1L’eau, bien sûr, est présente sur Terre. Elle est présente sous forme de glace dans les cratères polaires de la Lune et de Mercure, et d’un peu de vapeur d’eau dans l’atmosphère de Vénus. Mars possède de la vapeur d’eau atmosphérique, deux calottes polaires, et de la glace d’eau dans son sous-sol ; de l’eau liquide y coulait à sa surface dans un passé lointain. Les comètes, Pluton, les satellites des planètes externes sont majoritairement constitués de glace. Sept de ces corps lointains possèdent des océans sous-glaciaires, dont ceux d’Europe et d’Encelade qui ont des conditions qui y permettraient la vie.

L’eau dans l’Univers et dans les systèmes planétaires : la théorie

2Juste après le Big bang, l’Univers n’était constitué que d’hydrogène, d’hélium et d’un soupçon de lithium. Quelques centaines de millions d’années plus tard, se sont formées les étoiles et les galaxies. Dans ces étoiles, des réactions nucléaires ont formé tous les éléments plus lourds. Le résultat, 13,8 milliards d’années plus tard, est un Univers, formé principalement d’hydrogène et d’hélium, mais avec aussi de l’oxygène, du silicium, du magnésium…

3Une étoile se forme par effondrement gravitaire d’un nuage de gaz et de poussière ayant globalement la composition de l’Univers (cf. figure 1). À proximité du cœur du nuage qui va devenir l’étoile centrale, la température est élevée. Seuls silicates et fer sont sous forme de poussières solides, flottant dans du gaz constitué d’H₂ et d’He, avec des traces de vapeur d’eau, de méthane, d’ammoniac… Dans les parties externes du nuage, la température est très basse, et H₂O surtout, mais aussi CH₄, NH₃ … sont sous forme de cristaux de givre solides, associés aux autres solides que sont silicates et fer. Sauf cas particulier, le givre d’H₂O correspond à au moins la moitié de la masse de toutes ces poussières.

4Les planètes et leurs satellites se font formés par accrétion de ces poussières. Les corps solides accrétés près de l’étoile centrale doivent donc théoriquement être quasi anhydres, formés de silicates (très peu hydratés) et de fer. La chaleur d’accrétion a dû faire s’échapper la majorité du peu d’eau initialement présent dans les silicates. Les corps solides accrétés loin de l’étoile centrale doivent être majoritairement constitués de glace d’eau, avec en plus un peu de glace d’ammoniac, de méthane…, et aussi un mélange fer + silicates (pour une masse inférieure à 50 % de la masse totale). Les plus gros de ces corps majoritairement faits de glace ont pu attirer l’hydrogène et l’hélium de la nébuleuse en effondrement et se sont retrouvés entourés d’une épaisse couche de gaz. Ainsi ont dû naître des planètes dites géantes ou gazeuses.

5Immédiatement après que ces planètes majeures se soient formées, les masses des éventuelles planètes géantes ont pu perturber les orbites de multiples petits corps externes, non encore accrétés en planètes majeures, corps très riches en glace. Ces corps glacés ont pu tomber sur les corps du système stellaire interne et ont pu y apporter, pendant quelques dizaines de millions d’années, une faible quantité « d’eau additionnelle », ainsi que d’autres volatils (CH₄, …). On parle de « vernis tardif ».

Fig. 2 - Représentation d’artiste de la formation d’un système planétaire autour d’une étoile.

L’eau du système solaire interne

6La Terre est très pauvre en eau. Elle contient environ 10²¹ kg d’eau, soit 0,1 % des 10²⁴ kg qui constituent la masse de la Terre. La moitié environ de cette eau forme les océans (5/7 de la surface de la Terre, mais sur seulement 4 à 5 km d’épaisseur alors que le rayon de la Terre mesure 6 371 km). L’autre moitié est dispersée, contenue dans les minéraux des roches, en particulier celles du manteau qui en contiennent entre 0,1 et 0,5 pour mille.

7Cette pauvreté de la Terre en eau s’explique par son origine. Quand la Terre s’est formée, elle a dû se faire par accrétion de poussières et de petits corps assez proches du soleil en formation, poussières et petits corps pauvres en eau.

