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LE MONDE DES ANNEAUX

SOMMAIRE :

- Les anneaux de Saturne vus depuis la Terre
- Les découvertes de Galilée
- L'anneau de Huygens
- Tous les 15 ans, nous voyons les anneaux par la tranche
- La division de Cassini
- Herschel et les particules de l'anneau
- La limite de Roche
- Le microsillon de Maxwell
- Les résonances de Kirkwood
- Les découvertes des sondes spatiales Pioneer et Voyager
- Les spokes des anneaux de Saturne
- La mission Cassini - Huygens
- Comment les anneaux se sont-ils formés ?
- Conclusion

LES ANNEAUX DANS UN TELESCOPE

Visibles depuis la Terre dans un télescope d’amateur, on distingue plusieurs anneaux en orbite autour de Saturne. De l’extérieur vers l’intérieur, on peut voir :

--- L’anneau A, d’une largeur de 14600 km.

--- L’anneau B, le plus brillant, mesure 25 500 km de large.

--- L’anneau C, ou anneau de crêpe, est diaphane et par conséquent beaucoup plus difficile à observer.

L’anneau A et l’anneau B sont séparés par une fine zone sombre : lla division de Cassini. D’une largeur de 4700 km, cette division est visible dans un petit instrument dès 80 mm de diamètre.

La division de Encke, au sein de l’anneau A, est autrement plus délicate à observer et constitue, avec ses 325 km de large, un défi pour les astronomes amateurs.

LES ANNEAUX AU FIL DE L’HISTOIRE

C’est Galilée qui, le premier, a pointé en 1610 sa petite lunette en direction de Saturne dont il découvrit alors l’aspect étrange, aspect qu’il ne parvint pas à expliciter.

Dessin de Saturne par Galilée

Plusieurs tentatives plus ou moins sophistiquées furent avancées par ses successeurs pour tenter de comprendre de quoi était faite Saturne. Eustachio Divini avança ainsi en 1660 l’astucieuse hypothèse d’un système de lunes obscures venant occulter partiellement des lunes brillantes.

Le système de Divini

L’ANNEAU DE HUYGENS

C’est Christian Huygens qui comprit que ce que Galilée avait observé était en fait un anneau situé autour de Saturne : « Saturne est entourée d'un anneau mince n'adhérant à l'astre en aucun point, et incliné sur l'écliptique ». La théorie de l’anneau de Huygens provoqua de vives controverses dans les milieux ecclésiastiques, notamment en raison des réticences de l’Inquisition romaine à accepter les idées d’un hérétique copernicien comme Huygens, alors que 30 ans à peine auparavant, l’Eglise avait déjà intenté un procès à Galilée à ce propos.

Protégé par le prince Léopold de Médicis, Huygens eut l’autorisation de demander en 1660 aux membres de l’Academia del cimento, qu’il venait de fonder, de construire des modèles mécaniques, reproduisant tantôt Saturne entouré d’un cortège de satellites, tantôt Saturne entouré d’un anneau solide. En observant ces modèles mécaniques sous des angles différents, les académiciens se rendirent à l’évidence : seul le modèle avec des anneaux reproduisait fidèlement les observations de Saturne faites au télescope par les astronomes. La victoire de Huygens fut éclatante.

Une seule ombre au tableau : tous les 15 ans environ, la Terre passe dans le même plan que les anneaux qui sont alors vus par leur chant. De fait, à cet instant précis, ils deviennent invisibles de la Terre, ce qui était la preuve de leur extrême minceur. Mais alors comment un anneau aussi fin pouvait-il être solide sans être déformé ni fracturé ?

L’ANNEAU PAR LA TRANCHE

En effet, les observateurs terrestres ne voient pas toujours Saturne sous le même angle.

Tantôt Saturne est vue « par-dessus » et tantôt « par le dessous ». Tous les 15 ans, les astronomes peuvent voir les anneaux exactement par la tranche.

LA DIVISION DE CASSINI

C’est à Cassini qu’est attribuée classiquement la découverte de la division qui porte son nom, bien que la question ait fait controverse. Toujours est-il que c’est à partir des observations de Cassini, en 1675, que l’on distingue autour de Saturne deux anneaux, l’anneau A et l’anneau B, séparés par cette fameuse zone sombre qui porte aujourd'hui le nom de l'ancien astronome de Louis XIV.

