La surface d'Europe est une coquille de glace recouvrant un océan mondial et présentant des caractéristiques étonnantes. Longue, des fissures linéaires et des crêtes sillonnent la surface, brisée par des régions de terrain perturbé où la croûte de glace de surface s'est fissurée et a recongelé en de nouveaux motifs. Les couleurs vues sur cette image de la mission Galileo à la fin des années 1990 sont approximativement ce que l'œil humain verrait. Crédit :NASA/JPL-Caltech
La lune de Jupiter, Europe, est définitivement un endroit étrange. Découvert en 1610 par Galileo Galilei, il n'a été vu en détail pour la première fois qu'à la fin des années 1970, après que le vaisseau spatial ait visité le système jovien.
Légèrement plus petite que notre propre lune, Europe pourrait difficilement paraître plus différente. Les deux ont des intérieurs de roche et de métal. Mais Europe est enveloppée dans un océan d'eau salée mondial et recouverte d'une coquille de glace brillante. La coquille est marquée de fissures et de failles et d'endroits marbrés où la glace a été percée par le liquide d'en bas.
Les scientifiques spéculent depuis des décennies sur ce qui se trouve dans cet océan. Son volume est plus grand que tous les océans de la Terre réunis.
Un sismomètre financé par la NASA en cours de développement à l'Arizona State University promet d'atterrir sur la coquille de glace d'Europe et de l'écouter.
Le sismomètre utiliserait les marées naturelles d'Europe et d'autres mouvements pour découvrir l'épaisseur de la coquille, voir s'il contient des poches d'eau - des lacs souterrains - dans la glace, et déterminer avec quelle facilité, et à quelle fréquence, l'eau de l'océan pourrait monter et déborder à la surface.
"Nous voulons entendre ce qu'Europa a à nous dire, " dit Hongyu Yu, de l'École d'exploration de la Terre et de l'espace de l'ASU. "Et cela signifie mettre une" oreille "sensible sur la surface d'Europe."
Des vues rapprochées de la coquille de glace prises par le vaisseau spatial Galileo montrent un nombre incalculable de fractures se coupant les unes aux autres. Les couleurs rougeâtres (améliorées dans cette vue) proviennent des minéraux de l'eau de l'océan qui fuient à travers la coquille et sont bombardés par le rayonnement de Jupiter. Le sismomètre conçu par l'ASU atterrirait sur la coque et détecterait ses mouvements. Crédit :NASA/JPL-Caltech
L'ingénieur des systèmes d'exploration Yu dirige une équipe de scientifiques de l'ASU qui comprend le sismologue Edward Garnero, la géophysicienne Alyssa Rhoden, et ingénieur chimiste Lenore Dai, directeur de l'École d'ingénierie de la matière, Transport et énergie dans les écoles d'ingénieurs Ira A. Fulton.
Investissement technologique
Bien qu'il n'y ait actuellement aucun projet d'envoyer un atterrisseur en Europe, l'équipe a reçu une subvention de la NASA pour développer et tester un sismomètre miniature ne dépassant pas environ 4 pouces (10 centimètres) de côté, ce qui pourrait être crucial pour faire avancer l'exploration future d'Europe. À juste titre, compte tenu de l'endroit où il est créé, le projet s'intitule Sismomètres pour l'exploration du sous-sol d'Europe, ou SESE.
La plupart des sismomètres, que ce soit pour une utilisation sur Terre ou sur d'autres planètes, s'appuyer sur un concept de capteur de masse et de ressort pour détecter les ondes sismiques qui passent. Mais ce type de sismomètre, dit Yu, doit être posé en position verticale, il doit être mis en place avec précaution sans secousses ni secousses majeures, et la chambre où fonctionne le capteur a besoin d'un vide complet pour assurer des mesures précises.
Renflement, des zones brisées dans la coquille de glace d'Europe - surnommées "chaos" - semblent marquer les endroits où des masses d'eau souterraines peuvent exister dans la coquille de glace, comme on le voit dans cette impression d'artiste. De tels lacs pourraient se former lorsque l'eau chaude de l'océan monte et fond dans la coquille, éventuellement créer des niches habitables. Crédit :Britney Schmidt/Dead Pixel VFX/Univ. du Texas à Austin
"Notre conception évite tous ces problèmes, " explique Yu. Le sismomètre SESE utilise un système micro-électromécanique avec un électrolyte liquide comme capteur. " Cette conception a une haute sensibilité à une large gamme de vibrations, et il peut fonctionner à n'importe quel angle par rapport à la surface.
"Et si nécessaire, " il ajoute, "ils peuvent toucher le sol durement à l'atterrissage." Yu note que l'équipe a testé le prototype en le frappant avec une masse. Il a survécu.
