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Saturne, père de Jupiter Les satellites (IV)
Avant l'exploration spatiale, on dénombrait 10 satellites autour de Saturne, l'anneau mis à part. Grâce aux découvertes des sondes spatiales Pioneer et Voyager leur famille compte aujourd'hui au moins 60 membres dont les 26 derniers furent découverts depuis 2004, notamment par David Jewitt de l'Université d'Hawaii. Voici par exemple la trace du 22eme satellite photographié par le CFHT d'Hawaii le 23 septembre 2000 (GIF de 184 KB). Le plus gros est Titan avec 5150 km de diamètre. Plus volumineux que Mercure mais plus petit que Ganymède, c'est l'un des rares satellites ayant conservé une épaisse atmosphère. Il fut découvert par Huygens en 1655 et est visible dans un petit instrument à la magnitude 8.3. Quatre autres satellites oscillent entre 1060 et 1530 km de diamètre : Téthys, Dioné, Rhéa et Japet à mesure qu'on s'éloigne de Saturne. Les trois premiers ont une magnitude comprise entre 9.7 et 10.4 et sont visibles comme des étoiles dans une petite lunette de 80 mm de diamètre. Ils furent découvert par Cassini entre 1655 et 1684. Mis à part Titan, Encélade est le plus intéressant car il est toujours en activité. Hypérion présente également d'intéressantes formations ainsi que Phoebé qui cache un manteau d'eau glacée. Voyons tout cela en détail. Mimas, alias "Death Star" Mimas est une petite lune de 397 km de diamètre qui fut découverte par Herschel en 1789 en même temps qu'Encélade. Mimas gravite à 185000 km du centre de Saturne, donc juste au-dessus de l'anneau G extérieur et brille à la magnitude 12.8. La physionomie de Mimas nous rappelle quelque chose de connu, un objet qui fait aujourd'hui partie de notre culture cinématographique...Je ne plaisante pas ! La surface de Mimas est dominée par un immense cratère d'impact de 130 km de diamètre et de 10 km de profondeur dont les remparts s'élèvent à 5 km. Sa forme fait inévitablement penser à la planète artificielle de Darth Vader dans "Star Wars", Death Star. La coïncidence est étonnante d'autant que ni les scénaristes ni G.Lucas n'y avaient pensé.
Les fontaines d'Encélade Encélade mesure 499 km de diamètre et brille à la magnitude 11.8. Il gravite à 235000 du centre de Saturne, soit un peu au-delà de l'anneau G. Comme la plupart des satellites glacés de Saturne, Encélade présente une densité de 1.2. Il est en fait enveloppé d'un manteau de glace recouvrant un petit noyau rocheux. Du fait de sa surface glacée, Encélade réfléchit pratiquement 100% de la lumière du Soleil. C'est également pour cette raison qu'il présente une température superficielle très froide de -201 °C. Encélade ne présente pratiquement aucun cratère de diamètre supérieur à 35 km. Sa surface est constituée d'un mélange assez curieux de cratères aux remparts doux et arrondis, de plaines, de montagnes et de zones de fractures très complexes qui ont déformé son écorce. Grâce à la mission Voyager 2 de 1981, les astronomes savaient qu'Encélade était le siège d'une activité géologique. En effet, son relief qui semble avoir été fondu indique que l'intérieur est peut être encore liquide, même s'il aurait déjà dû être froid et solidifié depuis des milliards d'années. Les astronomes pensent qu'Encélade est réchauffé par un mécanisme de marée similaire à celui qui se produit sur le satellite Io de Jupiter. L'orbite d'Encélade est également perturbée par le champ gravitationnel de Saturne et par les deux gros satellites proches, Téthys et Dioné. Tous ces phénomènes génèrent des actions mécaniques sur Encélade et libèrent un peu de chaleur.Pour essayer de préciser ces hypothèses et les modèles d'Encélade, en 2005, la NASA envoya la sonde spatiale Cassini survoler par trois fois Encélade et y effectuer des mesures dans différents rayonnements. Les mesures infrarouges ont révélé que la région du pôle Sud avait une température 20° supérieure à celle des régions environnantes, -188°C contre -208°C (85 K contre 65 K) alors que les modèles ne prévoyaient qu'une différence de 15° et aucun réchauffement particulier au pôle Sud. Les mesures de la température réalisées au-dessus d'une faille ont également indiqué que celle-ci était 17° plus chaude que la surface glacée située à quelques dizaines de kilomètres de distance (voir image ci-dessus). Et les découvertes se sont succédées. Ainsi, au cours de deux occultations d'étoiles par Encélade (Lambda Scorpii en février 2005 et Bellatrix en juillet de la même année, le spectromètre imageur UV de Cassini détecta l'extinction progressive de la luminosité de ces étoiles près du limbe d'Encélade, preuve incontestable de la présence d'une atmosphère autour de cette lune. L'étude spectrale mis en évidence de la vapeur d'eau. Des examens complémentaires ont confirmé que ces jets n'émanent pas de toute la surface d'Encélade et de même que la glace d'eau, ils se concentrent principalement dans la région du pôle Sud.