8Une bonne partie de cette eau dite primordiale a dû s’échapper dans l’espace lors de l’accrétion à cause de la chaleur dégagée par cette accrétion, et à cause du choc qui a formé la lune 50 à 100 millions d’années après la formation de la Terre. Mais le vernis tardif a dû apporter de l’eau supplémentaire à celle qui restait après la formation de la Lune. On espère que des études géochimiques permettront d’évaluer les parts respectives entre l’eau primordiale (très probablement très minoritaire) et l’eau « tardive » probablement très majoritaire.

9Mercure et la Lune, avec une gravité faible et une température diurne largement supérieure à 100 °C n’ont pas pu retenir l’eau arrivée juste après leur formation. Mais la Lune et Mercure reçoivent encore depuis cette époque reculée des petits corps venant de la ceinture des astéroïdes (météorites, dont certaines contiennent quelques pourcents d’eau) et du système solaire externe (comètes, majoritairement faites de glace). Cette faible quantité d’eau « tardive » peut subsister dans le fond des cratères polaires qui ne sont jamais éclairés par le soleil et qui ont en permanence une température inférieure à -200 °C. Les sondes Messenger (sur Mercure) et LCROSS (sur la Lune) ont effectivement détecté cette glace d’eau dans les cratères polaires. La sonde LCROSS a évalué la teneur en glace de la poussière du fond des cratères polaires à environ 5 %.

10Sur Vénus, il n’y a évidemment ni eau liquide ni glace en surface car la température y est de +460 °C. La vapeur d’eau correspond à moins de 1 pour mille de la très importante atmosphère. Vénus a pourtant dû recevoir autant d’eau que la Terre. Mais entièrement en vapeur, elle a été photo-dissociée par les Ultra-Violets solaires, et H₂ et O₂ résultant de cette dissociation sont partis dans l’espace.

11Sur Mars, la quantité d’eau est intermédiaire entre celle de la Terre et celle de Vénus. La faible gravité martienne a « laissé partir » une majorité de l’eau. La température moyenne (-60 °C) et la faible pression (6 hPa, soit 0,6 % de la pression terrestre) ne permettent pas la présence d’eau liquide en surface. Mais il reste un peu de vapeur d’eau dans l’atmosphère (0,03 %), vapeur qui précipite en givre toutes les nuits d’hiver. Il y a deux grandes calottes de glace aux pôles, majoritairement faites de glace d’eau, bien que recouverte de quelques mètres de glace carbonique pour la calotte sud. Si ces calottes fondaient, cela recouvrirait la surface de Mars d’une trentaine de mètres d’eau liquide. Il y a aussi beaucoup de glace d’eau piégée dans les pores et les fractures du sous-sol, à une profondeur de quelques dizaines de mètres à l’équateur, beaucoup moins dans les hautes latitudes. La sonde Phoenix qui s’est posée par 68° de latitude nord a trouvé de la glace d’eau en creusant une petite tranchée de quelques centimètres de profondeur. Il est probable que cette glace soit fondue à partir de quelques kilomètres de profondeur, et que le sous-sol profond martien soit imbibé d’eau liquide aujourd’hui. S’il n’y a plus d’eau liquide aujourd’hui à la surface de Mars, il y en a eu pendant le premier milliard d’années de l’histoire de Mars. Les sondes en orbites révèlent que des rivières coulaient sur Mars et se jetaient dans des lacs et dans un océan. Ces mêmes sondes révèlent, par études Infra-Rouges, la présence de nombreux minéraux hydratés, comme des argiles, du gypse... Les robots de la Nasa qui se sont posés au sol ont analysé ces mêmes minéraux, et ont trouvé des couches sédimentaires et autres éléments morphologiques prouvant l’existence d’eau liquide dans un passé lointain. La perte progressive de l’atmosphère due à la faible gravité a fait baisser pression, effet de serre et température, et Mars s’est elle-même « mise au congélateur » depuis 3 milliards d’années.

Fig. 3 - Ancien réseau fluviatile sur Mars maintenant asséché, prouvant que vers -4 à -3,5 milliards d’années, la pression atmosphérique et la température permettaient à de l’eau liquide de pousser sur Mars.

