L'environnement sur Titan, La plus grosse lune de Saturne, peut sembler étonnamment familier :les nuages ​​se condensent et pleuvent à la surface, alimentant les rivières qui se jettent dans les océans et les lacs. En dehors de la Terre, Titan est le seul autre corps planétaire du système solaire avec des rivières qui coulent activement, bien qu'ils soient alimentés par du méthane liquide au lieu de l'eau. Il y a longtemps, Mars a également accueilli des rivières, qui a parcouru des vallées sur sa surface maintenant aride.

Les scientifiques du MIT ont découvert qu'en dépit de ces similitudes, les origines de la topographie, ou des élévations de surface, sur Mars et Titan sont très différents de celui sur Terre.

Dans un article publié en Science , les chercheurs rapportent que Titan, comme Mars mais contrairement à la Terre, n'a subi aucune tectonique des plaques active dans son passé récent. Le bouleversement des montagnes par la tectonique des plaques dévie les chemins empruntés par les rivières. L'équipe a découvert que cette signature révélatrice manquait dans les réseaux fluviaux sur Mars et Titan.

"Alors que les processus qui ont créé la topographie de Titan sont encore énigmatiques, cela exclut certains des mécanismes que nous connaissons le mieux sur Terre, " dit l'auteur principal Benjamin Black, ancien étudiant diplômé du MIT et maintenant professeur assistant au City College de New York.

Au lieu, les auteurs suggèrent que la topographie de Titan peut croître à travers des processus tels que des changements dans l'épaisseur de la croûte glacée de la lune, en raison des marées de Saturne.

L'étude apporte également un éclairage sur l'évolution du paysage sur Mars, qui abritait autrefois un immense océan et des rivières d'eau. L'équipe du MIT fournit la preuve que les principales caractéristiques de la topographie martienne se sont formées très tôt dans l'histoire de la planète, influencer les trajectoires des systèmes fluviaux plus jeunes, alors même que les éruptions volcaniques et les impacts d'astéroïdes ont marqué la surface de la planète.

"Il est remarquable qu'il y ait trois mondes dans le système solaire où les rivières qui coulent ont creusé dans le paysage, soit actuellement, soit dans le passé, " dit Taylor Perron, professeur agrégé de géologie au Département de la Terre du MIT, Sciences de l'atmosphère et des planètes (EAPS). "Il y a cette incroyable opportunité d'utiliser les reliefs créés par les rivières pour apprendre à quel point les histoires de ces mondes sont différentes."

Les co-auteurs de Perron et Black comprennent l'ancienne étudiante de premier cycle du MIT Elizabeth Bailey et des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley, l'Université de Californie à Santa Cruz, et l'Université de Stanford.

Flux flous

Depuis 2004, Le vaisseau spatial Cassini de la NASA a fait le tour de Saturne et a renvoyé sur Terre des images époustouflantes des anneaux et des lunes de la planète. Les images de la surface de Titan ont donné aux scientifiques une première vue des vallées fluviales de la lune, dunes de sable ondulantes, et les modèles météorologiques actifs. Cassini a également effectué des mesures approximatives de la topographie de Titan à certains endroits, bien que ces mesures soient beaucoup plus grossières en résolution.

Perron et Black se sont demandé s'ils pourraient affiner leur vision de la topographie de Titan en appliquant ce que l'on sait de la topographie de la Terre et de Mars, et comment leurs rivières ont évolué.

Par exemple, sur Terre, le processus de la tectonique des plaques a continuellement remodelé le paysage, pousser les chaînes de montagnes entre les plaques continentales en collision, et l'ouverture des bassins océaniques alors que les masses continentales se séparent lentement. Rivières, donc, s'adaptent en permanence aux changements de topographie, contournant les chaînes de montagnes en croissance pour atteindre l'océan.

Mars, d'autre part, est pensé pour avoir été formé principalement pendant la période d'accrétion primordiale et le soi-disant bombardement lourd tardif, lorsque les astéroïdes ont creusé d'énormes bassins d'impact et poussé d'énormes volcans.

Les scientifiques disposent désormais de cartes bien définies des réseaux fluviaux et de la topographie sur Terre et sur Mars, ainsi qu'une compréhension croissante de leurs histoires respectives. Perron et Black ont ​​utilisé cette fondation pour mieux comprendre l'histoire topographique de Titan.

"Nous savons quelque chose sur les rivières, et quelque chose sur la topographie, and we expect that rivers are interacting with topography as it evolves, " Black says. "Our goal was to use those pieces to crack the code of what formed the topography in the first place."

Conforming with topography

The team first compiled a map of river networks for Earth, Mars, and Titan. Such maps were previously made by others for Earth and Mars; Black generated a river map for Titan using images taken by Cassini. For all three maps, the researchers marked the direction each river appeared to flow.

They then compared topographic maps for all three planetary bodies, at varying degrees of resolution. Maps of Earth are sharp in detail, as are those for Mars, showing mountain peaks and impact basins in high relief. Par contre, due to Titan's thick, hazy atmosphere, the global map of Titan's topography is extremely fuzzy, showing only the broadest features.

In order to make direct comparisons between topographies, the researchers dialed down the resolution of maps for Earth and Mars, to match the resolution available for Titan. They then superimposed maps of each planetary body's river networks, onto their respective topographies, and marked every river that appeared to flow downhill.

Bien sûr, rivers only flow downhill. But the team observed that rivers might appear to flow uphill, simply because a map at low resolution may not capture finer details such as mountain ranges which would divert a river's flow.

When the researchers tallied the percentage of rivers on Titan that appeared to flow downhill, the number more closely matched with Mars. They also compared what they called "topographic conformity"—the degree of divergence between a topography's slope and the direction of a river's flow. Ici aussi, they found that Titan resembled Mars over Earth.

"One prediction we can make is that, when we eventually get more refined topographic maps of Titan, we will see topography that looks more like Mars than Earth, " Perron says. "Titan might have broad-scale highs and lows, which might have formed some time ago, and the rivers have been eroding into that topography ever since, as opposed to having new mountain ranges popping up all the time, with rivers constantly fighting against them."

Filling in a picture

One last question the researchers looked to answer was how cratering due to asteroid impacts on Mars has reshaped its topography.

Black used a simulation that the group previously developed, to model river erosion on Mars with different impact cratering histories. He found that the pattern of river networks on Mars today limits the extent to which cratering has remodeled the surface of Mars. This suggests that the biggest impact craters formed very early in Mars' history, and that later pummeling by asteroids mostly dented and dinged the surface.

As Cassini's mission is scheduled to come to an end in September, Perron says further investigation of Titan's surface will help to guide future missions to the distant moon.

"Any way of filling in the details of what Titan's surface is like, beyond what we can see directly in the images and topography Cassini has collected, will be valuable for planning a return, " Perron says.