Astrochimie : formation de molécules sur Europa par implantation d’ions

Jupiter est entouré de lunes glacées qui sont l’objectif de la prochaine grande mission scientifique JUICE (Jupiter icy moons explorer) de l’ESA (European Space Agency). Les lunes Europa, Ganymède et Callisto sont essentiellement couvertes de glace d’eau, dans laquelle certaines molécules simples (dioxyde de carbone, dioxyde de soufre, acide sulfurique) ont été observées, mais dont l'origine nous est encore inconnue.

La mesure des taux de production de telles molécules par implantation de carbone et de soufre dans des glaces d’eau et d’oxyde de carbone, auprès de la ligne ARIBE du GANIL à Caen, vise à répondre à cette question. Ces molécules pourraient en effet avoir une origine exogène aux lunes elles-mêmes, du fait de la présence d'ions de basse énergie dans la magnétosphère de Jupiter.

Ce travail est le fruit d'une collaboration initiée depuis 2010 entre l'observatoire d'astrophysique de l'INAF de Catane et les chercheurs du CIMAP.

Dans le système de Jupiter, des ions en provenance du Soleil (vent solaire) ou de l’injection de soufre ou de carbone par volcanisme (notamment issu de Io), sont présents dans la magnétosphère de la planète géante. Ces ions, de basse énergie, ont une profondeur de pénétration faible, ce qui leur permet de s'implanter efficacement dans les couches de glaces, présentes par exemple sur le satellite Europa de Jupiter. Ils sont ainsi susceptibles de modifier la composition chimique de la glace et donc de la surface des lunes. Afin de quantifier le phénomène, l'irradiation de la glace a été étudiée sur l’installation ARIBE (« Accélérateurs pour les Recherches avec les Ions de Basse Énergie ») du GANIL (Grand Accélérateur National d’Ions Lourds).

Des glaces d’eau et d’oxyde de carbone ont ainsi été irradiées par des ions de carbone ou de soufre. Les glaces irradiées sont ensuite analysées par spectroscopie d'absorption infrarouge par transformée de Fourier FTIR. Pour la glace d'eau, un des résultats montre que la densité colonnaire du CO₂ (i.e. sur une hauteur de glace donnée), augmente linéairement avec la fluence (i.e. le nombre d'ions reçus par cm² de surface) d'ions C^q+ (q=1, 2, 3) de 30 keV, et ne dépend ni de l'état de charge, ni de la température de la glace (entre 15 et 80 K). De même, les formations de SO₂, CS₂ et OCS sont aussi observées [Lv et al., 2014] par implantation de soufre dans des glaces de CO₂ et CO. À noter que des expériences avec les ions mono-chargés C⁺ ont été effectuées à l'observatoire d'astrophysique de Catane, conduisent à des mesures en très bon accord avec celles obtenus sur GANIL-ARIBE à Caen.

Photos ESA de Jupiter et de sa lune Europe et vue d’artiste du vaisseau spatial de la mission JUICE. © ESA/AOES.

Sur les lunes jupitérienne, la source majeure endogène de molécules est le cryo-volcanisme : des « volcans de glace » éjectent des matériaux volatils (et non de la lave), qui après condensation recouvrent la surface des lunes glacées. Par comparaison, nos résultats quantitatifs suggèrent que l'origine exogène de l’acide sulfurique par implantation de soufre est probable [Ding et al., 2013, Dalton et al. 2013], mais que ce n’est pas le cas pour le CO₂ [Lv et al., 2012)].

Grâce au projet ANR blanc/SIMI5 IGLIAS financé en 2013 et d'une durée de 48 mois, les expériences sur les glaces pourront se poursuivre dans de meilleures conditions expérimentales (surtout de vide et de préparation des échantillons) au CIMAP-GANIL. Ce projet est coordonné par Philippe Boduch du CIMAP, et Emmanuel Dartois de l’IAS d'Orsay.

Densité de CO2 mesurée après irradiation par des ions de carbone, pour différentes température de glace d’eau. Cette densité augmente linéairement avec le flux d’ions, mais est indépendante de la charge des ions.

Références :

Implantation of multiply charged carbon ions in water ice,
X. Y. Lv, A. L. F. de Barros, P. Boduch, V. Bordalo, E. F. da Silveira, A. Domaracka, D. Fulvio, C. A.Hunniford, T. Langlinay, N. J. Mason, R. W. McCullough, M. E. Palumbo, S. Pilling, H. Rothard and G. Strazzulla,
Astronomy & Astrophysics 546 (2012) A81.
Exogenic controls on sulfuric acid hydrate production at the surface of Europa,
J.B. Dalton III, T. Cassidy, C. Paranicas, J.H. Shirley, L.M. Prockter, L.W. Kamp, Planetary and Space Science 77 (2013) 45.
Implantation of multiply charged sulfur ions in water ice,
J. J. Ding, P. Boduch, A. Domaracka, S. Guillous, T. Langlinay, X. Y. Lv, M. E. Palumbo, H. Rothard, G. Strazzulla, Icarus 226 (2013) 860–864.
Sulfur implantation in CO and CO₂ ices,
X.Y. Lv, P. Boduch, J. J. Ding, A. Domaracka, T. Langlinay, M. E. Palumbo, H. Rothard and G. Strazzulla, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, accepted, in print (2014).

Contacts chercheurs :

CIMAP, Caen : Philippe Boduch et Hermann Rothard,

Observatoire d’astrophysique de l’INAF (Institut Italien d'Astrophysique), Catania : Giovanni Strazzulla et Maria Elisabetta Palumbo.

Collaboration :