L’eau dans le système solaire externe (température externe inférieure à -150 °C)

12Les noyaux des quatre planètes géantes (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) sont théoriquement très riches en glace d’eau, glace de Haute Pression et de Haute Température, comme on peut en faire dans les laboratoires terrestres en comprimant de l’eau à quelques dizaines de milliers d’atmosphères. Mais ces noyaux n’ont jamais pu être analysés ni directement, ni indirectement. La surface des nuages qui enveloppent ces planètes contient un peu de vapeur d’eau dispersée dans l’hydrogène et l’hélium dominants, 0,1 % dans le cas de Jupiter par exemple. Et à l’exception notable de Io (satellite de Jupiter) qui est constitué de roches, tous les satellites des planètes géantes, Pluton et Charon, les comètes… tous ont une surface au moins partiellement constituée de glace d’eau d’après les études spectrales. Tous, sauf Europe (autre satellite de Jupiter) ont une faible masse volumique, comprise entre 1 000 et 2 220 kg/m³, ce qui indique qu’H₂O constitue entre 30 et 90 % de leur masse. À tous ces satellites, planètes naines, objets trans-neptuniens et autres comètes, on peut rajouter certains astéroïdes, dont le plus gros d’entre eux, Cérès, qui contient une proportion notable d’eau (sous forme de glace) dans son manteau.

13Les plus petits de ces corps, les comètes et les très nombreux petits satellites de taille inférieure à 400 km, sont des « patatoïdes » de glace, comme par exemple la cinquantaine de satellites de Saturne découverts par la mission Cassini. Les comètes qui s’approchent périodiquement du soleil du fait de leur orbite très elliptique se subliment lors de ces passages près du soleil. Les gaz issus de cette sublimation sont majoritairement composés de vapeur d’eau, environ 80 % pour la comète Churyumov-Gerasimenko étudiée par la mission européenne Rosetta. Et les particules formant les anneaux des planètes géantes sont aussi majoritairement composées de glace d’eau.

Fig. 4 - La comète 67P/Tchourioumov-Gerasimenko mesure 5 km dans sa plus grande dimension.

14Dix-sept corps de diamètre supérieur à 400 km, de forme sphérique et dont la masse volumique est inférieure ou égale à 2 000 kg/m³ ont été survolés par diverses sondes de la Nasa (Voyager 1 et 2, Galileo, Cassini, New Horizons) parties explorer le système solaire externe. Les faibles valeurs de ces masses volumiques montrent que la proportion de glace (masse volumique voisine de 1 000 kg/m³) y est au moins égale à celle des roches (masse volumique voisine de 3 000 à 3 500 kg/m³). C’est le cas de deux des quatre « gros » satellites de Jupiter, ainsi que des sept satellites majeurs de Saturne, des cinq d’Uranus, de celui de Neptune, ainsi que de la planète naine Pluton et de son satellite Charon. La structure interne de ces corps doit être bâtie sur le même modèle : un noyau central de roches, recouvert d’une couche d’H₂O occupant entre le quart et les trois quarts supérieurs du rayon. Le cas d’Europe, satellite de Jupiter, est différent. De masse volumique de 3 010 kg/m³, c’est une sphère de roches (et de fer) d’environ 1 500 km de rayon, surmontée d’une couche d’H₂O d’environ 100 km d’épaisseur.

15Sous quels états est l’eau dans ces dix-huit satellites et planète naine ? La surface, vu la température externe, est toujours constituée de glace. Et l’intérieur ? Cela dépend de leur taille, et de l’énergie interne dont ils disposent (énergie radioactive et énergie des marées) qui conditionnent la température interne. Les onze plus petits doivent être intégralement gelés, de la surface jusqu’au sommet de leur noyau, même si leur glace peut être sujette à des mouvements solides, comme la glace des glaciers terrestres. Les cinq plus gros corps majoritairement constitués de glace (Ganymède, Callisto, Titan, Triton et Pluton) doivent être partiellement fondus à l’intérieur du fait de la chaleur interne. De l’extérieur vers l’intérieur, ils doivent être constitués (1) d’une couche glace de quelques centaines de kilomètres d’épaisseur, (2) d’une couche d’eau liquide elle aussi de quelques centaines de km d’épaisseur, (3) d’une autre couche de glace elle aussi de quelques centaines de kilomètres d’épaisseur, de glace de Haute Pression, l’eau liquide gelant à une température > 0 °C sous le poids des couches supérieures, (4) d’un noyau fait de roches silicatées (et de fer).

