Charon est un corps de taille moyenne, d’environ 1 207 kilomètres de diamètre, situé dans la ceinture de Kuiper, un anneau de débris glacés, de comètes et de planètes naines, également appelés objets transneptuniens (OTN), aux confins du système solaire. Contrairement à de nombreux objets plus grands de la ceinture de Kuiper, la surface de Charon n’est pas recouverte de glaces volatiles comme le méthane, ce qui permet aux scientifiques d’obtenir des informations précieuses sur l’influence de la lumière solaire sur la formation des cratères de ces corps lointains. De plus, Charon est le seul OTN de taille moyenne pour lequel une cartographie géologique est disponible. Celle-ci a été rendue possible grâce aux données recueillies par la sonde New Horizons de la NASA, qui a visité le système de Pluton il y a une dizaine d’années.
De nouveaux modèles suggèrent que la congélation de l’océan interne de Charon aurait pu former des dépressions profondes et allongées le long de sa partie centrale. Cela pourrait indiquer que l’enveloppe externe était plus mince à un certain moment de l’histoire de la lune que ce qui est actuellement estimé. Ces modèles suggèrent également que les cryovolcans émettant de la glace, de l’eau et d’autres matériaux sont moins probables dans l’hémisphère nord de Charon.
Les formations géologiques glacées de Charon ont surpris les scientifiques lorsque la sonde New Horizons de la NASA a survolé le système Pluton-Charon en 2015. Auparavant, les scientifiques pensaient que Charon était une boule de glace inerte. Depuis, une équipe scientifique dirigée par des chercheurs du Southwest Research Institute (SwRI) étudie les données de New Horizons afin de comprendre l’origine de ces formations.
Alyssa Roden, membre de l’équipe et chercheuse au SwRI, est une experte en géophysique des lunes glacées, en particulier celles qui possèdent leurs propres océans.
Image de Charon montrant des fissures à sa surface, potentiellement dues à un océan interne gelé. NASA/Laboratoire de physique appliquée de l’Université Johns Hopkins/Southwest
«L’association d’interprétations géologiques et de modèles d’évolution thermo-orbitale suggère que Charon abritait autrefois un océan liquide sous sa surface, qui a ensuite gelé», explique-t-elle. «Lorsqu’un océan interne gèle, il se dilate, créant d’importantes contraintes au sein de sa croûte de glace et augmentant la pression sur l’eau sous-jacente. Nous avons émis l’hypothèse que c’est ce qui a provoqué la formation de grands canyons et de coulées cryovolcaniques sur Charon.» Les travaux de l’équipe seront publiés dans la revue Icarus en 2023.
Roden a modélisé la formation de fissures dans la croûte glacée de Charon, due à la congélation de l’océan sous-jacent, afin de mieux comprendre l’évolution de la surface et de l’intérieur de la lune. Les océans inclus dans les modèles étaient composés d’eau, d’ammoniac et d’un mélange des deux. Bien que l’ammoniac puisse agir comme antigel et que de fortes concentrations puissent contribuer à la persistance d’océans liquides, Roden a constaté que les différences de composition océanique n’influençaient pas significativement les résultats.
Lorsque l’océan gelé exerça une pression sur la carapace de Charon, des fissures se formèrent et la traversèrent de part en part. À mesure que le volume de l’océan augmentait, la pression sur le liquide sus-jacent s’intensifiait, provoquant son éruption à travers les fissures et sa mise à la surface de Charon.
Une équipe de scientifiques a étudié les conditions dans lesquelles des fissures auraient pu traverser complètement la croûte de glace de Charon, reliant ainsi les eaux de surface et souterraines et favorisant un cryovolcanisme d’origine océanique. Ces recherches ont révélé que les théories actuelles sur l’évolution de ce satellite de Pluton pourraient être erronées. Ces théories suggèrent que les croûtes de glace de Charon étaient trop épaisses pour se fracturer complètement sous l’effet des contraintes liées à la congélation de l’océan.
