vendredi 18 janvier 2019

Saturne : des anneaux toujours plus jeunes


Une récente étude à partir de données de la sonde Cassini avait montré que les anneaux de Saturne allaient disparaître dans seulement quelques centaines de millions d’années (voir ici). Aujourd’hui, une nouvelle étude produite elle aussi avec les dernières données de la sonde Cassini estime la masse totale des anneaux et montre que leur âge doit être revu fortement à la baisse : ils auraient entre 10 et 100 millions d’années...




Lors des 6 derniers passages de Cassini dans l’interstice séparant le premier anneau et le sommet de l’atmosphère saturnienne, une équipe internationale a mesuré avec une grande précision comment variait le mouvement de la sonde, en étudiant les minuscules décalages spectraux de ses signaux radios qui étaient reçus sur Terre. Cette mesure de dynamique leur a permis de déduire la forme du champ gravitationnel produit par Saturne, ainsi que la contribution des anneaux à la masse totale du système Saturnien. Des mesures gravimétriques du même genre avaient été effectuées par la sonde antérieurement mais à l’extérieur des anneaux, ce qui avait donné une valeur de la masse totale de la planète et de ses anneaux. Avec ses passages rapprochés près de la géante en 2017, les dernières mesures de Cassini ont mené à la masse de Saturne seule. Il était alors aisé de trouver quelle est la masse des anneaux.

Les informations obtenues sont très riches : non seulement Luciano Iess (Sapienza Universita à Rome) et ses collaborateurs arrivent à déterminer l’âge de formation des anneaux à partir de leur masse mais ils peuvent aussi estimer les flux de gaz dans les couches très profondes de Saturne. Et ils observent quelque chose d’inattendu là aussi : le champ gravitationnel de Saturne ne ressemble pas à ce que l’on imaginait, les chercheurs montrent qu’une grande partie des couches internes de Saturne, jusqu’à une profondeur de 9000 km, tourne plus vite que les couches plus profondes. Il existerait même une sorte de jet massif au niveau de l’équateur qui montre une vitesse de rotation 4% plus rapide que le reste de la planète. Cette structure, dont l’origine n’est pas expliquée, a pour effet d’accélérer la rotation des 15% les plus externes des couches atmosphériques, augmentant la force centrifuge et donc « soulevant » légèrement l’atmosphère de Saturne avec des effets mesurables sur le champ gravitationnel. Pour comparaison, des mesures gravimétriques similaires ont été effectuées par la sonde Juno autour de Jupiter et ont montré la présence d’une rotation différentielle du même type, mais seulement jusqu’à une profondeur de 3000 km, soit sur 3% de ses couches internes.


Les résultats obtenus ici sur Saturne seraient cohérents avec un modèle impliquant un noyau constitué d’éléments plus lourds que l’hydrogène ou l’hélium, et ce noyau aurait une masse comprise entre 15 et 18 fois la masse de la Terre (15% de la masse de Saturne). Cette information apporte un argument supplémentaire sur le modèle de formation des géantes gazeuse dit « bottom-up ». Ce dernier suggère que les géantes gazeuses étaient au départ des gros corps rocheux qui ont par la suite accrété de grosses quantités de gaz dans le disque protoplanétaire dans les premières dizaines de millions d’années du système solaire.

Mais revenons aux anneaux et à leur masse. Luciano Iess et son équipe ont donc réussi à « peser » les anneaux A, B et C dans leur totalité (la masse des petits anneaux diffus D, E, F et G est considérée négligeable) : 15,4 milliards de milliards de kg. Cela peut paraître un gros chiffre mais il n’en est rien. Les anneaux sont beaucoup plus légers que ce que les spécialistes pensaient. Cela correspond à moins de la moitié de la masse d’un petit satellite glacé comme Mimas (198 km de diamètre) (41% de sa masse exactement).