Fig. 5 - Vue globale de Ganymède, satellite de Jupiter, d’un diamètre de 5 262 km, et d’une masse volumique de 1 940 kg/m³.

16Les cas d’Encelade et d’Europe (satellites de Saturne et de Jupiter) sont différents : ces satellites sont vigoureusement chauffés par les marées, et l’eau devient liquide dès quelques dizaines de kilomètres de profondeur malgré la très faible température superficielle. Cette eau liquide sort en surface sous forme de geysers et de jets de vapeur, de façon permanente à la surface d’Encelade, de façon épisodique pour Europe. Pour ces deux satellites, la couche d’H₂O n’est pas assez épaisse et/ou la gravité n’est pas assez forte pour qu’il y ait de la glace de Haute Pression à leur base. Deux océans liquides sont donc en contact avec des roches réchauffées par les marées, marées qui engendrent un important volcanisme sous-marin dans ces deux satellites.

Fig. 6 - Vue oblique des « geysers » d’Encelade, satellite de Saturne d’un diamètre de 502 km de diamètre.

Fig. 7 - Modèle de la structure interne d’Europe, satellite de Jupiter d’un diamètre de 3 121 km.

L’eau liquide et la vie

17L’eau liquide semble être une condition nécessaire (mais non suffisante) à l’existence d’une forme de vie, si simple soit-elle. Pourrait-il y avoir une certaine forme de vie dans tous les sites du système solaire où existe (ou a existé dans le passé) de l’eau liquide ? Rappelons que de l’eau liquide existe très vraisemblablement dans le sous-sol profond de Mars, et dans les « océans » sous glaciaires d’Europe, de Ganymède, de Callisto, de Titan, d’Encelade, de Triton et de Pluton. De l’eau liquide a aussi existé à la surface de Mars dans un passé lointain. Mais l’eau liquide n’est pas la seule condition nécessaire à l’existence d’une certaine forme de vie. Il faut aussi du carbone, et de l’énergie sous une forme utilisable par les êtres vivants pour synthétiser les molécules carbonées complexes qui les constituent. Et avant que la vie se développe et prospère, il a fallu qu’un processus non biologique synthétise les molécules carbonées complexes utilisées par les premiers êtres vivants.

18Le carbone est omniprésent dans le système solaire sous forme de petites molécules (CO₂, CH₄…). Sur Terre, la vie utilise deux sources d’énergie : (1) la lumière utilisée directement par les plantes et certaines bactéries (et donc indirectement par leurs consommateurs primaires, secondaires…), et (2) des réactions chimiques que savent utiliser de très nombreux micro-organismes (bactéries et archées). Et les principales réactions chimiques utilisées par la vie terrestre sont celles qui ont lieu quand de l’eau liquide (suffisamment chaude) est en contact avec des silicates et du CO₂.

19Les molécules carbonées complexes nécessaires à l’origine de la vie (molécules dites pré-biotiques) peuvent avoir deux origines : (1) il en existe dans certaines météorites et dans les comètes, synthétisées par l’action du rayonnement solaire sur les glaces de CO₂, de CH₄…), (2) il s’en synthétise théoriquement à chaque fois que de l’eau chaude, du CO₂ et des silicates sont en contact. Et on a identifié certaines de ces molécules pré-biotiques dans les geysers d’Encelade.

20On voit donc que le contact eau liquide, CO₂ et silicates réunit toutes les conditions pour que des formes de vie apparaissent, et perdurent. Où y a-t-il cette coexistence entre eau liquide, CO₂ et silicates ? Dans le sous-sol de la Terre et au fond de ses océans bien sûr, mais aussi dans le sous-sol profond de Mars, et au fond des océans d’Europe et d’Encelade. Il ne reste plus qu’à aller voir s’il y a de la vie.