samedi 6 octobre 2018

Découverte d'une ceinture de protons entre Saturne et son premier anneau


La phase finale de l'exploration de Saturne par la sonde Cassini n'aura pas été vaine, loin de là. Elle a mené à de nombreuses découvertes dont les résultats sont publiés aujourd'hui dans les journaux Science (qui en fait sa Une) et Geophysical Research Letters. La plus bluffante de ces découvertes est sans doute celle de l'existence d'une ceinture de radiations constituée de protons énergétiques située entre l'atmosphère de Saturne et son premier anneau : des protons qui viendraient de la désintégration spontanée de neutrons.




On se souvient que les 22 dernières trajectoire de Cassini avant sa plongée dans Saturne avait été définies pour étudier l'interstice situé entre la planète et son premier anneau. Les scientifiques responsables de la mission avaient tenté le pari, ne sachant pas exactement quel environnement ils allaient faire subir à la sonde. Plusieurs équipes ont exploité les données enregistrées par Cassini dans plusieurs domaines : champs magnétiques, rayonnement ionisant, plasma, analyse de poussières et molécules. Ces résultats sont compilés dans six articles que publie Science cette semaine, on y constate notamment que les mesures du champ magnétique implique l'existence d'un processus dynamo complexe induit par de multiples couches à l'intérieur de Saturne. On découvre également l'ampleur des transferts de matière entre le premier anneau et l'atmosphère de la géante gazeuse, mais nous y reviendrons bientôt.

Elias Roussos (Max Planck Institute for Solar System Research) et ses collaborateurs, eux, décrivent ce qu'ils ont trouvé grâce à l'instrument MIMI (Magnetosphere Imaging Instrument) de Cassini : une ceinture de rayonnement supplémentaire dans l'interstice entre Saturne et l'anneau D, qui vient s'ajouter à la grande ceinture de rayonnement qui entoure la planète au delà de ses anneaux.
Les anneaux principaux de Saturne, de par leur densité et leur taille, empêchent le transport de particules chargées électriquement vers la proximité immédiate de la planète, même si elles se trouvent confinées dans la magnétosphère. Cet isolement de la région située entre l'atmosphère de Saturne et l'anneau D permet donc d'étudier la source des particules énergétiques qui s'y trouvent et leurs processus de perte. Roussos et ses collègues mesurent dans cette petite zone qui s'étend entre 1,03 et 1,22 fois le rayon de Saturne (le rayon de Saturne RS vaut 60 268 km), des protons dont l'énergie s'étale entre 25 MeV et plusieurs GeV. Cette véritable ceinture de particules est limité dans son extension externe par ce qu'on appelle un annelet (une portion de l'anneau D), D73. Par ailleurs, un autre annelet, le D68, situé à 1,12 RS coupe en deux la population de particules piégées.

Le bord externe de la ceinture de protons, selon les chercheurs, apparaît s'atténuer par des interactions avec les grains de poussière de l'anneau D. Ce qu'ils montrent aussi, c'est que le flux de protons est très anisotrope : il est plusieurs dizaines de fois plus intense au niveau de l'équateur qu'aux plus hautes latitudes. En revanche, cette ceinture semble très stable dans le temps : au cours des 5 mois que Cassini à passé entre la planète et son anneau D, aucune variation n'a pu être décelée.
Quelques protons de basse énergie (quelques dizaines de keV) ont été également détectés en provenance d'une zone inférieure à 1,06 RS, mais en revanche, les électrons (entre 18 keV et plusieurs MeV) et les ions lourds (sur la plage 27 keV - plusieurs centaines de MeV/nucléon) semblent absents de cette nouvelle ceinture de particules. Leur flux doit en tout cas être très proche ou inférieur à la limite de détection de l'instrument MIMI.
Tous ces indices : spectre énergétique, profil radial, stabilité du flux dans le temps et absence d'ions lourds mènent sur la piste de l'origine de ces protons, d'après Roussos et son équipe. Le processus principal qui serait en jeu serait le CRAND (Cosmic Ray Albedo Neutron Decay, ou Désintégration de neutrons issus d'albédo de rayons cosmiques). Lorsque des rayons cosmique galactiques (des noyaux d'atome légers très énergétiques venant de l'extérieur du système solaire) viennent interagir avec les couches atmosphériques de Saturne ou bien avec les grains de glace des anneaux, des réactions nucléaires ont lieu et produisent des neutrons, qui se retrouvent alors éjectés un peu partout dans l'environnement. Mais le neutron quand il ne se trouve pas dans un noyau d'atome possède une durée de vie très limitée : il se désintègre naturellement en un proton, un électron et un antineutrino, avec une période de 888 s. La grande partie des protons formant la ceinture interne seraient ces résidus de neutrons produits initialement par les rayons cosmiques galactiques.

L'existence d'une telle ceinture de radiations interne, entre l'atmosphère de Saturne et ses premiers anneaux, était totalement imprévue. Les 5 mois d'exploration risquée de la sonde Cassini sur ses 13 ans d'activité auront permis de découvrir les secrets intimes de Saturne et de ses particules (à suivre...).


Sources

A radiation belt of energetic protons located between Saturn and its rings
E. Roussos et al.
Science  Vol. 362 (05 Oct 2018)

Saturn's innermost radiation belt throughout and inward of the D‐ring
P. Kollmann,  E. Roussos , A. Kotova,  L. Regoli,  D. G. Mitchell,  J. Carbary,  G. Clark , N. Krupp C. Paranicas
Geophysical Research Letters (04 October 2018)


Illustrations

Schémas de la distribution spatiale de la ceinture de radiations interne découverte par Cassini (E. Roussos et al. / Science)