A l'origine d'Hypérion et des anneaux de Saturne

Dans un article à paraître dans Planetary Science Journal, une équipe de chercheurs montrent grâce à des simulations que Hypérion serait le résultat d'une collision spectaculaire entre Titan et une lune ancienne suite à une déstabilisation orbitale. Cette découverte contribue à expliquer l'origine du système d'anneaux de Saturne.

Dans leur article, Matija Ćuk (Institut SETI) , et ses collaborateurs présentent un nouveau modèle à l'aide de simulations numériques pour l'évolution dynamique récente du système de satellites saturniens. Ils se sont fondés sur plusieurs faits observés : premièrement la jeunesse apparente des anneaux de Saturne (démontrée depuis quelques années), deuxièmement  la jeunesse dynamique apparente des lunes internes de taille moyenne. Troisièmement, le fait qu'on observe une migration de marée rapide de Titan. Quatrièmement, l'observation d'un amortissement rapide de l’inclinaison et de l’excentricité de Titan, et pour finir, ils ont pris en considération que Saturne semble être récemment sortie de sa résonance spin-orbite passée supposée avec les autres planètes.

Selon Ćuk et ses collaborateurs, Hypérion, petite lune irrégulière en résonance orbitale 4:3 avec Titan,  serait bien plus jeune qu'on ne l'a longtemps supposé. De plus, l'orbite allongée actuelle de Titan implique qu'il a migré vers l'extérieur d'environ 4 à 5 % depuis que les deux lunes sont entrées en résonance. Et cette résonance s'est probablement formée il y a seulement 400 à 500 millions d'années seulement.

Pour expliquer la jeunesse apparente d'Hyperion, les chercheurs proposent un scénario dans lequel une lune supplémentaire de taille moyenne, qu'ils baptisent proto-Hyperion, aurait autrefois orbité entre Titan et Japet. À mesure que l'orbite de Titan s'élargissait, le système se déstabilisait ; le proto-Hyperion aurait été entraîné sur une trajectoire chaotique et aurait fini par entrer en collision avec Titan.

La fusion aurait rompu la résonance spin-orbite de longue date entre Saturne et les planètes, modifiant ainsi l'obliquité de la géante gazeuse. Dans le même temps, les débris de l'impact auraient pu s'accumuler pour former l'Hyperion actuel, dont la faible densité et la forte porosité suggèrent une structure d'amas de débris plutôt qu'un corps primordial plus "lisse".

Les simulations numériques réalisées par l'équipe montrent que les collisions entre Titan et la lune hypothétique se produisent fréquemment dans de telles conditions. Et dans de nombreuses simulations, Japet acquiert des inclinaisons et des excentricités orbitales similaires à celles observées aujourd'hui, compatibles avec des perturbations gravitationnelles survenues pendant l'instabilité.

Les simulations indiquent aussi que l'orbite de Titan se déplacerait généralement vers l'extérieur lors de la fusion, permettant ainsi à sa migration de marée en cours de reprendre. Ćuk et ses collaborateurs avancent l'hypothèse qu'un Titan excentrique, excité durant l'événement, aurait pu déstabiliser les lunes internes de Saturne par le biais d'interactions résonantes.

Des preuves indépendantes ont déjà suggéré un âge relativement jeune pour les anneaux de Saturne,  peut-être quelques centaines de millions d'années seulement (nous en avions parlé ici en 2019 et 2023), des preuves se basant sur leur masse, leur composition et leurs interactions avec les lunes voisines. Le nouveau modèle relie cette période au même épisode qui a produit Hyperion et remodelé le système externe.

Les auteurs réexaminent également l'histoire de Rhéa, dont la migration rapide vers l'extérieur implique qu'elle aurait franchi la résonance d'évection avec le Soleil au cours des dernières centaines de millions d'années. Or, de tels marqueurs dynamiques sont plus compatibles avec un système ayant subi un réarrangement récent et à grande échelle qu'avec un système resté inchangé pendant des milliards d'années.

En résumé, la séquence d'événements en trois étapes qui est proposée par les auteurs est la suivante : 

1ère étape : Une instabilité du système externe se produit il y a environ 400 millions d'années, lorsque Titan a capturé un satellite extérieur (Proto-Hyperion) et est entré en résonance 2:1, ce qui a finalement conduit à la collision entre Proto-Hyperion et Titan. Hyperion a ensuite été accrété à partir d'une petite fraction des débris issus de cette collision, pour être capturé ultérieurement et entrer dans sa résonance actuelle de 4:3 avec Titan. Les perturbations pré-collision dues à Proto-Hyperion ont modifié les excentricités et les inclinaisons de Titan et de Japet.

2ème étape : il y a 50 à 200 millions d'années, le membre le plus externe de la paire de lunes internes (« Proto-Dione » et « Proto-Rhéa ») entre en résonance 4:1 avec Titan, excentrique et incliné. L'excitation orbitale résultante des orbites des lunes internes conduit à leur collision mutuelle. Cette collision génère les lunes internes actuelles et les anneaux de Saturne.

3ème étape : il y a moins de 50 millions d'années, Titan et Japet traversent leur résonance 5:1, ce qui perturbe encore l'orbite de Japet et présente un risque important d'éjection de Japet.

Bien que les événements décrits ici se soient déroulés il y a des centaines de millions d'années et soient difficiles à confirmer directement, des observations récentes ont constamment remis en question les modèles précédents et ont révélé de nouvelles dynamiques. Notre hypothèse prédit un système saturnien dynamiquement actif et relativement jeune, dont la configuration actuelle résulte d'événements récents et spectaculaires.

Les futures données orbitales, géophysiques et géologiques, notamment celles issues des missions ciblant les lunes de Saturne, permettront de tester ce scénario de manière essentielle. Ces données comprendront des déterminations indépendantes du taux de précession axiale de Saturne et de l'évolution orbitale de Titan, des paramètres de marée et de rotation de Titan, ainsi que de l'âge de la surface de Titan et des autres lunes. Que la séquence d'événements soit confirmée ou non, ce travail contribue à formuler de nouvelles hypothèses très pertinentes sur l'évolution du système de satellites de Saturne.

Source

Origin of Hyperion and Saturn’s Rings in A Two-Stage Saturnian System Instability

Matjia Cuk et al.

à paraître dans The Planetary Science Journal

https://www.arxiv.org/abs/2602.09281

Illustrations 

1. Hyperion imagé par la sonde Cassini le 26 septembre 2005 à une distance d'environ 34 000 km (NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute).

2. Illustration de la séquence d'événements du modèle proposé (Matija Ćuk  et al.)

3. Matija Ćuk