Des acides aminés sur Titan ?

Par Olivier Poch, Doctorant, au LISA,

Titan, la plus grosse lune de Saturne, est actuellement l’un des objets les plus étudiés du Système Solaire. Il est le seul satellite à posséder une atmosphère dense permettant la précipitation et l’écoulement d’un fluide à sa surface, comme la Terre. Mais bien que des processus similaires à ceux que l’on connaît sur Terre surviennent sur Titan, les ingrédients y sont totalement différents. Dans ce monde extraterrestre où la température à la surface avoisine les -180°C, les galets et les montagnes sont constitués de glace d’eau aussi dure que nos roches terrestres, et le liquide qui ruisselle et remplit les lacs de Titan est de l’éthane liquide et non de l’eau ! (voir « Titan : un monde si éloigné, et en même temps si proche du notre ? »)

Par ailleurs, l’atmosphère de Titan est le siège d’une chimie très active, amorcée par la dissociation des composés majoritaires que sont le diazote N₂ et le méthane CH₄, sous l’effet du rayonnement UV solaire et de particules énergétiques provenant de la magnétosphère de Saturne. Ainsi amorcée dès la très haute atmosphère, cette chimie complexe va former de nombreux produits dont des macromolécules qui, agrégées les unes aux autres, formeront des aérosols, particules solides d’environ 0,5 micron de diamètre. Ces aérosols constituent la brume de Titan, bien connue pour l’opacité et la couleur orangée qu’elle donne à son atmosphère.

Titan vu par la sonde Cassini-Huygens en juin 2009. (crédits : NASA/JPL/Space Science Institute)

Une fois produits dans la haute atmosphère, ces aérosols vont être transportés dans les couches plus basses. Ils pourront alors sédimenter à la surface ou bien servir de noyaux de condensation pour certains gaz et précipiter sous forme de pluies à la surface de Titan.

Le destin de ces aérosols une fois déposés à la surface fait l’objet de plusieurs études depuis ces dernières années^1,2,3. Ces travaux sont réalisés à partir d’aérosols produits en laboratoire par des dispositifs expérimentaux qui simulent la chimie à l’œuvre dans l’atmosphère de Titan. L’application d’une haute tension à un mélange de diazote et de méthane porté à environ -150°C (température représentative de la stratosphère de Titan) conduit, au bout de quelques jours, à la production de particules solides qui sont des analogues des aérosols de Titan. C’est grâce à une expérience de ce type menée au LISA à Créteil, et soutenue par le CNES, que des analogues d’aérosols ont pu être produits et soumis à des conditions environnementales qu’ils pourraient connaître à la surface ou sous-surface de Titan.

En effet, une des conditions qui pourraient être des plus favorables pour l’évolution chimique des aérosols déposés serait leur mélange dans de l’eau en phase liquide. Bien que la température de surface de Titan (-180°C) ne permet pas la présence d’eau sous forme liquide, quelques réservoirs pourraient être trouvés en surface ou sous-surface. Ainsi, une activité cryovolcanique –ou volcanisme de glace d’eau– est suspectée sur Titan : des coulées d’eau mélangée à de l’ammoniac pourraient être répandues à la surface via des cratères volcaniques. Ce cryo-magma proviendrait d’un océan d’eau liquide ammoniaquée situé sous 40 km, et dont la présence est aujourd’hui confortée par plusieurs indices (cf. vidéo ci-dessous).

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Vidéo récente du cratère d’un possible cryo-volcan (1000 m d’altitude), dans la région de Sotra Facula sur Titan. Ce film a été réalisé à partir de données collectées par les instruments de la sonde Cassini-Huygens. La topographie a été exagérée d’un facteur 10 et les fausses couleurs indiquent les différences de composition des sols. (crédits : NASA/JPL-Caltech/USGS/University of Arizona)

Par ailleurs, des modèles montrent que des poches d’eau liquides pourraient être formées en sous-surface suite à l’énergie dégagée par des impacts cométaires ou météoritiques^4,5.  Ce processus a dû être à l’œuvre durant toute l’histoire de Titan et sur une large part de sa surface, offrant un milieu propice à l’évolution des aérosols en phase aqueuse.

