Lorsqu'une masse s'effondre sur Terre, ou des éclats de calotte glaciaire sur l'une des lunes de Jupiter (Europa), ou une ancienne brise de lit du lac sur Mars, ces fractures suivent-elles un script géométrique caché? Les modèles similaires sur une autre planète pourraient-ils suggérer que l'eau y existait autrefois – et peut-être une vie soutenue?
Pour la plupart, ces questions seraient des curiosités inactives, mais pour le géophysicien Douglas Jerolmack à l'Université de Pennsylvanie et le mathématicien Gábor Domokos à l'Université de technologie et d'économie de Budapest, ils tiennent la clé pour décoder les surfaces des planètes lointaines à travers le système solaire.
Leur dernière étude, publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciencessuggère que la façon dont un corps planétaire se fracture n'est pas un accident aléatoire, et leurs résultats pourraient offrir un aperçu de la détection d'environnements potentiellement habitables sur d'autres mondes.
« Ce qui est sauvage, c'est que la nature continue de favoriser les mêmes modèles dans des environnements très différents, » Dit Jerolmack, Edmund J. et Louise W. Kahn, le professeur de la Terre et les sciences de l'environnement. « Nous nous attendions à une certaine cohérence, mais la mesure dans laquelle les surfaces planétaires s'organisent en géométries de fissures prévisibles – qu'elle soit de la glace, du rocher ou de la boue – était surprenante. Il suggère que ces modèles sont fondamentaux, pas seulement des bizarreries de planètes spécifiques. »
Leurs idées s'appuient sur des travaux antérieurs où l'équipe a confirmé une prédiction de l'ancien philosophe grec Platon, qui a déclaré une fois que la terre elle-même était composée d'unités de Cublike. Dans cet article, ils ont démontré que, « De manière assez surprenante, si vous prenez les milliers de fragments qui sont produits et que vous mesurez le nombre, vous comptez le nombre de visages et de coins et de bords, et que vous en moyenne l'enfer, » Jerolmack dit, « Ensuite, vous vous retrouvez avec six en moyenne pour les visages, huit, comme nombre moyen pour les sommets et 12 pour le nombre de bords. »
Leur travail plus récent, cependant, se concentre sur les réseaux de fracture bidimensionnels sur les surfaces planétaires, examinant les modèles de fissures sur des coquilles minces de corps planétaires, plutôt que sur les formes de fragments individuels.
« Nous voulions expliquer les modèles sur d'autres planètes qui sont ici en ce moment, car le problème est que nous ne voyons pas comment ils ont évolué, » dit Domokos. « Nous n'étions pas là. Et nous ne pouvons pas remonter dans le temps. »
Le défi, explique-t-il, est qu'ils travaillent avec un seul cadre d'une image en mouvement – un instantané gelé de l'état actuel des motifs de crack sur les surfaces planétaires. Les forces qui ont créé ces réseaux ne sont plus directement observables, et les fractures peuvent encore évoluer vers un état futur inconnu.
« Mais que se passe-t-il si, à partir de cet instantané, vous pourriez extrapoler toute l'intrigue du film? » Domokos demande.
Cracking le code des fissures
Pour répondre à cette question, Sophie Silver, un doctorat. Le candidat du laboratoire de Jerolmack a commencé par examiner d'abord des images de corps planétaires à travers le système solaire pour voir si la nature a des préférences pour certains modèles géométriques.
« J'ai regardé un tas d'images satellites de surfaces planétaires, je les ai comparées aux expériences en laboratoire et aux formations géologiques sur Terre, et j'ai essayé de comprendre les « empreintes digitales '' distinctes ou les signatures géométriques dans leurs réseaux de crack, » Dit Silver.
Au sein de leur approche se trouve un système de classification simple qui analyse les proportions relatives de trois types de jonctions de crack: t's, x's et y.
« Le T prend en place une sorte de formation de mur de briques. Ils sont les plus courants, les plus ennuyeux – nous les voyons partout, sur terre et dans l'espace – et ils sont associés à des réseaux de fracture hiérarchiques formés par une rupture répétée, » Dit Silver.
Les réseaux dominés par les X sont rares – et ils n'apparaissent que dans la glace. « Jusqu'à présent, à l'exclusion de la Terre, nous n'avons repéré que X sur Europa, le plus petit de Jupiter de ses quatre plus grandes lunes, » Elle note. Ces modèles indiquent la cicatrisation des fissures et la surimprime – lorsqu'une fracture est scellée (souvent en rendant l'eau), permettant à de nouvelles fissures de se propager à travers la zone guéris, croisant des fissures plus anciennes pour créer une forme x.
Les jonctions Y, qui forment des schémas de type nid d'abeille, en revanche, commencent comme des jonctions t, puis, par une expansion et une contraction répétées, telles que ce qui est observé pendant les cycles de séchage humide dans la boue et les changements de température froids dans la glace – twist en y.