WILLIAM HERSCHEL

C’est William Herschel qui, 1 siècle plus tard, parvint à imposer cette hypothèse simple et efficace : les anneaux ne sont pas d’un seul tenant mais sont constitués d’une myriade de petits corpuscules solides.

Il est également le premier astronome qui soit parvenu à estimer l’épaisseur des anneaux, profitant du moment où, depuis la Terre, les anneaux sont vus par la tranche. Le compte-rendu de ses observations explique son astucieuse méthode : « Quand nous étions presque dans le plan de l'anneau, j'ai vu à maintes reprises le premier, le second, et le troisième satellite, voire le cinquième et septième, passer devant et derrière l'anneau d'une telle manière qu'ils servaient d'excellents micromètres pour estimer son épaisseur... bien que l'anneau dut être égal en l'épaisseur au diamètre du plus petit satellite, qui peut se monter à mille miles. »

C’est également William Herschel qui démontra en 1792 la nature physique de la division de Cassini, expliquant ainsi les observations faites par ce dernier : « De ces observations, ajoutées à ce qui a été donné dans quelques précédents articles, je me pense autorisé maintenant à dire que la planète Saturne a deux anneaux concentriques, de dimensions et largeurs inégales, situés dans un plan, qui est probablement peu incliné sur l'équateur de la planète. Ces anneaux sont à une distance considérable l'un de l'autre, le plus petit étant beaucoup plus petit en diamètre à l'extérieur, que le plus grand à l'intérieur. »

Dessin de Herschel

LA LIMITE DE ROCHE

Une importante étude théorique d’Edouard Roche a démontré en 1848 que l’accrétion d’une structure solide à proximité immédiate d’une planète n’était pas possible, sous peine de désagrégation.

En fait, Roche s’était intéressé aux déformations que subirait un satellite de consistance fluide sous l’influence de la gravitation d’une planète comme Saturne. En effet, un champ de forces gravitationnelles détermine le mouvement orbital d’un satellite mais influence également la disposition du matériau constituant ce satellite. Cette dernière influence est négligeable lorsque le satellite se trouve éloigné de la planète. Il n’en va pas de même lorsqu’il orbite à sa proximité. En étudiant mathématiquement la relation qui lie la forme de cet hypothétique satellite fluide à l’action combinée de son autogravité, de la gravité de la planète et des forces résultantes des mouvements de révolution et de rotation de ce satellite, Roche découvrit qu’il existe une distance minimale à la planète en-deçà de laquelle aucun satellite ne pourrait résister sans être réduit en miettes car, en ce point précis, la gravité de Saturne n’agit pas de la même façon sur les parties du satellite les plus proches de la planète que sur ses parties les plus éloignées : il s’agit en fait d’un mécanisme analogue à celui de la Lune sur les marées des océans terrestres. En decà de la limite de Roche, aucun satellite ne peut survivre : c'est le domaine des anneaux. Au-delà de la limite de Roche, des satellites normaux peuvent exister, comme le montrent les deux petits schémas ci-dessous.

Au fur et à mesure qu’un satellite fluide s’approcherait de la limite de Roche, il subirait de plus en plus intensément ces effets de marées gravitationnelles et se déformerait de plus en plus, prenant tout d’abord une forme oblongue dirigée vers le centre de Saturne, avant de se fragmenter. Edouard Roche a calculé que, dans l’hypothèse d’un satellite fluide dont la densité serait exactement égale à elle de la planète, il serait détruit par les marées à 2,5 rayons planétaires du centre de celle-ci. Les photos prises par les sondes Voyager ont clairement montré qu’effectivement, les anneaux s’étendent jusqu’à une distance égale à environ le double du rayon de Saturne et que ce n’est qu’au-delà de cette limite qu’orbitent des satellites dignes de ce nom, d’une taille réellement appréciable. De même, les observations au télescope réalisées par les astronomes contemporains d’Edouard Roche ont montré que le bord extérieur de l’anneau A se trouve en effet à 2,26 rayons du centre de Saturne, très près donc de la valeur théorique de la limite de Roche.