Image de la planète naine Pluton (à gauche) et de son plus grand satellite, Charon. Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images
Soit la calotte glaciaire de Charon avait une épaisseur inférieure à 10 km lors de la formation des coulées, et non supérieure à 100 km comme on le supposait auparavant, soit sa surface n’était pas directement reliée à l’océan pendant l’éruption. Si la calotte glaciaire de Charon était suffisamment mince pour se fracturer complètement, cela impliquerait un gel de l’océan bien plus intense que ne le suggèrent les canyons observés sur l’hémisphère de Charon.
Ces canyons s’étendent le long d’une dorsale tectonique globale qui traverse la surface de Charon, séparant les régions géologiques nord et sud de ce satellite de Pluton. Le modèle élaboré par les scientifiques suggère que ces canyons se seraient formés dans des fissures de la calotte glaciaire n’atteignant pas son océan, c’est-à-dire après des fractures dues au cryovolcanisme et à l’épaississement de la croûte de Charon.
L’hypothèse selon laquelle le cryovolcanisme de Charon est alimenté par un océan gelé pourrait être confirmée si une future mission découvrait des structures supplémentaires, plus vastes et étendues sur l’hémisphère lunaire. Ces structures, non détectées par New Horizons, confortent l’hypothèse selon laquelle l’océan de Charon était plus épais que prévu et sa croûte plus mince.
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La congélation des océans prédit également une séquence d’activité géologique où le cryovolcanisme océanique cesse avant que la tectonique de déformation ne s’installe. Une analyse plus détaillée des archives géologiques de Charon pourrait permettre de déterminer si ce scénario est réaliste.
En 2024, grâce au télescope spatial James Webb (JWST), des astronomes ont détecté du dioxyde de carbone et du peroxyde d’hydrogène à la surface gelée de Charon, la plus grande lune de Pluton. La détection de ces molécules pourrait aider les scientifiques à comprendre comment se sont formés Charon et d’autres corps glacés situés aux confins du système solaire.
Charon a fait l’objet de nombreuses études depuis sa découverte en 1978, mais les études précédentes étaient limitées par les longueurs d’onde de la lumière qu’elles pouvaient détecter. Cela a laissé des lacunes dans notre compréhension de la composition de la surface de ce satellite de Pluton. Si les scientifiques ont trouvé de la glace d’eau, des composés ammoniacaux et des composés organiques sur Charon, le dioxyde de carbone et le peroxyde d’hydrogène n’y avaient pas encore été détectés. Du moins, jusqu’à présent.
Cette image de la surface fissurée et cratérisée de Charon, lune de Pluton, a été prise par la mission New Horizons en 2015. NASA/JPL-Caltech
Une équipe de scientifiques dirigée par Sylvia Protopapa du Southwest Research Institute (SwRI) a comblé ces lacunes en étudiant Charon à l’aide du spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) du télescope spatial Westinghouse (JWST). L’étude a été publiée le 1er octobre 2024 dans la revue Nature Communications.
L’étude révèle que la surface de Charon conserve des traces de sa formation, comme le dioxyde de carbone, ainsi que des signes de processus d’irradiation, attestés par la présence de peroxyde d’hydrogène. Ces découvertes complètent les connaissances actuelles sur la composition de Charon, qui inclut de la glace d’eau, des composés ammoniacaux et des composés organiques responsables de sa couleur gris-rouge.
Globalement, ces facteurs font de Charon un objet d’étude inestimable, révélant de nombreuses informations utiles. Ces découvertes apportent un éclairage précieux sur la manière dont des processus tels que le rayonnement solaire et la formation de cratères façonnent la surface de Charon et, par extension, celle d’autres corps glacés de taille moyenne situés au-delà de Neptune.
Graphique illustrant la signature lumineuse de Charon, indiquant la détection de peroxyde d’hydrogène et de dioxyde de carbone. Silvia Protopapa (SwRI), Yan Wong (STScl)
La composition des étoiles, des planètes et des lunes peut être déterminée grâce à la lumière qu’elles émettent ou réfléchissent à leur surface. Ceci est possible car les éléments absorbent et émettent de la lumière à des longueurs d’onde spécifiques. Ainsi, l’étude des spectres des corps célestes par une méthode appelée spectroscopie révèle les « signatures » des éléments et des composés chimiques.
