Pluie d’Anneaux Sur Saturne

Les anneaux de Saturne sont composés d'une myriade d'objets de toutes dimensions, allant de grains submicrométriques jusqu'à des blocs de plusieurs kilomètres.

Ces grains formés presque entièrement d'eau pure ont une masse totale équivalente à celle d'une sphère de glace de 500 km.

Bien que de nombreux progrès aient été faits dans la compréhension de la dynamique du système d'anneaux de Saturne depuis l'exploration in situ avec des sondes, de grandes questions restent toujours en suspens : Comment les anneaux se sont-ils formés ? Sont-ils anciens datant de la formation de Saturne, ou bien plutôt jeunes ? 

Une observation inédite effectuée grâce au télescope Keck (1) montre un phénomène étonnant : les anneaux de Saturne subissent une érosion magnétique qui siphonne littéralement de grandes quantités de masse des anneaux pour en faire une pluie sur la haute atmosphère Saturnienne. Ce processus pourrait permettre d'expliquer certaines structures observées sur les anneaux et leur histoire.

Il faut savoir que la multitude d'objets composant les anneaux sont très bien décrits par la dynamique classique, ils ont une orbite képlérienne. Les caractéristiques des anneaux peuvent être décrites par la dynamique d'un ensemble de particules interagissant mutuellement par gravitation et collisions, en orbite ensemble  autour d'un corps central massif.

Jeu d'ombres des anneaux de Saturne vue par Cassini (JPL/NASA)

Toutes ces particules de glace se comportent en fait comme un gaz dense, caractérisé par une viscosité, une température et une pression. En revanche, le mouvement des particules très petites, celles dont la taille est inférieure au micromètre, va montrer une différence notable lorsqu'elles acquièrent une charge électrique suffisamment grande.

Ces petits grains de poussière de glace peuvent en effet subir des phénomènes de photoionisation ou être exposées à des plasmas denses produits par des impacts de micrométéorites, qui vont leur arracher (ou apporter) quelques électrons.

Il suffit seulement d’une charge d'électron en plus ou en moins pour un grain de 1000 molécules d'eau pour que ce grain commence à subir les effets gyromagnétiques dans un champ magnétique, dus à la force de Lorentz bien connue. 

Les grains chargés subissent à la fois un mouvement de rotation autour des lignes de champ ainsi qu'un mouvement associé à l’évolution spatiale des lignes de champ magnétiques elles-mêmes.

Ces grains chargés vont littéralement glisser le long des lignes de champ en réponse aux autres forces auxquelles ils sont soumis : gravitation, force centrifuge, force de gradient magnétique.

Mais là où n'importe quelle autre planète de notre système solaire possédant un champ magnétique aurait très vite dispersé ces petits grains chargés, Saturne ne le fait pas. Saturne possède en effet la caractéristique unique (dans notre système solaire, restons modestes) d'avoir son champ magnétique exactement symétrique par rapport à son axe de rotation. Cette spécificité, fait que les grains chargés électriquement ont seulement deux directions de mouvement possibles : soit ils sont conduits vers le dessus du plan de l'anneau, soit ils se retrouvent dans la direction opposée, mais dans les deux cas, ils se retrouvent plongés dans la haute atmosphère de Saturne.

C'est ce phénomène que l'on appelle une érosion magnétique.

Saturne capturée en 2009 par Hubble presque dans le plan des anneaux (avec Titan en transit, accompagné de Mimas, Dioné et Encelade)  (NASA/HST)

Pour mesurer la quantité de tels grains de glace tombant sur l'atmosphère saturnienne, O'Donoghue et ses collègues anglais, qui signent cet article paru dans Nature, ont utilisé une méthode indirecte : les molécules d'eau injectées dans l'atmosphère de la planète géante facilitent la recombinaison rapide des ions présents, savoir des ions H₃⁺. Il suffit alors d'observer la déplétion de cet ion via la baisse d'intensité de ses raies d'émission spécifiques (situées dans l'infra-rouge) pour en déduire la quantité d’eau présente.

Les auteurs montrent clairement la présence de quantités d'eau importantes tombant des anneaux en suivant les lignes de champ magnétique : une pluie d'anneaux...

L'étude indique également que le taux d'érosion annulaire observé en fonction du rayon n'est pas celui auquel on s'attendrait pour expliquer la formation sur plusieurs dizaines de millions d'années d'évolution de la frontière entre anneau C et anneau B ainsi que la transparence de l'anneau B. Mais le taux d'érosion est connu avec encore assez peu de précision, on ne sait par exemple pas encore déterminer la proportion d'eau qui est transportée par de simples ions ou par des grains submicroniques (qui est le plus efficace).

La technique novatrice utilisée est pleine de promesses pour améliorer notre compréhension de la formation et de l'évolution de ces anneaux, qui ressemblent probablement très peu à ce qu'ils étaient originellement.

L’érosion magnétique est un des processus qui façonne les anneaux que nous admirons aujourd'hui et une clé de leur formation passée. La pluie d'anneau nous annonce du beau temps en perspective...

Référence :

(1) The domination of Saturn's low-latitude ionosphere by ring 'rain'

      J. O. Donoghue et al. 

      Nature 496, 193–195 (11 April 2013)