Le seul moyen pour un satellite d’échapper à la destruction est d’être assez petit (moins de 100 km de diamètre) et rigide afin que ses forces de cohésion interne et d’autogravitation puissent équilibrer les effets de marées gravitationnelles de la planète : les calculs de Roche montrent que pour des rayons orbitaux dépassant de 1,44 fois le rayon de la planète, ces forces de cohésion gravitationnelles internes peuvent assurer la survie de corpuscules qui peuvent alors s’agréger à d’autres petites poussières. En deçà, plus aucun processus de formation de corpuscules n’est possible. Inversement, au-delà de 2,45 fois le rayon de la planète, le processus d’agrégation peut se déployer librement, sans être entravé par les marées gravitationnelles de Saturne, permettant alors la constitution de vrais satellites.

La découverte de systèmes d’anneaux autour de toutes les planètes géantes du système solaire, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune, est venue renforcer encore plus la justesse des calculs d’Edouard Roche.

Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune ont des anneaux

LE MICROSILLON DE MAXWELL

En 1787, Pierre Simon de Laplace avait démontré qu’un anneau solide circulaire centré sur Saturne ne pouvait pas être stable.

Edouard Roche avait mis en évidence quelques années plus tard les effets destructeurs des forces de marées gravitationnelles sur tout corps solide situé dans la région des anneaux. Pendant quelques années, une alternative imaginée par l’astronome Benjamin Peirce eut du succès : il imaginait que les anneaux consistaient en une ou plusieurs rivières d'un fluide plus dense que l'eau, coulant tout autour de la planète... Rapidement, cette alternative fut sérieusement égratignée par les observations au télescope de l’anneau C, découvert en 1838 par Johann Galle : en effet, lorsque l’anneau C se superpose à la planète, on entrevoit par transparence le bord de Saturne mais sans aucune distorsion imputable à des effets de réfraction, comme ce serait le cas dans un fluide.

Maxwell, dont vous avez probablement déjà entendu parler pour sa découverte de l’électromagnétisme, a repris ces différentes données pour tenter d’en dégager un modèle mathématique cohérent avec les observations. L’hypothèse d’un anneau désagrégé, formé de nombreux petits corps en orbites indépendantes s’imposa rapidement à lui comme la seule viable. Maxwell démontra rigoureusement que si les satellites sont suffisamment petits et nombreux, chacun d’entre eux oscille perpétuellement autour de sa position de départ. Au fil de ces oscillations vont ainsi se créer au sein des anneaux des zones où la densité des particules augmente et d’autres où elle diminue, comme des ondes de concentration ou de raréfaction des particules. Ce modèle théorique était le seul doté d’un stabilité suffisante pour expliquer les anneaux de Saturne.

Passant à une modélisation plus poussée, Maxwell imagina ensuite deux configurations possibles :

--- l’une avec un système formé d’une multitude désordonnée de particules, avec possibilité de fréquentes collisions

--- l’autre avec une série d’anneaux concentriques bien ordonnés, avec des collisions en moindre nombre.

Maxwell établit que le premier système était condamné à devenir très rapidement instable. Le second modèle paraissait assuré d’une évolution très lente, marqué par une tendance très progressive à l’élargissement des anneaux.

La structure en microsillon des anneaux de Saturne découverte par la sonde Voyager ressemble beaucoup aux modèles élaborés par Maxwell, lui apportant ainsi une éclatante victoire posthume.

L’hypothèse d’un lent élargissement des anneaux sous l’influence des collisions a également été vérifiée comme le montrent les deux photos ci-dessous, prises à plusieurs années de distance.

LES RESONANCES DE KIRKWOOD

Daniel Kirkwood, reprenant la méthode de calcul des résonances qui avait fait son succès dans l’étude des astéroïdes, parvint à démontrer que la division de Cassini est en résonance 3/1 avec le satellite Encelade : quand Encelade fait une révolution, un satellite dans la division de Cassini en ferait trois. Résultat : tout corps qui s'y trouverait en serait progressivement éjecté par les perturbations d'Encelade. En 1872, Daniel Kirkwood associe les divisions de Cassini et d'Encke à des résonances des 4 principaux satellites : Mimas, Encelade,Tethys et Dione.