Protopapa et ses collègues sont parvenus à leurs conclusions en comparant les observations spectroscopiques du JWST avec des mesures en laboratoire et des modèles spectraux détaillés de la surface de Charon. Ils en ont déduit que le dioxyde de carbone est présent principalement sous forme de couche superficielle sur un sous-sol riche en glace d’eau.
La surface de Charon, telle que découverte par la mission New Horizons, est caractérisée par de nombreux cratères entourés de couches brillantes d’éjectas riches en glace d’eau et en composés ammoniacaux. Ces formations géologiques indiquent que les matériaux du sous-sol ont été mis à nu par des impacts, ce qui permet de mieux comprendre la composition interne de la lune. L’équipe interprète cela comme signifiant que la couche supérieure de dioxyde de carbone est d’origine interne et a été ramenée à la surface par la formation de cratères. La présence de dioxyde de carbone était également attendue, car ce composé est connu pour être présent dans certaines régions du disque protoplanétaire à partir duquel s’est formé le système de Pluton.
L’équipe ne s’attendait pas à détecter du peroxyde d’hydrogène. Sa présence à la surface d’Europe, lune de Jupiter, est connue depuis les années 2000. La présence inattendue de peroxyde d’hydrogène sur Charon a conduit l’équipe à soupçonner que la surface riche en glace d’eau de la plus grande lune de Pluton est activement modifiée par le rayonnement ultraviolet du Soleil, les particules du vent solaire et les flux de particules chargées provenant de l’extérieur du système solaire, appelés rayons cosmiques galactiques.
Charon, lune de Pluton, vue par le télescope New Horizons. NASA/JPL-Caltech
Le peroxyde d’hydrogène se forme par la combinaison de radicaux ions hydroxyde adjacents, eux-mêmes issus de la dissociation des molécules d’eau par des ions, des électrons ou des photons. L’équipe a mené de nouvelles expériences en laboratoire afin de confirmer la possibilité de produire du peroxyde d’hydrogène même en présence de dioxyde de carbone.
L’équipe n’a pas encore achevé son étude de Charon, la plus grande lune de Pluton. Le JWST continuera d’observer Charon, et les scientifiques utiliseront les données recueillies pour mieux comprendre les objets transneptuniens glacés en général. De futures observations du JWST, axées sur les lacunes spectrales non couvertes par les données actuelles, pourraient mener à de nouvelles découvertes sur la composition de Charon et permettre d’affiner son analyse chimique, révélant peut-être d’autres mécanismes impliqués.
Une étude attendue fin 2025 suggère qu’il y a des milliards d’années, Pluton aurait capturé sa plus grande lune, Charon, lors d’un bref «baiser» glacé. Cette théorie pourrait expliquer comment la planète naine a pu capturer une lune d’une taille environ deux fois supérieure à la sienne.
Une équipe de chercheurs pense que deux planètes glacées situées dans la ceinture de Kuiper – un anneau de corps glacés aux confins du système solaire – sont entrées en collision il y a des milliards d’années. Au lieu de s’annihiler, elles ont fusionné, formant un «bonhomme de neige cosmique» en rotation. Les deux corps se sont séparés relativement rapidement, mais sont restés liés orbitalement, donnant naissance au système Pluton/Charon que nous connaissons aujourd’hui. Leurs travaux ont été publiés le 6 janvier 2025 dans la revue Nature Geoscience.
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Ce processus de «baiser et capture» propose une nouvelle théorie pour la capture de lunes et les collisions cosmiques. Il pourrait également aider les scientifiques à mieux comprendre la résistance structurelle des mondes froids et glacés de la ceinture de Kuiper.
Il a été découvert que, si Pluton et Charon sont des corps solides, Pluton pourrait effectivement capturer Charon lors d’un impact géant. Ce processus de capture par collision est appelé «baiser et capture», car Pluton et Charon fusionnent brièvement, formant un élément en «baiser», avant de se séparer pour former deux corps indépendants.
