits : ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

La lettre que vous avez publiée dans Astronomy & Astrophysics évoque les transformations observées jusqu’à la mi-juillet, est-ce que cela a continué durant les semaines suivantes ?

OG : « Oui, il fallait bien arrêter nos observations à une date pour publier, mais les changements ont continué et nous observons toujours des transformations à la surface du noyau dans cette région. Nous montrerons de nouvelles images prochainement. »

  les changements ont continué et nous observons toujours des transformations à la surface du noyau dans cette région 

Est-ce que l’on peut imaginer qu’une fois que la transformation se sera étendue sur l’ensemble des zones lisses d’Imhotep, une nouvelle terrasse se formera à l’intérieur de la première ?

OG : « Ce que nous pouvons constater, c’est que sur le bord des zones lisses d’Imhotep il y a effectivement des sortes d’escarpements, des terrasses. Donc, effectivement, nous nous demandons si nous assistons à la création d’une nouvelle terrasse lors de ce passage au périhélie. Mais l’analyse scientifique est complexe. Nous avons étudié ce qui se passait dans la coma pendant que nous observions les transformations dans Imhotep et nous n’avons pas noté de sursaut d’activité, en tout cas, pas à la hauteur du phénomène observé : c’est évident qu’il n’y a pas 5 m d’épaisseur de matière sur plusieurs centaines de mètres carrés qui ont été éjectés du noyau. Si c’était le cas, nous aurions une quantité de poussière phénoménale autour du noyau et cela provoquerait un sursaut d’activité extraordinaire, qui serait même détectable depuis la Terre. Donc, nous sommes sûrs qu’une large proportion de la matière s’effondre et reste sur place lors de la formation de cette marche. Quelle est la fraction qui est éjectée, quelle est celle qui reste sur place, et surtout quelle est la quantité de gaz éjectée, c’est impossible à savoir avec les données d’OSIRIS. Nous discutons avec les responsables des instruments de Rosetta capables de faire ce type de mesures pour essayer de mieux comprendre le mécanisme qui est à l’œuvre dans les zones lisses d’Imhotep. »

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Images de la région Imhotep prises sous un angle presque rasant par la caméra OSIRIS-NAC de Rosetta les 23 mai et 23 juin 2015 (pratiquement à la même heure locale), soit juste avant la détection des premiers changements et alors que ces changements étaient en plein développement. Les flèches A et B indiquent la verticale des deux premières zones de changements repérées et signalent donc l’endroit où l’on aurait dû voir une augmentation significative de l’activité si des jets avaient été associés aux transformations de la surface. Crédits : ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

Vous observez en fait les conséquences d’un mécanisme que vous n’expliquez pas encore ?

OG : « Oui, c’est bien cela. Ce qui est sûr, c’est qu’il ne s’agit pas uniquement d’un mécanisme simple de sublimation de la glace, car ce serait beaucoup plus lent, sans doute près de 10 fois plus lent que ce que nous observons. Il y a donc nécessairement d’autres mécanismes en jeu. La sublimation de la glace peut déstabiliser de grands pans de la surface, ce qui peut accélérer le processus, mais on peut aussi imaginer qu’il y ait de la glace amorphe sous la surface. C’est un état particulier de la glace d’eau à très basse température ; lorsqu’elle se réchauffe, cette glace amorphe devient cristalline ce qui libère de l’énergie, c’est une réaction exothermique, une réaction qui produit de la chaleur et peut donc entretenir et accélérer le processus. Une autre possibilité proviendrait de la présence de clathrates formés de molécules de monoxyde et de dioxyde de carbone piégées dans une matrice de glace d’eau. Si ces clathrates sont déstabilisés par une augmentation de la température, ils peuvent libérer les molécules piégées, ajouter de l’énergie au système et contribuer à l’accélération des processus de changement de la surface. Mais il faut bien comprendre que tout cela est très hypothétique et que, aujourd’hui, nous ne connaissons pas encore le mécanisme à l’origine des transformations que nous observons dans Imhotep. L’apport des autres instruments de Rosetta sera important : par exemple, si une forte émission de monoxyde et de dioxyde de carbone est détectée, cela pourrait être un argument en faveur de la présence des clathrates. »

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Images prises avec des filtres colorés par la caméra OSIRIS-NAC de Rosetta les 18 juin, 2 et 11 juillet 2015. Les images de la colonne de gauche ont été prises avec un filtre orange (649 nm), celles de la deuxième colonne montrent le ratio entre les images prises avec le filtre bleu (481 nm) et celles prises avec le filtre orange le 18 juin et le 2juillet, et le ratio entre l’image prise avec le filtre bleu et celle prise avec le filtre rouge (701 nm) le 11 juillet ; la troisième colonne montre des images obtenues en compositant les images des deux premières colonnes. Les flèches jaunes indiquent quelques-unes des formations récemment apparues à la surface du bassin d’Imhotep. Ces documents montrent que certaines zones réfléchissent moins l’orange et le rouge que le bleu, elles apparaissent en blanc dans la colonne centrale et révèlent la présence de glace à la surface ou juste sous la surface.
Crédits : ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

L’équipe du LAM a suivi les changements dans Imhotep, mais est-ce que d’autres équipes qui surveillaient d’autres régions du noyau ont également observé des changements durant la période du périhélie ?

OG : « Oui, mais rien ne semble avoir été aussi rapide et vaste que dans le bassin d’Imhotep. Mi-juillet, les transformations s’étendaient sur près de 40 % de la surface du bassin et, aujourd’hui, on doit dépasser les 70 %. »

  Mi-juillet, les transformations s’étendaient sur près de 40 % de la surface du bassin et, aujourd’hui, on doit dépasser les 70 %  

Est-ce que vous avez observé de nouvelles modifications de la surface dans les zones où le changement avait commencé, une nouvelle marche en cours de formation par exemple, ou bien est-ce que ces nouvelles zones sont restées stables ?

OG : « Il est un peu trop tôt pour pouvoir répondre à cette question, mais, de toute évidence, les changements observés sont saisonniers, ils se produisent autour du périhélie, lorsque l’ensoleillement est le plus puissant. Est-ce qu’il peut y avoir plusieurs vagues de changements lors d’un même périhélie, nous ne le savons pas. Il semblerait néanmoins que cela ne se produise qu’une seule fois par périhélie, probablement lorsque l’onde de chaleur atteint les matériaux volatils à quelques mètres de profondeur. Il nous faut à présent expliquer comment ces matériaux volatils réagissent à l’arrivée de cette onde de chaleur périhélique et initient le processus d’érosion que nous observons. »

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