Déjà
en mars 2005, le magnétomètre de Cassini avait mis en évidence une
déflection du champ magnétique de Saturne autour d'un objet conducteur, plus exactement autour de la
position d'Encélade. Cela signifiait concrètement que le plasma chaud
entourant Saturne était dévié par une atmosphère assez étendue, d'au moins 500
km d'épaisseur. Enfin,
le 27 novembre 2005, les astronomes révélèrent une découverte encore plus
étonnante (faite en janvier 2005). En photographiant le croissant d'Encélade à contre-jour, ils
découvrirent ce que le JPL baptisa les "fontaines
d"Encélade". Ainsi qu'on le voit nettement sur la photographie
présentée ci-dessus à droite, la région du pôle Sud d'Encélade rejette dans l'atmosphère d'importants
jets de gaz jusqu'à 505 km d'altitude ! Selon le Dr. Andrew Ingersoll du
Caltech, il s'agirait de particules glacées constituées de vapeur
d'eau et de poussières émises par des évents sous pression. Pour que ces aérosols soient
portés jusqu'une si haute altitude, ils doivent présenter une certaine
densité ce qui implique une température étonnamment chaude
pour un corps aussi froid qu'Encélade. Ainsi
après Io, Triton et Titan, Encélade est le quatrième satellite du
système solaire à toujours présenter une activité géologique. Phoebé Phoebé à l'inverse, est
le satellite le plus éloigné (12953000 km) et présente un diamètre de 230 km seulement.
Il fut découvert par Pickering en 1898. Commet Japet il n'orbite pas dans le plan de Saturne et constitue
probalement un objet capturé voici plusieurs milliards d'années.
Phoebé photographié par la sonde Cassini le 11 juin 2004 à 2068 km de
distance. Document NASA/JPL/SSI. D'après les images transmises par la sonde
Cassini (ci-contre) le 11 et 12 juin 2004 à 2068 km de distance, Phoebé
présente plus de ressemblances avec les comètes et les KBO qu'avec les lunes
classiques ou les astéroïdes. Il ressemble à un astéroïde extrêmement cratelé couvert de matière
sombre constituée de matière ferreuse, de cristaux de glace carbonique
et d'éléments encore inconnus. Sa surface présente également des
glissements de terrain, des sillons, des failles et des crêtes. Phoebé
aurait été formé il y a plus de 4 milliards d'années dans les régions reculées et froides
du système solaire. Il cache un manteau de glace d'eau partiellement visible sur les parois des
cratères (zones blanches). Cette glace ne se sublime pas en raison du
froid intense (-190°C). Tous ces éléments donnent à Phoebé une stucture
atypique que ne possède aucun astéroïde ni les satellites de Mars.