La plupart des scénarios de collision planétaire sont classés comme «collision éclair» ou «fusion rapide», ce qui signifie que le scénario «baiser et attraper» est quelque chose de totalement nouveau.
Cette illustration montre Pluton et son plus grand satellite, Charon. NASA/Robert Lea
La relation entre Pluton et Charon est si déroutante pour les scientifiques en raison de la faible différence de taille et de masse entre ces deux corps glacés. Charon est tellement énorme comparé à Pluton qu’ils forment en réalité une planète double. Il représente la moitié de la taille de Pluton et 12% de sa masse, ce qui le rend bien plus semblable à la Lune qu’à n’importe quel autre satellite du système solaire.
À titre de comparaison, notre Lune ne représente qu’un quart de la taille de la Terre, et la plus grande lune du système solaire, Ganymède, mesure environ 1/28 de la taille de sa planète mère, Jupiter.
Un chercheur de l’Université d’Arizona, également boursier postdoctoral de la NASA, a ajouté que capturer une lune aussi grande de manière «normale» est difficile. (La méthode «normale» désigne la capture gravitationnelle de lunes comme Phobos et Deimos, satellites de Mars, ainsi que des lunes des planètes géantes Jupiter et Saturne.)
Cela signifie que la théorie dominante de la formation du système Pluton-Charon repose sur l’idée de capture collisionnelle, semblable à la façon dont un corps massif aurait percuté la Terre, éjectant de la matière que notre planète aurait capturée pour former notre Lune.
Cette capture d’écran montre le système Pluton/Charon durant sa phase de «bonhomme de neige». Robert Melikyan/Adyn Denton
Lors d’une capture collisionnelle classique, une collision violente se produit, provoquant l’étirement et la déformation des deux corps comme un fluide. Ce processus explique bien la formation du système Terre-Lune, car la chaleur intense dégagée lors de la collision et la masse importante des corps impliqués les amènent à se comporter comme un fluide.
Lorsqu’on examine la collision entre Pluton et Charon, un autre facteur doit être pris en compte : la résistance structurelle des corps glacés et rocheux plus froids. Ce facteur a jusqu’ici été négligé par les chercheurs dans leurs études sur l’origine collisionnelle de Charon.
Pour intégrer ce facteur dans leurs simulations, l’équipe a eu recours au cluster de calcul haute performance de l’Université d’Arizona. En prenant en compte la résistance de ces matériaux, Denton et ses collègues ont fait une découverte totalement inattendue. Grâce à leur résistance matérielle, Charon n’a pas pénétré suffisamment profondément dans Pluton pour fusionner avec elle ; ce qui n’est pas le cas lorsque les corps sont liquides. Dans les mêmes conditions d’impact, si Pluton et Charon étaient dépourvus de résistance, ils fusionneraient en un seul corps plus grand, Charon étant absorbé. Cependant, du fait de leur résistance, Pluton et Charon conservent leur structure durant cette brève fusion.
Puisque Charon ne pouvait pas s’écraser sur Pluton dans ce scénario, il est resté hors de leur rayon de corotation. De ce fait, il ne pouvait pas tourner à la même vitesse que Pluton, et les deux astres n’ont donc pas pu rester fusionnés. L’équipe émet l’hypothèse qu’après leur séparation et la fin de cette interaction glacée, Pluton a entraîné Charon sur une orbite circulaire plus proche et plus élevée, d’où la lune aurait dérivé vers l’extérieur.
La «fusion» de ces corps, qui s’apparente à une capture, est très brève à l’échelle géologique, de l’ordre de 10 à 15 heures, après quoi les deux astres se séparent à nouveau. Charon entame alors son lent mouvement vers sa position actuelle.
L’équipe pense que la collision initiale s’est produite très tôt dans l’histoire du système solaire, probablement des dizaines de millions d’années après sa formation, voire des milliards d’années auparavant.
Les observations réalisées en 2025 avec le télescope spatial James Webb (JWST) montrent que deux lunes, Nix et Hydra, présentent davantage de similitudes avec l’intérieur de Charon qu’avec les autres objets de la ceinture de Kuiper. Ces résultats suggèrent que ces lunes de taille moyenne pourraient être composées de fragments de l’intérieur de Charon, éjectés lors de la violente collision qui a donné naissance à Pluton et Charon.
