03/02/2016

Les Anneaux de Saturne nous cachent encore beaucoup de choses

Alors que les anneaux sont une caractéristique partagée par toutes les planètes géantes gazeuses de notre système solaire, ceux de Saturne sont de très loin les plus majestueux, par leur taille et leur complexité.



Lorsque Galilée les a découverts pour la première fois en 1610 avec sa lunette, il voyait des protubérances de part et d’autre de Saturne et avait pensé qu’il s’agissait soit d’ «étoiles » supplémentaires ou soit d’une structure solide attachée à la planète formant comme des sortes de poignées. Il fallut attendre 1659 pour que Christiaan Huygens détermine que les protubérances observées étaient en fait un anneau entourant Saturne. Enfin, Giovanni Cassini parvint à observer une structure interne dans cet anneau en 1675, donnant son nom à la division séparant l’anneau en deux sections.

L'anneau B de Saturne apparaît ici presque noir dans cette image
de Cassini  prise du côté non éclairé du plan des anneaux
(NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)
Galilée, Huygens et Cassini pensaient tous que l’anneau de Saturne était un objet solide. On doit à l’astronome français Jean Chapelain en 1660 l’idée selon laquelle l’anneau pourrait être non pas fait d’un seul tenant mais être constitué d’une multitude de petites particules.
Cette idée visionnaire a pu être confirmé théoriquement seulement deux siècles plus tard en 1859, par le grand physicien James Clerk Maxwell, le père de l’électromagnétisme, dans son fameux traité On the Stability of the Motion of Saturn's Rings où il calculait qu’un anneau solide rigide de cette taille ne pouvait pas rester stable dynamiquement du fait des forces de gravité : il devait être constitué de particules indépendantes, liquides ou solides.

Depuis Maxwell, Saturne a été la cible des meilleurs télescopes terrestres et spatiaux, y compris Hubble. Mais elle a surtout été l’objet de visites de sondes spatiales, soit des sondes de passage comme Pioneer 11, ou les deux Voyager, soit avec une mise en orbite comme la sonde Cassini qui débute sa douzième année en orbite Saturnienne.
Les anneaux de Saturne ont été observés minutieusement et de plus en plus finement grâce à ces missions. Cassini nous a permis d’en apprendre beaucoup plus en l’espace d’une décennie que tout ce qu’on avait appris depuis Galilée…
L’anneau de Saturne se divise en bien plus que deux sections, on en compte aujourd’hui 7. Ces anneaux sont répertoriés par une lettre et sont séparés par un petit espace quasi vide qu’on appelle une division, la plus connue étant celle séparant l’anneau A et l’anneau B, découverte par Giovanni Cassini. Du plus proche de Saturne vers le plus éloigné, nous avons ainsi les anneaux D, C, B, A, F, G et E. En 2009, le télescope infra-rouge Spitzer a également découvert un gigantesque anneau de matière (poussière) très épais, visible qu’en infra-rouge et située entre 6 et 18 millions de kilomètres de la planète, sans commune mesure en taille avec les anneaux de glace.
Les anneaux de Saturne sont en effet composés de blocs de glace allant du micromètre à la dizaine de mètres. Ils s’étendent jusqu’à 464 000 km au-dessus de la surface la planète, et leur épaisseur est extrêmement fine : environ 10 m seulement !...
L’un des anneaux, l’anneau B, apparaît visuellement différent des autres anneaux. Il est plus sombre, plus opaque d’un facteur 10. Cette opacité est mesurée d’une part en mesurant la réflectivité, et aussi en transmission, en observant des étoiles à travers l’anneau. Pour expliquer ce phénomène, la première idée intuitive était de dire que l’anneau B est beaucoup plus massif ou plus dense que les autres.
Mais il se trouve que cette solution ne tient plus. Une mesure vient en effet pour la première fois d’évaluer directement la densité de surface de l’anneau B. La valeur obtenue est certes plus élevée que celle de l’anneau A, mais seulement d’un facteur 2 à 3, ce qui est tout à fait insuffisant pour expliquer cette grosse différence d’opacité d'un facteur 10.
Matthew Hedman (Université de l’Idaho) et Phil Nicholson (Cornell University) ont utilisé les données de Cassini pour étudier les ondes de densité parcourant l’anneau B, qui sont produites par les interactions gravitationnelles des satellites proches.

Structure des anneaux de Saturne (mosaique produite par la sonde Cassini), l'anneau B apparaît le plus clair ici en réflection (cliquez pour agrandir) (NASA/JPL-Caltech)
La mesure de l’évolution de ces ondes de densité permet de remonter à la valeur de la densité de surface de l'anneau. Les chercheurs montrent ainsi que la distribution de masse reste relativement constante malgré le changement important d’opacité entre l'anneau A et l'anneau B. L’opacité observée sur l’anneau B ne peut pas être attribuée entièrement à la masse impliquée, même si l’anneau B, de 25500 km de large, est sans doute le plus massif de tous les anneaux de Saturne. Hedman et Nicholson évoquent la possibilité, du coup, que la différence d’opacité soit due à une différence dans la taille ou dans la densité des grains, ou encore à une différence dans la structure même de l’anneau. Mais la question reste ouverte.
Le fait que l’anneau B soit finalement moins massif que ce que l’on supposait auparavant, indique qu’il pourrait être plus jeune que prévu. Un anneau léger doit en effet évoluer, et donc s’assombrir via une pollution de poussière d’impacts météoritiques, plus vite qu’un anneau plus dense.

Il reste environ deux ans à la sonde Cassini dans la phase finale de sa mission pour continuer son exploration des anneaux de Saturne. Elle pourrait même les traverser en 2017, de quoi améliorer encore bien d’avantage nos connaissances. Cassini avait déjà permis d’évaluer la masse totale de Saturne et ses anneaux par des mesures de champ gravitationnel. Elle devrait répéter cette mesure en 2017, cette fois pour Saturne seule en se faufilant entre la haute atmosphère Saturnienne et l’anneau D. La différence des deux mesures devrait enfin donner la masse totale des anneaux, une donnée cruciale pour les planétologues.

En mesurant pour la première fois directement la densité de l’anneau B, cette étude fait une grande avancée dans la compréhension de l’âge et de l’origine de la plus belle structure du système solaire.


Source :

The B-ring’s surface mass density from hidden density waves: Less than meets the eye?
M.M. Hedman, P.D. Nicholson
Icarus, sous presse, (22 January 2016)