Kirkwood et le satellite Encelade

Cette théorie des résonances pour les lacunes, a été longtemps admise, dans la mesure où elle avait fait ses preuves pour l'anneau des astéroïdes. Mais, en fait, on se rend compte aujourd'hui que les choses sont infiniment plus compliquées. Cependant, les travaux de Kirkwood ont eu le mérite de pointer le rôle essentiel des interactions gravitationnelles entre les satellites pour comprendre le système d'anneaux de Saturne.

LES SONDES SPATIALES

1979 : Pioneer 11 découvre l’anneau F à 3000 km au-delà de la limite extérieure du dernier anneau visible depuis la Terre, l’anneau A. La sonde Pioneer devait également découvrir que cet anneau est maintenu sur son orbite par la présence d'un petit satellite qui interagit avec lui.

En faisant cette découverte, la sonde Pioneer venait de confirmer de façon éclatante la théorie de Goldreich et Tremaine sur le confinement des anneaux par des satellites gardiens (on emploie parfois également le terme de satellites bergers), en l’occurrence Prométhée et Pandora pour l’anneau F.

Les deux satellites-gardiens de part et d'autre de l'anneau

Les sondes Voyager devaient découvrir à leur tour, en 1980, deux autres anneaux, baptisés E et G, à l’extérieur des anneaux « classiques », également confinés sur une orbite bien précise par leurs satellites bergers Mimas, Epiméthée et Janus.

Constitué de particules de l’ordre du millième de mm, l’anneau E aurait dû avoir une espérance de vie assez courte mais la sonde Cassini a découvert qu’il est continuellement alimenté en nouvelles particules par le satellite Encelade à la surface duquel ont été découverts une intense activité géologique et l’éjection de geysers de glace, qui formeraient ainsi un anneau de très fins cristaux de glace en perpétuel renouvellement.

LES SPOKES DE VOYAGER

Le mystère aura duré 25 ans : depuis que la sonde Voyager 1, en 1980, avait découvert ces étranges taches sombres qui maculent les anneaux de Saturne, la question turlupinait tous les planétologues quant à l'origine de ces irrégularités dans les anneaux.

Il a fallu attendre l’arrivée de la mission Cassini pour comprendre l’origine de ce phénomène. Les différentes mesures avaient déjà montré que les spokes étaient dûs à de minuscules particules d’environ un demi-micron qui sont en lévitation au-dessus ou bien au-dessous du plan des anneaux, et qui apparaissent clairs ou bien sombres selon la façon dont le Soleil s’y reflète et selon leur angle de vision depuis la Terre. Un effet électrostatique était suspecté depuis longtemps mais sans que son origine n’ait pu être identifiée.

Depuis 1983, une explication primait : des météorites percutaient les anneaux en y accumulant des charges d’électricité statique, amenant les particules les plus légères à se repousser mutuellement en dehors du plan des anneaux. Le problème résidait dans le fait que les spokes apparaissent toujours graduellement. Il fallait imaginer que des dizaines de météorites tombaient des heures durant au même endroit des anneaux pour produire ces spokes. Hypothèse bien peu satisfaisante…

Geraint Jones, du Mullard Space Science Laboratory en Grande-Bretagne vient probablement de découvrir le pot aux roses : quand une averse de rayons cosmiques percute Saturne au-dessus d’une de ses zones d’orages, elle produit une gerbe d’électrons qui sont piégés par le champ magnétique de Saturne. Ces électrons vont ainsi petit à petit venir percuter les anneaux et charger d’électricité leurs particules.

Cette théorie colle particulièrement bien avec le fait que les spokes n’ont été observés que sur l’anneau B. En effet, celui-ci tourne de façon synchrone avec la planète, ce qui lui laisse le temps de se charger localement d’électricité statique au-dessus des orages de Saturne. Et puisqu’ils dépendent des orages, cette théorie explique également pourquoi les spokes sont des phénomènes saisonniers, aucun spoke n’ayant été vu entre 1998 et 2005.

