Une méthode très efficace pour étudier les anneaux de Saturne est d'observer des étoiles à travers ces anneaux. La sonde Cassini a été utilisée pour ce genre d'étude par l'observation de la diffraction de la lumière par les bords des anneaux de la géante lors d'occultation d'étoiles. Les résultats sont publiés cette semaine dans le journal de planétologie Icarus.
En tout entre juillet 2004 et août 2017, le spectrographe UVIS de Cassini a permis d'observer 275 occultations stellaires par les anneaux de Saturne. Stephanie Eckert (Université de Floride) et ses collaborateurs ont exploité ces mesures pour mesurer et caractériser les plus petits grains qui forment les anneaux de Saturne. C'est sur les bords des anneaux que peuvent être faites ces observations d'occultation et les mesures de diffraction de la lumière qui en découle. La diffraction de la lumière des étoiles par les grains de glace des anneaux de Saturne produit des petits sursauts de luminosité dans le détecteur de la sonde (par rapport au niveau normal de luminosité de l'étoile lorsqu'elle n'est pas occultée par l'anneau). Et ces signaux de diffraction (forme et amplitude) sont directement liés à l'abondance et à la taille des grains qui en sont à l'origine. Les planétologues ont ainsi analysé les bords des anneaux A et B ainsi que les divisions de Encke et de Keeler et plusieurs annelets comme R6 (surnommé l'Etrange annelet), l'annelet de Huygens et l'annelet de Titan. En tout, c'est 17 régions en bordure de structure annulaire que Stephanie Eckert et ses collaborateurs ont observé via des occultations stellaires enregistrées par la sonde Cassini.
Les observations du spectrographe UVIS de Cassini étaient effectuées dans le domaine UV. Ce que parviennent à déterminer Eckert et son équipe, c'est une très nette différence dans la taille des grains de glace selon la zone des anneaux. Les bords des annelets situés dans la division de Cassini (l'interstice séparant les anneaux A et B) ou le bord de l'anneau C (bord interne de l'anneau B) montrent beaucoup moins de signaux de diffraction que le bord externe de l'anneau A. Il y a donc des grains de beaucoup plus petite taille sur le bord extérieur de l'anneau A, l'anneau principal le plus externe de Saturne. La taille minimum des grains que les chercheurs déterminent est comprise entre 4,5 mm et 66 mm.
Pour expliquer pourquoi il y aurait des grains plus petits qu'en moyenne dans les régions les plus externes des anneaux saturniens, les planétologues font le lien avec le fait que ces zones externes sont aussi celles qui sont le plus perturbées par des effets de résonance gravitationnelle des satellites. Une thèse de 2016 (Tracy Becker, co-auteure de cette étude) avait en effet montré des indices de ce même effet et une modélisation de 2012 par l'astrophysicien Larry Esposito et collaborateurs (la même équipe) indiquait que de gros agrégats pouvaient se former dans ces zones de forte résonance et pouvaient alors accélérer à leur tour les petits grains et donc provoquer d'avantage de collisions destructrices entre ces petits grains, conduisant naturellement à des particules de taille plus petite encore.
Cet effet liant vitesse de collision et taille de grain avait été identifié à la même époque dans une autre étude. La perturbation des bords externes par des résonances gravitationnelles de satellites aurait donc pour effet d'un côté de fabriquer des blocs plus gros (agrégation) et de l'autre de produire des grains plus petits par accélération puis collision... Les zones qui ne sont pas sujettes à une résonance gravitationnelle d'un satellite sont en tous cas clairement dépourvues de grains de taille subcentimétrique d'après les résultats de Eckert et son équipe.
Trois ans après la fin de sa mission, la sonde Cassini, par les nombreuses données qu'elle a acquises, parfois par des méthodes très astucieuses, nous permet encore d'apprendre des nouvelles choses sur Saturne et ses anneaux. Et ça devrait continuer encore quelque temps...
Source
Sizes of the smallest particles at Saturn's ring edges
Stephanie Eckert et al.
Icarus (1 december 2020)
Illustrations
1) Saturne imagée par Cassini (NASA/JPL Caltech)
2) schéma de la structure des anneaux de Saturne et des principaux satellites (NASA/JPL Caltech)
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