Image ci-dessus en bas à gauche :vue infrarouge Cassini VIMS de Saturne. Le bleu est la lumière infrarouge où la glace d'eau se reflète relativement brillamment. Le rouge est une émission thermique à plus longue longueur d'onde montrant la chaleur des profondeurs de la planète. Le vert correspond aux longueurs d'onde infrarouges où les aurores émettent de la lumière. Image ci-dessus en haut à droite :Phoebe en lumière visible. Phoebe est très sombre, comme du charbon de bois alors que les anneaux sont très brillants en lumière visible comme de la neige légèrement sale. Phoebe n'est pas à l'échelle par rapport à Saturne. Crédit :NASA, JPL, L'équipe VIMS, l'équipe de l'ISS, U. Arizona, D. Machacek, U. Leicester
En développant une nouvelle méthode de mesure à distance des rapports isotopiques de l'eau et du dioxyde de carbone, les scientifiques ont découvert que l'eau des anneaux et des satellites de Saturne ressemble de manière inattendue à l'eau de la Terre, sauf sur la lune de Saturne Phoebe, où l'eau est plus inhabituelle que sur tout autre objet étudié jusqu'à présent dans le système solaire.
Les résultats, trouvé dans l'article d'Icarus "Isotopic Ratios of Saturn's Rings and Satellites:Implications for the Origin of Water and Phoebe" du Planetary Science Institute Senior Scientist Roger N. Clark, signifie également que nous devons changer les modèles de formation du système solaire car les nouveaux résultats sont en conflit avec les modèles existants. Robert H. Brown (U. Arizona), Dale P. Cruikshank (NASA), et Gregg A. Swayze (USGS) sont co-auteurs.
Les isotopes sont différentes formes d'éléments mais avec un nombre différent de neutrons. L'ajout d'un neutron ajoute de la masse à l'élément, et cela peut changer les processus de la façon dont une planète, comète, ou la lune est formée. L'eau est composée de deux atomes d'hydrogène (H) et d'un atome d'oxygène, H2O. Ajout d'un neutron à un atome d'hydrogène, alors appelé deutérium (D), augmente la masse d'une molécule d'eau (HDO) d'environ 5 pour cent, et ce petit changement entraîne des différences isotopiques dans la formation d'une planète, lune, ou comète, et modifie l'évaporation de l'eau après la formation. Le rapport deutérium sur hydrogène (D/H) est une empreinte des conditions de formation, y compris la température et l'évolution dans le temps. L'évaporation de l'eau enrichit en deutérium la surface restante.
Les modèles de formation du système solaire indiquent que le D/H devrait être beaucoup plus élevé dans le système solaire externe plus froid que dans le système interne plus chaud où la Terre s'est formée. Le deutérium est plus abondant dans les nuages moléculaires froids. Certains modèles prédisent que le D/H devrait être 10 fois plus élevé pour le système de Saturne que sur Terre. Mais les nouvelles mesures montrent que ce n'est pas le cas pour les anneaux et les satellites de Saturne, à l'exception de la lune de Saturne Phoebe.
La découverte d'un rapport isotopique inhabituel deutérium sur hydrogène (D/H) pour la lune de Saturne Phoebe signifie qu'elle s'est formée et provient d'une partie éloignée du système solaire, dit Clark. "Le rapport D/H de Phoebe est la valeur la plus élevée jamais mesurée dans le système solaire, impliquant une origine dans le système solaire extérieur froid bien au-delà de Saturne. »
L'équipe a également mesuré le rapport carbone-13 à carbone-12 (13C/12C) sur la lune de Saturne Japet et Phoebe. Japet, qui a également D/H similaire à la Terre, a également 13C/12C proche des valeurs de la Terre, mais Phoebe est presque cinq fois plus élevée dans l'isotope du carbone. La présence de dioxyde de carbone limite la quantité de Phoebe qui aurait pu s'évaporer dans l'espace après sa formation, laissant la seule possibilité que Phoebe se soit formée dans les confins très froids du système solaire, bien plus loin que Saturne, et a ensuite été perturbé dans une orbite où il a été capturé par Saturne. L'origine exacte de Phoebe est inconnue. Il n'y a actuellement aucune mesure de D/H ou 13C/12C pour les surfaces glacées sur les objets de Pluton ou de la ceinture de Kuiper au-delà de Pluton, mais cette nouvelle méthodologie nous permettra de faire de telles mesures des glaces de surface.
Les mesures ont été effectuées à partir du vaisseau spatial Cassini de la NASA à l'aide du spectromètre de cartographie visuel et infrarouge (VIMS) au cours de la mission. Une calibration améliorée de l'instrument, achevé début 2018, permis la précision nécessaire à ces mesures de la lumière réfléchie par les anneaux et les satellites. La nouvelle méthode de mesure des rapports isotopiques sur des solides comme la glace d'eau et la glace de dioxyde de carbone en utilisant la spectroscopie de réflectance à distance permettra de mesurer les rapports isotopiques pour d'autres objets dans tout le système solaire, imposant des contraintes supplémentaires aux modèles de formation du système solaire.
Les valeurs D/H du système Saturne proches des valeurs de la Terre impliquent une source d'eau similaire pour le système solaire interne et externe, et de nouveaux modèles doivent être développés là où le changement du système solaire intérieur au système solaire extérieur est moindre.
La mission Europa Clipper de la NASA pourrait être utilisée pour mesurer les rapports isotopiques sur les satellites galiléens glacés autour de Jupiter, et Clark est co-investigateur de la mission et espère faire de telles mesures.