Pour confirmer cette théorie, il faudra cependant que la sonde Cassini observe simultanément les spokes et les orages de Saturne.

LA SONDE CASSINI

En orbite autour de Saturne depuis le 30 juin 2004, la sonde Cassini a collecté plus de données sur la planète aux anneaux que n’en avaient collectées toutes les sondes spatiales avant elle.

Citons rapidement : mesure exacte de la durée du jour saturnien, mesure de son champ magnétique, analyse des vents et des tempêtes de l’atmosphère, découverte de cyclones géants au-dessus des pôles, découverte d’une dizaine (excusez du peu !) de nouvelles lunes, découverte du monde étrange des satellites qui orbitent autour de Saturne, mise en évidence des aurores polaires de Saturne, découverte d’un anneau ionique situé 5 fois plus loin que les anneaux de glace.

Sans oublier le module européen Huygens que la sonde Cassini emportait dans ses bagages et qui s’est posé avec succès sur le sol de Titan, la principale Lune de Saturne, qui est ainsi devenue le monde le plus lointain sur lequel une sonde spatiale se soit posée.

Quant aux anneaux, la palme de l’étrangeté revient à l’anneau F dont la sonde Cassini a découvert qu’il ne formait pas une structure circulaire mais une spirale qui s’enroule au moins 3 fois autour de Saturne. Sa forme tourmentée, modelée par son satellite berger, Prométhée, montre de nombreux nœuds, entortillements et agrégats divers.

LA FORMATION DES ANNEAUX

Depuis des siècles, cette question est au coeur des interrogations des astronomes. Une équipe internationale dont fait partie le français Sébastien Charnoz, du CEA, est parvenue à retracer dans ses grandes lignes la genèse des anneaux de Saturne.

Les sondes Voyager, dans les années 1980, avaient permis d’établir que la masse totale des particules constituant les anneaux équivalait à celle d’un objet de quelques centaines de km de diamètre (grosse comète ou bien un satellite de la même taille que Mimas ou Encelade).

A droite, le satellite Mimas

Deux origines possibles :

--- Soft : un satellite avorté, parce que situé à l’intérieur de la limite de Roche, là où l’accrétion est impossible. Cette hypothèse suppose que les anneaux sont aussi vieux que le système solaire et que la naissance de Saturne.

--- Hard : une collision cataclysmique.

Dans l'hypothèse d'une collision cataclysmqieu, deux scenarii sont envisageables :

1°) L’explosion d’un satellite proche de Saturne à la suite d’un violent impact météoritique, analogue à ceux qui ont laissé une trace spectaculaire sur Mimas et Thétys.

2°) La désintégration d’un corps glacé de plusieurs centaines de km de diamètre issu de la Ceinture de Kuiper ou bien du nuage de Oort, ces ceintures d'astéroïdes et de comètes situées aux confins du système solaire.

La répartition en taille des fragments issus d’une telle désintégration obéit à des lois : un grand nombre de petits morceaux, quelques uns de taille moyenne et très peu de gros, selon une loi où le nombre d’objets d’un diamètre D donné est approximativement proportionnel à 1/D². La fragmentation d’un corps de 100 km doit en théorie donner des milliards d’objets de l’ordre du cm, des milliers de l’ordre du m et seulement quelques uns de l’ordre de 10 km. C’est précisément cette répartition qui a été découverte dans les anneaux de Saturne, corroborant l’hypothèse d’un évènement cataclysmique.

Seul hic à cette hypothèse jusqu’à présent : si des milliards de petits fragments ont bien été découverts dans les anneaux, par contre seuls deux satellites y ont été découverts, Pan et Atlas, dont la taille d’une trentaine de km est légèrement trop importante pour correspondre aux plus gros fragments qui auraient été produits par la désintégration d’un astre.