En plus d'être extrêmement robuste, le sismomètre SESE promet également de faire avancer l'état de l'art en matière de capteurs. « Nous sommes ravis de l'opportunité de développer des électrolytes et des polymères au-delà de leurs limites de température traditionnelles, " déclare Dai, membre de l'équipe. " Ce projet illustre également la collaboration entre les disciplines. "
Atterrissage ferme nécessaire
Des panaches de vapeur d'eau ont été capturés en éruption par le télescope spatial Hubble en septembre 2016. L'emplacement sur Europa où les panaches sont originaires se trouve dans une zone chaude sur la coquille de glace, identifié des années plus tôt par la sonde Galileo avant la fin de sa mission en 2003. L'un des objectifs majeurs du sismomètre SESE serait de détecter les ondes sismiques d'une telle éruption. Crédit :NASA/ESA/W. Sparks (STScI)/USGS Astrogeology Science Center
La capacité de résister à un atterrissage dur est d'une grande aide, dit Garnero, membre de l'équipe. "Les sismomètres doivent se connecter au sol solide pour fonctionner le plus efficacement possible." S'asseoir sur des matériaux de surface meubles peut isoler l'instrument des ondes sismiques traversant le corps de la lune ou de la planète - ou, sur Europe, sa coquille de glace.
Lander, qui porterait des sismomètres, "ont généralement quatre ou six pattes, " dit Garnero. " Si chaque jambe porte un sismomètre, ceux-ci pourraient être poussés dans la surface à l'atterrissage, un bon contact avec le sol."
En outre, il a dit, avoir un certain nombre de capteurs sur un atterrisseur donne aux scientifiques la possibilité de combiner les données enregistrées à chacun. Cela leur permet de surmonter les vibrations sismiques variables enregistrées par chaque instrument, et cela permet aux scientifiques de dire de quelle direction proviennent les ondes de tremblement de terre.
« Nous pouvons également trier les signaux haute fréquence des signaux plus longs, " expliqua Garnero. Plus le spectre que l'instrument peut détecter est large, plus il détectera de phénomènes. "Par exemple, de petites météorites frappant la surface pas trop loin produiraient des ondes à haute fréquence, et les marées de remorqueurs gravitationnels des lunes voisines de Jupiter et d'Europe rendraient long, vagues lentes."
Quatre capteurs disposés dans un boîtier d'environ 4 pouces de côté constituent le module de test du sismomètre du projet SESE. Les différentes orientations du capteur permettent à l'instrument de fonctionner quelle que soit la manière dont il atterrit sur la surface. Crédit :Hongyu Yu/ASU
Alors, à quoi ressemblerait Europa ?
Garnero éclata de rire. "I think we'll hear things that we won't know what they are."
Mais, il a dit, "ice being deformed on a local scale would be high in frequency—we'd hear sharp pops and cracks. From ice shell movements on a more planetary scale, I would expect creaks and groans."
Ocean world
Europa can be glimpsed in binoculars from the backyard as it circles Jupiter once every 85 hours. But it's just a point of light, looking no different from what Galileo saw when he discovered it.
The Europa that scientists study today, cependant, is more properly considered an ocean world. This is because of two flyby spacecraft (NASA's Voyager 1 and 2) and an orbiter (NASA's Galileo) that spent eight years at Jupiter. Long-distance observations of Europa also have come from the Hubble Space Telescope orbiting Earth, which detected plumes of water vapor erupting from the shell in 2012 and 2016.
"At Europa, we're trying to use seismometers to determine where the liquid water lies within the ice shell, " team member Rhoden said. "We want to know how active the ice shell is."
The answers to these questions are important to the future exploration of this moon and its habitability, elle a dit. "An active shell with pockets of water creates more niches for life and more ways to transport nutrients from the ocean to the surface."
Locating these pockets on Europa would allow future lander missions to possibly sample ocean water brought up through the ice shell.
Just how active is Europa?
"Nous ne savons pas, " Rhoden said. The surface is geologically young, with an approximate age (based on numbers of craters) of 50 to 100 million years. "It may have undergone an epoch of activity early in that period and then shut down." But it's equally possible, elle dit, that the shell is experiencing fractures, uplifts, offsets, and melt-throughs today.
"Hubble's recent plume observations last fall appear to support that."
As Europa orbits Jupiter, it gets repeated tugs from the gravity of neighbor moons Io and Ganymede. These tugs keep Europa's orbit from becoming circular and that lets Jupiter stress the shell—and then let it relax—over and over, endlessly. Ainsi, Rhoden said, seismometers on the surface should detect any ongoing activity in the shell.
The team developing the SESE seismometer has its sights on Europa, but they are also looking beyond, because the design is robust and adaptable. This could let it become something of a universal instrument for seismology on other worlds.
As team leader Yu explains, "With modification to fit local environments, this instrument should work on Venus and Mars, and likely other planets and moons, trop."
