Saturne : seigneur des anneaux

Les remarquables anneaux de Saturne

Des milliards de particules tourbillonnantes de glace d’eau

Les anneaux de Saturne, d’une beauté austère, sont si grands et si brillants que nous pouvons les voir avec un petit télescope. Et comme les anneaux scintillants sont inclinés par rapport à l’écliptique, le plan de l’orbite de la Terre autour du Soleil, ils changent de forme lorsqu’on les observe depuis la Terre. Les anneaux sont successivement vus de face, lorsqu’ils peuvent brièvement disparaître dans un petit télescope, d’en bas, lorsqu’ils sont grands ouverts, de nouveau de face et enfin d’en haut. Le cycle complet nécessite 29,458 années terrestres, soit la période orbitale de Saturne, de sorte que les anneaux disparaissent presque tous les 15 ans environ. La dernière disparition a eu lieu en 1995.

Les trois principaux anneaux de Saturne sont observés depuis des siècles. Il y a l’anneau extérieur A et l’anneau central B, séparés par la sombre division Cassini, et un anneau intérieur C, ou crêpe, plus transparent que les deux autres. Ils restent suspendus dans l’espace, sans être attachés à Saturne, parce qu’ils se déplacent autour de la planète à des vitesses qui dépendent de leur distance, s’opposant à l’attraction de la gravité.

Les parties internes des anneaux se déplacent autour de Saturne plus rapidement que les parties externes, le tout conformément à la troisième loi de Kepler pour les petits objets tournant autour d’un objet massif et plus grand. Ils orbitent autour de la planète avec des périodes allant de 5,8 heures pour le bord interne de l’anneau C, à 14,3 heures pour le bord externe de l’anneau A, plus éloigné. Comme Saturne tourne autour de son axe avec une période de 10,6562 heures, les parties intérieures des anneaux principaux orbitent à une vitesse plus rapide que la rotation de la planète, et les parties extérieures à une vitesse plus lente.

La différence de mouvement orbital entre les parties internes et externes des anneaux signifie qu’ils ne sont pas une feuille solide de matière, car ils seraient déchirés par le mouvement différentiel. Les anneaux sont plutôt constitués d’un très grand nombre de particules, chacune se trouvant sur sa propre orbite autour de Saturne, comme une minuscule lune. Des milliards de particules des anneaux tournent autour de la planète. Elles ont été aplaties et étalées en un disque mince et large à la suite de collisions entre particules.

Les anneaux de Saturne sont plats, larges et incroyablement minces. Mesurés de bord à bord, les trois anneaux principaux couvrent une largeur totale de 62,2 mille kilomètres, ils sont donc un peu plus larges que le rayon de la planète, à 60,3 mille kilomètres. Lorsqu’on les observe de face, depuis la Terre ou à proximité, les anneaux disparaissent pratiquement de la vue. Ils semblent avoir une épaisseur d’environ un kilomètre, mais il s’agit d’une illusion attribuée à la déformation, aux ondulations, aux satellites encastrés et à un anneau extérieur mince et incliné. Lorsque les instruments de Voyager 2 ont surveillé la lumière des étoiles traversant les anneaux, ils ont constaté que les bords des anneaux ne s’étendent que sur une dizaine de mètres de haut en bas. Si une feuille de papier représente l’épaisseur des anneaux de Saturne, alors un modèle réduit ferait deux kilomètres de diamètre.

De quoi sont faites les particules des anneaux ? Aux longueurs d’onde visibles, les anneaux sont brillants et réfléchissants, mais aux longueurs d’onde infrarouges, ils sont sombres et moins réfléchissants. Cela suggère que les particules sont froides et composées de glace. En fait, elles sont composées en grande partie, et presque exclusivement, de glace d’eau. La masse totale des anneaux proéminents A, B et C est à peu près égale à celle du satellite de Saturne Mimas, qui pèse 4,5 x 1019 kilogrammes, et une telle masse est cohérente avec des particules composées de glace d’eau.