Treize
autres satellites très irréguliers ressemblent à des astéroïdes, tel Hypérion ou
Janus respectivement découverts par Bond et Dollfus en 1848 et 1966. Leur densité moyenne est
également proche de 1.2 et présentent une forme irrégulière. Hypérion
et les autres satellites
Hypérion
en couleurs accentuées photographié par la sonde Cassini le 29 septembre 2005 à
62000 km de distance. La résolution est de 362 m/pixel. Notez les dépôts
sombres au fond de certains cratères. Document NASA/JPL/SSI. Hypérion
est assez particulier. Photographié par la sonde Cassini en
septembre 2005, il mesure 280 km de diamètre et ressemble à une éponge. Il
présente de très nombreux cratères au fond sombre. La composition de ces dépôts
reste inconnue. La surface
d'Hypérion montre les signes d'une érosion thermique, au cours de laquelle les
matériaux sombres accumulés au fond des cratères sont
réchauffés par le Soleil, fondent et s'inflitrent dans la surface
où ils provoquent la vaporisation de la glace. Les planétologues
pensent que la surface d'Hypérion pourrait cacher d'immenses cavernes
formées suite à cette activité souterraine. Attardons-nous
également sur les effets de la gravitation. Celle-ci a en effet provoqué des effets spectaculaires sur le comportement des satellites de
Saturne. Dioné et Téthys par exemple, larges d'un bon millier de kilomètres, sont escortés chacun par deux satellites
"gardiens". Ils gravitent sur la même orbite que les deux lunes,
chacun étant placé sur les points de Lagrange, l'un se maintenant 60° devant son hôte, l'autre 60°
dernière lui. Deux autres satellites, Epiméthée et Janus, proches de l'anneau
G sont coorbitaux. Dans son mouvement autour de Saturne, Epiméthée, le
satellite intérieur rattrape Janus situé un peu plus haut sur l'orbite.
Lorsque les deux satellites sont proches l'un de l'autre, leurs forces
gravitationnelles réciproques entraînent une modification du moment orbital
des deux corps. En accord avec les lois de la mécanique, le satellite intérieur
diminue de vitesse, passe sur une orbite plus haute, tandis que le satellite extérieur
passe sur une orbite plus basse, accusant une accélération. Tous les quatre
ans ce couple change ainsi de place. Tous les satellites de Saturne pour lesquels nous connaissons la vitesse de rotation accusent une rotation synchrone à l'exception de Phoebé et Hypérion. Enfin, un phénomène de résonance maintient également 3 couples en interactions gravitationnelles : Mimas-Téthys, Encélade-Dioné et Titan-Hypérion. Tous sont liés gravitationnellement deux à deux. Ainsi la période orbitale de Mimas est exactement la moitié de celle de Téthys. Leur système est en résonance 1:2. Encélade-Dioné présence également une résonance 1:2 tandis que le système Titan-Hypérion est en résonance 3:4. Les 12 petits satellites découverts en 2005 (en fait observés dès 2004 et dont voici une image) mesurent entre 3 et 7 km et orbitent si loin de Saturne (demi grand-axe compris entre 16 et 22 millions de km) qu'il leur faut entre 2.2 et 3.7 ans pour accomplir une révolution ! Selon Jewitt, il s'agit vraisemblablement d'astéroïdes de la Ceinture, mais à partir des simulations il ne comprend pas comment ils ont pu se retrouver sur leur orbite actuelle et si loin de Saturne. Les modèles doivent être affinés en étudiant plus de petits corps et en injectant leurs paramètres dans les programmes de simulation. A
ces 12 satellites, il faut ajouter 14 nouveaux petits corps. Le 60eme
satellite fut identifié en 2004 déjà, mais la découverte ne fut confirmée
que le 19 juillet 2007. Il a temporairement été baptisé S/2007
S4. Mesurant environ 2 km de longueur, il gravite entre les orbites de
Méthone et Pallène à 197700 km de Saturne.
Titan Plus grand que Mercure et Pluton, c'est le seul satellite dans le système solaire à disposer d'une épaisse atmosphèree. Titan fut visité par la sonde spatiale Voyager 1 en 1980 et en juin 2004 par la sonde Cassini-Huygens. Survolé la première fois à moins de 4000 km de distance, les images de Voyager 1 avaient toutefois laissé les astronomes sur leur fin. En effet, la couche de nuages qui recouvre Titan est opaque en lumière visible et ne laissa rien deviner de sa surface. Ce satellite encore mystérieux présente un noyau rocheux large de 3400 km entouré d'un manteau constitué de différentes glaces cristallines mais on ignore s'il est structuré comme celui de Ganymède ou homogène comme celui de Callisto. On sait peu de chose de sa surface. Depuis 1989, les planétologues pensent toutefois qu'elle est recouverte ci et là de lacs profonds de 1000m constitués d'hydrocarbures, de méthane ou d'un mélange d'éthane/méthane/azote formé par la précipitation de gaz liquides. Analysant la surface de Titan dans le proche infrarouge à 940 nm où son atmosphère de méthane devient plus transparente, le Télescope Spatial Hubble révéla en 1995 des effets de marées[3], des indices supplémentaires appuyant l’existence de continents et d’étendues liquides. Ces dernières ne formeraient pas un océan mais plutôt des lacs séparés les uns des autres par des terres permafrost. Au milieu de ces lacs s’élève également un vaste continent grand comme l’Australie.