L’âge des anneaux de Saturne est directement ou indirectement lié à leur masse totale. Des considérations de dynamique ou de composition (comme la contamination de la glace par des poussières météoritiques) suggèrent que des anneaux de faible masse ne peuvent qu’être jeunes (de l’ordre de 100 millions d’années pour les anneaux A et B). En utilisant la valeur des flux de poussière mesurés par la sonde Voyager dans les années 1980, et une masse minimale pour les anneaux, les chercheurs convergent vers un âge compris entre 80 et 150 millions d’années pour l’anneau A et entre 30 et 100 millions d’années pour l’anneau B. Mais le flux de poussière a été réestimé par Cassini et donne une valeur 10 fois plus élevée que la valeur déduite des données de Voyager, grâce notamment à une meilleure compréhension du champ gravitationnel de Saturne. Cette réestimation du flux de particules de poussière impactant les anneaux a pour effet « mécanique » dans le calcul de les rajeunir encore un peu. En effet, plus les anneaux sont vieux, plus ils devraient apparaître « salis » par la poussière et ce d’autant plus que le flux de poussière est intense. Et cet effet d’obscurcissement des anneaux par la poussière possède une dépendance à leur masse. Aujourd’hui, la poussière contribue pour environ 1% de la masse totale des anneaux.


Iess et ses collègues estiment ainsi que les anneaux se sont formés il y a 10 à 100 millions d’années seulement. On se souvient qu’une étude indépendante avait trouvé au début 2018, pour la première fois, que les anneaux devaient être beaucoup plus jeunes que la planète elle-même, estimant un âge de 200 millions d’années. Ces premiers résultats se confirment donc, et avec une estimation encore revue à la baisse.

La connaissance de l’âge des anneaux de Saturne ne nous dit en revanche rien sur leur origine. La théorie en vogue stipule qu’un satellite de glace ou une grosse comète se serait approché trop près de Saturne, au-delà de sa limite de Roche, distance minimale avant que le champ gravitationnel de la planète ne détruise le petit corps. Il pourrait presque être tentant de faire un parallèle entre un bombardement cométaire sur Saturne et l’impact cométaire qui a mis fin au règne des dinosaures et de nombreuses autres espèces sur Terre il y a 65 millions d’années. Les deux événements auraient en effet eu lieu environ à la même époque (à plus ou moins 50 millions d’années). Rien aujourd’hui ne permet de faire cette corrélation, au-delà de la coïncidence temporelle assez large, mais on peut le garder à l’esprit…

Le fait que les majestueux anneaux de Saturne soient finalement très jeunes à l’échelle de l’âge de Saturne et sont voués à disparaître également dans relativement peu de temps implique que nous sommes très chanceux d’être ici et maintenant pour les admirer, mais cela implique aussi que la probabilité de voir des anneaux de ce genre autour d’exoplanètes est finalement plus faible que ce que l’on pouvait croire.



Source

Measurement and implications of Saturn’s gravity field and ring mass
L. Iess, B. Militzer, Y. Kaspi, P. Nicholson, D. Durante, P. Racioppa, A. Anabtawi, E. Galanti, W. Hubbard, M. J. Mariani, P. Tortora, S. Wahl, M. Zannoni
Science (17 Jan 2019)



Illustrations

1) Saturne imagée par Cassini (NASA/JPL Caltech)

2) Vue d'artiste de Cassini dans un de ses derniers passages rapprochés entre anneaux et atmosphère saturnienne (NASA/JPL Caltech)

3) Vue rapprochés des anneaux par Cassini en août 2009, avec l'ombre de deux satellites : Mimas (en bas) et Janus (au dessus) (NASA/JPL Caltech)

3 commentaires :

Martial a dit…

Bonjour
En 1968 Arthur C Clarke écrivait dans 2001 l 'Odyssée de l espace "En 1945 un astronome britannique avait déclaré que les anneaux étaient éphémères et que les forces gravifiques qui s’exerçaient sur eux les détruiraient bientôt. En renversant cette proposition, il était logique de conclure qu'ils n'avaient été formés que récemment, deux ou trois millions d'année auparavant. Mais nul n'avait jamais relevé que par une curieuse coïncidence les anneaux de saturne étaient nés en même temps que la race humaine".
Encore quelques améliorations de la précision des mesures (on est passé de 200 à 100 million d'années) et Arthur Clarke aura eu raison. Quel visionnaire !

Anonyme a dit…

Il me semble que Jupiter et Uranus possèdent également des anneaux très diffus. Avons-nous une idée de leurs âges ?

Dr Eric SIMON a dit…

Non nous n'avons pas d'estimations d âge pour les petits anneaux des autres planètes géantes...