Comme sur Terre, l'eau sur d'autres planètes, satellite, et même les comètes se présentent sous diverses formes en fonction de plusieurs facteurs tels que la pression et la température. A part le gazeux, liquide, et les états solides auxquels nous sommes habitués, l'eau peut former un type différent de solide cristallin appelé hydrate de clathrate. Bien qu'ils ressemblent à de la glace, les hydrates de clathrate ont en fait de petites cages à base d'eau dans lesquelles des molécules plus petites sont piégées. Ces molécules « invitées » piégées sont essentielles pour préserver la structure cristalline des hydrates de clathrate, qui autrement "s'effondrerait" en glace ou en eau ordinaire.

Les hydrates de clathrate jouent un rôle crucial dans l'évolution de l'atmosphère d'une planète ou d'un satellite; des gaz volatils tels que le méthane sont stockés dans ces cristaux et libérés lentement sur des échelles de temps géologiques. En raison du temps énorme nécessaire pour que les hydrates de clathrate se forment et se dissocient à des températures cryogéniques, il s'est avéré très difficile de mener des expériences sur Terre pour prédire leur présence dans d'autres corps célestes.

Dans une étude récente publiée dans Le Journal des sciences planétaires , une équipe de scientifiques a abordé ce problème avec une combinaison de données théoriques et expérimentales. Scientifique principal, Professeur Hideki Tanaka de l'Université d'Okayama, Japon, explique :« Pendant de nombreuses années, nous avons développé une théorie de la mécanique statistique rigoureuse pour estimer et prédire le comportement des hydrates de clathrate. Dans cette étude particulière, nous nous sommes concentrés sur l'extension de cette théorie à la plage de température cryogénique, jusqu'à la limite de 0 K."

Un défi notable était d'établir théoriquement les conditions pour la formation et la dissociation des hydrates de clathrate en équilibre thermodynamique à des températures extrêmement basses. Cela était nécessaire pour utiliser le modèle renommé de coexistence eau/hydrate/invité dans les hydrates de clathrate proposé par van der Waals et Platteeuw en 1959. Tanaka, Yagasaki, et Matsumoto a révisé cette théorie pour l'adapter aux conditions cryogéniques qui seraient trouvées en dehors de la Terre et a corroboré sa validité sur la base de données thermodynamiques recueillies par des sondes spatiales.

Puis, les scientifiques ont utilisé cette nouvelle théorie pour analyser les états de l'eau sur la lune Titan de Saturne, les lunes de Jupiter Europe et Ganymède, et Pluton. Selon leur modèle, il y a un contraste remarquable dans les formes stables de l'eau trouvées sur ces corps célestes. Alors qu'Europe et Ganymède ne contiennent que de la glace régulière en contact avec l'atmosphère mince, toute l'eau à la surface de Titan, et peut-être Pluton, se présente sous la forme d'hydrates de clathrate. "C'est remarquable, " dit Tanaka, "qu'un état spécifique de l'eau apparaît exclusivement dans différentes surfaces satellites et planétaires en fonction de la température et de la pression. En particulier, l'eau de Titan semble être complètement sous la forme d'hydrates de clathrate contenant du méthane jusqu'à la surface depuis le haut de son océan souterrain."

L'extension de la théorie disponible sur les hydrates de clathrate aux températures cryogéniques permettra aux chercheurs de corroborer et de réviser les interprétations actuelles sur les formes d'eau stables dans l'espace et sur les corps célestes. Ces informations seront indispensables pour comprendre l'évolution des atmosphères planétaires, débloquer une autre pièce du puzzle dans notre quête pour comprendre l'évolution de notre planète et du reste de l'univers.