En 2004, les images prises par la sonde Cassini en infrarouge à 938 nm sous filtre polarisé révélèrent sous les nuages et la brume des zones plus sombres en surface, renforçant l'hypothèse que la surface de Titan dispose de deux types de terrains dont le pouvoir réfléchissant est très différent. On découvrit également une zone brillante autour du pôle mais il est encore trop tôt pour dire s'il s'agit ou non d'une calotte de glace ou d'un reflet du sol. La pression au sol est de 1600 HPa, légèrement supérieure à celle qui règne à la surface de la Terre (1013 HPa). Malgré sa taille, la présence d'un noyau et d'un manteau probablement fluide, Titan ne présente pas de champ magnétique et gravite occasionnellement en-dehors de la magnétosphère de Saturne. Il est donc exposé périodiquement au vent solaire dont les particules de forte énergie sont à même d'ioniser les molécules situées au sommet de son atmosphère. Mis à part l'absence d'eau et une température très hostile, Titan reste un laboratoire où les signes précurseurs de la vie ont pu apparaître. Je vous propose de consulter le dossier sur la bioastronomie et la contamination extraterrestre pour plus de détails. La mission Cassini-Huygens : extraordinaire ! Les étonnantes caractéristiques du système de Saturne et les indices prébiotiques qui planent au-dessus de Titan ont convaincu les administrateurs de la NASA et de l’ESA de lancer une 4eme sonde vers Saturne et Titan : Cassini-Huygens. Seul impératif, éviter que la fusée n’explose au décollage car celle-ci était alimentée par une pile au plutonium. Heureusement, la fusée fut lancée avec succès en octobre 1997. Pour parcourir plus de 1.2 milliards de kilomètres, les experts du JPL ont choisi de placer la sonde Cassini-Huygens sur une orbite plutôt inhabituelle. Ils l'ont d'abord lancée vers Vénus dont l’effet de fronde gravitationnel permit de décupler la vitesse propre de la sonde, atteignant la vitesse prodigieuse de 141000 km/h ! Après un périple de plus de 7 ans, Cassini atteignit l'orbite de Saturne début juillet 2004 et traversa sans heurt les anneaux à hauteur de l'anneau D intérieur où le risque de collision était le plus faible mais pas nul. Aussi, sur le plan technologique nous devons féliciter les ingénieurs de la NASA et de l'ESA qui ont téléguidé avec succès la sonde Cassini-Huygens depuis la Terre jusqu'à destination et dépouillé ses données. Un grand bravo et nous pouvons les plébisciter !
Après avoir photographié plusieurs satellites et survolé les anneaux, pendant que la sonde Cassini poursuivait sa mission, Huygens s’en alla visiter Titan et transmit des données durant les 2h30 heures que dura sa descente. La sonde plongea dans l'atmosphère de Titan au large du plus grand "continent", par 18.1°N et 208.7° de longitude. Huygens était prévue pour flotter car on ignorait si elle allait tomber sur un sol dur et gelé, ou, ce qui aurait été extraordinaire, dans un lac de méthane. Huygens révéla un paysage accidenté, des plaines et des gorges ainsi que ce qui ressemble à un rivage asséché ou une plaine dont on ignore encore la composition. Je vous propose de vous reporter à l'article que j'ai consacré à la mission Huygens sur Titan pour en savoir plus sur cette extraordinaire mission.
Pour plus d'information Sous les brumes de Titan (sur ce site) La découverte des anneaux de Saturne, par Dominique Caudron Systema
Saturnia, par Christiaan
Huygens, 1659 (en néerlandais)
[3]
S.Dermott et C.Sagan, Nature, 374, 1995, p238. |
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