Modélisation de l'évolution des surfaces planétaires
Mathématicien Krisztina Regős, un doctorat. candidate à l'Université de technologie et économie de Budapest, a affiné le cadre mathématique avec son conseiller Domokos et son mathématicien Péter Bálint en traitant les réseaux de fracture comme des mosaïques évolutives, dont les modèles sont façonnés par leurs propres contraintes physiques spécifiques.
Le combler de cet écart entre les processus physiques et les modèles qu'ils forment ont contribué à conduire au développement de ce que les mathématiciens appellent la théorie des systèmes dynamiques.
« Si nous comprenons les règles régissant la façon dont les fissures se forment et changent, nous pouvons «rembobiner la bande» et reconstruire les cadres manquants du film, » dit Domokos. « Si nous avions des images réelles en accéléré d'une surface planétaire changeant au cours des millénaires, nous pourrions simplement regarder et apprendre. Mais comme nous ne le faisons pas, nous avons dû créer un modèle mathématique qui nous permet d'extraire le temps de l'espace. »
Le modèle de Regős mappe les modèles de fracture sur un plan symbolique – un espace mathématique abstrait où l'évolution des réseaux de fissure peut être tracée au fil du temps. En analysant les propriétés géométriques moyennes des mosaïques de fracture, en particulier, les proportions des jonctions T, X et Y, et observant comment ces grappes dans le plan symbolique, les chercheurs peuvent déduire comment ces réseaux se sont développés, même en l'absence d'observation directe.
« Nous n'avons pas de films de surfaces planétaires craquant et passant sur les éons, » Domokos dit, « Mais ce modèle nous permet de créer quelque chose de similaire. En utilisant un modèle dynamique qui intègre les règles de fracture et de changement, nous pouvons nous rapprocher de l'évolution, en prédisant comment un réseau de crack a commencé et comment il peut se terminer. »
Pour valider leur approche, l'équipe a comparé les prédictions de leur modèle aux observations géologiques existantes des modèles de fracture sur Terre, Mars, Vénus et Europa. Les prédictions du modèle s'alignent sur les informations géologiques liées à la formation des réseaux de fracture dans chaque cas, amenant les chercheurs à décrire leur modèle comme un « Jolly bonne supposition. »
En avant
« Ce projet a commencé avec une catégorisation géométrique absurdement simple des réseaux de crack, » Notes Jerolmack. « La théorie des systèmes dynamiques a ensuite distillé les différents mécanismes de craquement en règles géométriques absurdement simples. Nous avons créé un univers jouet de motifs et de processus de fracture; Étonnamment, l'univers réel semble heureux de se conformer à ce modèle. Mais nous devons tester davantage cela. »
L'argent exécute actuellement des expériences conçues pour recréer des processus de craquage planétaire dans des conditions contrôlées – en particulier, simulant les fissures de boue sur Mars et la glace fissurée sur Europa. Ces expériences permettront aux chercheurs de regarder vraiment le film d'un réseau de crack évoluer, permettant à l'équipe d'effectuer un fort test du modèle de crack dynamique.
« J'espère que la présentation de ces résultats des expériences et la façon dont ils corroborent le modèle influenceront plus de personnes pour mettre en œuvre cette méthode sur les surfaces planétaires, sur les surfaces de la Terre et même en laboratoire, » Dit Silver.
« Je veux idéalement voir cette méthodologie largement reproduite et utilisée par plusieurs personnes dans plusieurs domaines différents… identifiant potentiellement de bons endroits pour envoyer un rover; Par exemple, ce serait cool si quelqu'un pensait, « Oh, cet endroit a beaucoup d'hexagons ici – peut-être que cela signifie qu'il a été mouillé et séché un tas, » et pensé lancer une sonde. »
Et même s'ils n'auront pas de films réels sur le terrain sur d'autres planètes au cours des 20 à 30 prochaines années, ils prévoient d'utiliser des images statiques à partir de missions spatiales pour continuer à créer des outils et des cadres pour faire des inférences sur ce qui peut arriver ce qui va arriver pour chaque planète.
« Ce fut une excellente occasion de travailler sur ce projet interplanétaire, » Dit Regős, « Parce que même si vous ne pouvez pas encore faire ces films, je pense que cela aura un impact sur la façon dont nous abordons les voyages dans l'espace. »
L'équipe anticipe avec impatience l'arrivée de l'Europa Clipper de la NASA, qui devrait arriver à Jupiter en 2030, et Jupiter Moons Explorer (Juice) d'Esa, qui est déjà en route vers les lunes de Jupiter, car ils fourniront des images haute résolution de mondes couverts de glace qui offriront de nouvelles opportunités pour tester leur cadre.
« Nous avons construit cette structure théorique, mais le véritable test viendra lorsque nous aurons des images fraîches à haute résolution de ces surfaces planétaires, » Dit Jerolmack. « Avec des données plus détaillées des missions à venir, nous pouvons affiner notre modèle, tester son pouvoir prédictif et même identifier des endroits où nous devons rechercher des preuves d'une activité aquatique passée. »
L'équipe espère également collaborer avec des géologues planétaires étudiant les anciens lits de lac sur Mars et la croûte glacée d'Europa, en utilisant leur méthode pour faire des inférences plus précises sur les conditions environnementales dans ces paysages.