Cette contradiction vient d’être résolue puisque Pan et Atlas étaient à l’origine beaucoup plus petits qu’aujourd’hui : ils ont donc grossi, par accrétion, comme le prouve leur aspect en forme de soucoupe volante. Au moment de leur naissance, lors du cataclysme qui a vu un corps céleste se désintégrer dans la proche banlieue de Saturne, les deux satellites Pan et Atlas ne mesuraient qu’une vingtaine de km. Lorsque les anneaux de Saturne se sont amincis, pour atteindre une vingtaine de mètres d’épaisseur, ils ont accrété la matière des anneaux au niveau de l’intersection de ces petites lunes et du plan des anneaux, sur leur équateur. Les pôles sont restés épargnés par ce phénomène. Les photos prises par la sonde Cassini en juin 2007 ont confirmé et l’existence de ces bourrelets équatoriaux et leur nature géologique différente.

Reste à identifier les milliers de fragments de taille intermédiaire, de l’ordre du mètre, engendrés par le cataclysme initial...

L’équipe de Tiscareno (université de Tucson, Arizona) puis celle de Sremcevic (université du Colorado) ont détecté, à la fin 2006, 4 sillons en forme de « S » allongé au sein de l’anneau A : il s’agirait de la trace laissée au sein de cet anneau par 4 mini-satellites de 60 m de diamètre. La découverte de zones de densité plus importante en forme d'hélices (appelées "propellers" par les planétologues anglosaxons) au sein des anneaux serait due à la présence de ces mini-satellites. Il existerait ainsi plusieurs milliers de mini-satellites de 1 à 100 m répartis sur une ceinture d’environ 3000 km de large. Il faudrait maintenant réussir à expliquer comment ces petits satellites ont pu rester confinés dans cet espace réduit depuis plusieurs milliards d’années sans s’en échapper.

L’hypothèse d’un cataclysme majeur renvoie à la période du bombardement massif qu’a connu le système solaire, voici 3.8 milliards d’années et dont la Lune porte encore les stigmates. Si tel est le cas, les anneaux seraient donc nés très tôt dans l’histoire de Saturne, 700 millions d’années après la naissance de cette planète.

Mais en ce cas, pourquoi les anneaux sont-ils si brillants ? Au fil des collisions qui ont agité leur longue histoire, ils auraient dû s’assombrir du fait des dépôts de poussières météoritiques. Autre question : pourquoi les anneaux ne sont-ils pas plus larges ? Les interactions gravitationnelles des satellites les plus proches comme Mimas, Janus et Prométhée auraient dû entraîner un étalement d’au moins un facteur 2 en moins de 10 millions d’années. Tous ces arguments ont été invoqués par les partisans d’une naissance récente des anneaux de Saturne.

Pour autant, ces paradoxes peuvent être résolus si l’on imagine que les corpuscules constituant les anneaux se renouvellent sans cesse par un processus de réagglomération des particules entre elles après avoir été détruites par des collisions, ce qui aurait pour effet et de leur rendre leur brillance et de les condenser, limitant ainsi leur étalement. Ces phénomènes actifs récents ont été mis en évidence par la mission Cassini dont le spectrographe dans le domaine ultraviolet a montré des structures très récentes, comme les « agrégats », les « lanceurs », les « rayons », les « moonlets », dont 13 objets translucides allant de 27 m à 10 km au sein de l’anneau F, qui apparaissent et disparaissent rapidement sous l’influence des forces de marées et des collisions.

Les agrégats vus par la sonde Cassini et par un artiste

Signalons également l’existence de geysers de glace jaillissant de la surface d’Encelade, sous l’influence des marées gravitationnelles de Saturne, geysers dont les particules glacées viennent réensemencer régulièrement les anneaux.

Les geysers de glace d'Encelade

Tous ces phénomènes témoignent de l’intense dynamisme des processus de destructions / reconstructions des anneaux de Saturne, encadrés par l’effet stabilisateur des satellites bergers qui tendent à confiner les particules glacées des anneaux dans la même région

THE END

Si notre compréhension des phénomènes complexes qui régissent la vie des anneaux de Saturne a aujourd'hui beaucoup progressé, notamment grâce à la mission Cassini, il n'en reste pas moins que des dizaines de questions restent sans réponse. En attendant d'avoir ces dernières, vous pouvez rêver devant les magnifiques images produites par la mission Cassini.

 

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