Les particules des anneaux sont trop petites pour que les caméras des vaisseaux spatiaux puissent les voir individuellement, mais les scientifiques peuvent déduire leur taille à partir de mesures radio. Comme les anneaux sont très réfléchissants pour les transmissions radar au sol, nous savons que leurs particules sont comparables, ou plus grandes, à la longueur d’onde radar d’environ 0,1 mètre. La distribution de la taille des particules a été déterminée à partir de la façon dont les anneaux ont bloqué les signaux radio de Voyager 1 et 2 lorsque les vaisseaux spatiaux sont passés derrière les anneaux. Cette méthode a montré qu’il y a remarquablement peu de particules d’une taille supérieure à 5 à 10 mètres ou inférieure à 0,01 mètre. Dans ces limites, le nombre de particules dans les anneaux principaux diminue avec l’augmentation de la taille, proportionnellement à l’inverse du carré de leur rayon.

Par contre, quatre anneaux supplémentaires, désignés anneaux D, E, F et G, sont constitués de cristaux de glace beaucoup plus petits et microscopiques. Ces anneaux, découverts grâce à des observations au sol ou par des engins spatiaux, sont tous très diffus, ténus et presque transparents. La façon dont leurs particules diffusent la lumière indique qu’ils sont les plus petits de tous, d’une taille d’environ un micron – un micron est un millionième, ou 10-6, de mètre.

Pioneer 11 a découvert l’anneau F incroyablement étroit, qui se trouve juste à l’extérieur de l’anneau A, par son absorption de particules énergétiques ; tandis que les images de la sonde Voyager ont montré l’anneau F de façon très détaillée, démontrant que sa largeur varie de quelques milliers à des dizaines de milliers de mètres. De plus, il ne s’agit pas d’un anneau unique, Voyager 1 a repéré un enchevêtrement déformé de brins étroits qui s’était aplani au moment de l’arrivée de Voyager 2, environ 9 mois plus tard. Parce que les particules de l’anneau F sont plus brillantes lorsqu’elles sont rétroéclairées par le Soleil, et plus pâles dans la lumière solaire réfléchie, nous savons que les particules sont également de taille micrométrique, beaucoup plus petites que les flocons de neige et comparables en taille à la poussière de votre chambre.

Mais comment cet anneau peut-il conserver des limites aussi étroites ? En l’absence d’autres forces, les collisions entre les particules de l’anneau devraient les répartir, entraînant la chute des particules vers l’intérieur, en direction de Saturne, et leur expansion vers l’extérieur, créant ainsi un anneau plus large et plus diffus. Deux minuscules lunes, nommées Pandore et Prométhée, encadrent l’anneau F et le confinent entre elles, empêchant ainsi les particules de l’anneau F de s’égarer au-delà des limites étroites de l’anneau.

Ringlets, vagues, lacunes et rayons

De loin, les principaux anneaux de Saturne ressemblent à des structures lisses et continues. De près, cependant, d’après les vues fournies par les sondes Voyager 1 et 2, le matériau glacé est rassemblé en milliers d’anneaux individuels. Certains de ces anneaux sont parfaitement circulaires, d’autres ont une forme ovale et quelques-uns semblent s’enrouler en spirale vers la planète comme les sillons d’un vieux disque. A certains endroits, le plan plat des anneaux est légèrement ondulé, et les anneaux sont vus aux crêtes et aux creux des ondulations, comme des rides courant à la surface d’un étang.

Une main extérieure est à l’œuvre pour sculpter au moins certaines des structures complexes des anneaux par la force de gravité. L’attraction gravitationnelle combinée de Saturne et l’attraction accumulée des lunes proches peuvent redistribuer les particules de l’anneau, les concentrant en plusieurs des formes observées. Bien que les petites lunes proches n’exercent qu’une faible attraction gravitationnelle sur les particules des anneaux, cette attraction est répétée à l’infini à certains endroits de résonance. De même que l’on peut faire décrire un arc à un enfant sur une balançoire en le poussant doucement et de manière répétée au même endroit de la balançoire, l’attraction gravitationnelle répétée d’une petite lune externe au cours de chaque orbite peut produire une perturbation d’une ampleur inattendue. L’interaction de cet effet et de la traction gravitationnelle de Saturne vers l’intérieur peut repousser et attirer les particules de l’anneau, les poussant et les tirant en concentrations localisées telles que les anneaux.

Mais les interactions simples avec les lunes connues n’ont pas réussi complètement à rendre compte de tous les détails complexes trouvés dans les anneaux de Saturne. Les lacunes apparentes du système ne sont pas complètement vides. La division Cassini, par exemple, contient peut-être 100 anneaux, avec des particules tout aussi grandes que celles de l’anneau voisin. Certains vides ne se trouvent même pas à des positions de résonance connues ou contiennent des lunes détectées qui y sont intégrées. Les lunes invisibles pourraient influencer l’agglutination et l’élimination de la matière à ces endroits.