D’après de précédents calculs, Pluton et Charon se seraient formés par un processus de «baiser et capture». Leurs progéniteurs respectifs seraient entrés en collision rapprochée, ce qui aurait entraîné la séparation des couches externes du proto-Charon et la formation d’un disque de débris glacés. Ces débris se seraient ensuite agglomérés pour former au moins quatre lunes plus petites : Nix, Hydra, Kerberos et Styx, selon cette hypothèse.
Le télescope spatial JWST a permis d’explorer cette idée. Plus tôt cette année, des chercheurs l’ont utilisé pour classifier les couleurs des objets transneptuniens (OTN), c’est-à-dire des objets situés au-delà de l’orbite de la huitième planète, dans le système solaire externe. Cependant, la nouvelle étude montre que Nix et Hydra ne correspondent à aucune de ces classifications.
Image composite de Pluton et Charon prise par la sonde New Horizons de la NASA lors de son passage dans le système plutonien. NASA/JHUAPL/SwRI
D’après Brian Holler, planétologue à l’Institut d’études spatiales, cette différence est principalement due à la présence d’une substance rougeâtre à la surface des lunes, probablement composée de carbone. Holler a présenté ses nouvelles découvertes lors de la conférence «Progrès dans la compréhension de Pluton: 10 ans après le survol», qui s’est tenue en juillet à Laurel, dans le Maryland.
En réalité, il est possible que des fragments de l’intérieur ancien de Charon s’effondrent aujourd’hui sur sa surface. Lorsque Nix et Hydra entrent en collision avec de petites météorites, des débris provenant de leur surface pourraient être éjectés dans l’espace en raison de leur faible masse et de leur faible gravité. Ces particules éjectées pourraient être capturées par la gravité de Charon et retomber sur sa surface.
«Nous étudions peut-être la matière première de proto-Charon», a déclaré Holler lors de sa présentation en juillet. Les éjectas de Nix et d’Hydra pourraient finir par retomber à la surface, formant une couche de poussière de plusieurs centimètres d’épaisseur. Charon étant un monde géologiquement inerte, cette poussière demeure en surface, formant une couche analogue à la croûte et au manteau supérieur éjectés lors de la collision qui l’a engendrée.
Lors de son survol du système plutonien par la sonde New Horizons de la NASA en 2015, celle-ci a capturé des images époustouflantes de Nix et Hydra. Des données sur la composition de ces deux lunes ont été recueillies. Des images en couleur améliorées de Nix ont révélé un motif circulaire rougeâtre. Les deux lunes présentent une forme irrégulière.
Les lunes de Pluton à l’échelle. La plus grande, Charon, est représentée en bas. NASA/JHUAPL
Selon Holler, les observations du JWST n’ont pas nécessairement révélé de détails significatifs sur les lunes. Elles ont plutôt permis de les comparer directement à d’autres objets transneptuniens. Le télescope spatial était alors concentré sur l’étude de Pluton et de Charon. La découverte de Nix et d’Hydra fut donc un pur hasard.
Une étude antérieure utilisant le JWST pour classifier les objets transneptuniens a comblé le manque de données entre les longueurs d’onde visibles et infrarouges proches enregistrées par New Horizons. Ceci a permis une comparaison directe des lunes de taille moyenne de Pluton avec d’autres objets du système solaire externe.
Nix et Hydra sont probablement restés quasiment inchangés depuis leur formation. Trop petits pour avoir subi des processus géologiques actifs, les seules modifications de leur surface résultent vraisemblablement d’impacts et de l’érosion cosmique.
L’étude de tels systèmes permettra aux chercheurs de mieux comprendre les phénomènes à l’intérieur de ces deux petites lunes. Si d’autres objets transneptuniens ont subi des collisions similaires, donnant naissance à leurs propres petites lunes, et si leur composition peut être étudiée, cela pourrait éclairer d’un jour nouveau ces petits satellites énigmatiques de Pluton.
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