Les analogues d’aérosols synthétisés au LISA ont donc été placés en solution aqueuse ammoniaquée pendant dix semaines, à des températures représentatives de celles de la surface de Titan. Après cette période d’évolution, les échantillons ont été analysés par chromatographie à phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse, en ayant subi au préalable une fonctionnalisation chimique. Ce protocole expérimental a permis pour la première fois de quantifier certains produits.

On sait depuis les années 80 et les travaux⁶ de Bishun Khare et Carl Sagan que l’hydrolyse acide à haute température des analogues d’aérosols de Titan conduit à la production d’urée et d’acides aminés. Cependant, ces conditions sont très éloignées de celles rencontrées sur Titan. La présente étude réalisée par Sandra Ramírez-Jiménez de l’Université Autonome de l’Etat de Morelos au Mexique et ses collaborateurs du LISA et du LGPM montre que ces molécules sont également produites dans des conditions plus représentatives de l’environnement de Titan. Ainsi, de l’urée, de la glycine, de l’alanine et d’autres produits ont été formés par hydrolyse de 10 mg d’analogue d’aérosols dans des solutions d’ammoniaque de 3 à 25% conservées à -177°C pendant 10 semaines. Les rendements mesurés, de l’ordre de 0,1 %, indiquent que les quantités d’urée et d’acides aminés ainsi produites seraient détectables par un appareil d’exploration in situ de Titan.

Photographie (à gauche) de l’expérience PLASMA développée au LISA et permettant de synthétiser des analogues d’aérosols de Titan, vus au microscope électronique (à droite). (crédits : C. Brassé/P. Coll/LISA)

Ces résultats mettent en lumière une évolution possible des aérosols dans des conditions réalistes de la surface ou sous-surface de Titan. Formés d’azote, de carbone et d’hydrogène, ces composés complexes s’avèrent très réactifs en milieu aqueux et peuvent ainsi évoluer chimiquement en incorporant de l’oxygène dans leur structure. La production de molécules d’intérêt prébiotique comme les acides aminés, qui constituent des briques primordiales de la vie sur Terre, invite à s’interroger sur une éventuelle complexification ultérieure de la matière organique sur Titan ou dans un potentiel océan sous-terrain.

L’étude du devenir des aérosols de Titan constitue ainsi une piste pour comprendre l’évolution de la matière organique et les mécanismes qui mènent peut-être à l’apparition de la vie sur un autre monde.

Pour en savoir plus :

Ramírez, S.I., Coll, P., Buch, A., Brassé, C., Poch, O., Raulin, F., 2010. The fate of aerosols on the surface of Titan. Faraday Discuss. 147, 419-427.

Bibliographie :

(1)  Neish, C.D., Somogyi, A., Smith, M.A., 2010. Titan’s Primordial Soup: Formation of Amino Acids via Low-Temperature Hydrolysis of Tholins. Astrobiology 10, 337-347.

(2)  Neish, C.D., Somogyi, Á., Lunine, J.I., Smith, M.A., 2009. Low temperature hydrolysis of laboratory tholins in ammonia-water solutions: Implications for prebiotic chemistry on Titan. Icarus 201, 412-421.

(3)  Nguyen, M.-J., Raulin, F., Coll, P., Derenne, S., Szopa, C., Cernogora, G., Israël, G., Bernard, J.-M., 2008. From Titan’s tholins to Titan’s aerosols: Isotopic study and chemical evolution at Titan’s surface. Advances in Space Research 42, 48-53.

(4)  Artemieva, N., Lunine, J.I., 2005. Impact cratering on Titan II. Global melt, escaping ejecta, and aqueous alteration of surface organics. Icarus 175, 522-533.

(5)  Thompson, W.R., Sagan, C., 1992, Organic Chemistry on Titan: surface interactions. Symposium on Titan, ESA Publications Division, 167-176.

(6)  Khare, B.N., Sagan, C., Ogino, H., Nagy, B., Er, C., Schram, K.H., Arakawa, E.T., 1986. Amino acids derived from Titan Tholins. Icarus 68, 176-184.