Peut-être que la découverte la plus bizarre de Voyager était les longues stries sombres, surnommées rayons, qui s’étendent radialement à travers les anneaux, gardant leur forme comme les rayons d’une roue. Ces caractéristiques éphémères sont de courte durée, mais se régénèrent fréquemment. On les trouve près de la partie la plus dense de l’anneau B, qui effectue une rotation conjointe avec la planète à une période de 10,6562 heures. Mais les parties intérieure et extérieure des rayons sombres de Saturne tournent également autour de la planète avec cette période, à vitesse constante, en violation apparente de la troisième loi de Kepler et de la théorie de la gravité de Newton. Si les rayons étaient constitués de particules sombres intégrées aux anneaux, les particules se déplaceraient avec des vitesses qui diminuent avec la distance de Saturne, et les rayons s’étireraient et disparaîtraient rapidement.

Selon une hypothèse, les petites particules de poussière peuvent devenir chargées, peut-être à la suite de collisions avec des électrons énergétiques. Les forces électromagnétiques soulèvent alors ou font léviter les minuscules particules chargées des corps annulaires plus grands, et les rayons sont balayés autour de Saturne par son champ magnétique rotatif. Cela semble bizarre, mais des forces subtiles sont nécessaires pour vaincre la gravité.

Pourquoi les planètes ont-elles des anneaux ?

On pourrait s’attendre à ce que les particules d’un anneau se soient accumulées il y a longtemps pour former des satellites plus grands. Mais la caractéristique intéressante des anneaux – et un indice sur leur origine – est qu’ils ne coexistent pas avec de grandes lunes. Les anneaux planétaires sont toujours plus proches des planètes que leurs grands satellites.

Les anneaux sont confinés à une zone intérieure où les forces de marée de la planète étireraient un grand satellite jusqu’à ce qu’il se fracture et se divise, tout en empêchant également les petits corps de coaliser pour former une lune plus grande. Le rayon extérieur de cette zone dans laquelle se trouvent les anneaux est appelé limite de Roche, du nom du mathématicien français Eduoard A. Roche (1820-1883), qui l’a décrit en 1848. Pour un satellite sans force interne et dont la densité est la même que celle de la planète, la limite de Roche est de 2,456 fois le rayon planétaire, soit environ 147 mille kilomètres pour Saturne.

Et d’où viennent les anneaux de Saturne ? Il y a deux explications possibles pour leur origine. Selon la première explication, les anneaux sont constitués de matériaux laissés par la naissance de Saturne, il y a environ 4,6 milliards d’années. Cette hypothèse suppose que les anneaux et les lunes sont apparus en même temps dans un disque aplati de gaz et de poussières avec, au centre, la grande Saturne naissante. Selon la deuxième explication, une ancienne lune ou un autre corps s’est approché trop près de Saturne et a été déchiqueté par les forces de marée de la planète géante, créant ainsi les anneaux. Dans ce cas, les anneaux pourraient s’être formés après Saturne, ses satellites et une grande partie du reste du système solaire.

Les astronomes estiment aujourd’hui que les anneaux de Saturne ont moins de 100 millions d’années, soit moins de deux pour cent de la durée de vie de Saturne. La luminosité éblouissante et étincelante des anneaux de Saturne fournit la preuve de cette jeunesse. Ils scintillent grâce à des particules de glace d’eau pure, qui n’ont pas été souillées par la poussière cosmique. Les anneaux seraient beaucoup plus sombres s’ils étaient très vieux, tout comme la neige fraîchement tombée se salit avec le temps. Les calculs indiquent que dans 100 millions d’années, les anneaux brillants de Saturne seront assombris par les débris cosmiques omniprésents dans la même mesure que les anneaux plus anciens et noirs comme du charbon d’Uranus et de Neptune.

Les tiraillements gravitationnels des lunes de Saturne sur les anneaux raccourciront la vie des anneaux, fournissant une autre indication de leur jeunesse. Lors de la mise en place des ondes de densité dans les anneaux, les lunes proches extraient l’élan des particules de l’anneau, les amenant à spiraler lentement vers Saturne ; pour conserver l’élan dans le système global, les lunes s’éloignent progressivement de la planète. L’anneau A sera finalement entraîné vers le bas dans l’anneau B, et tous les anneaux devraient s’effondrer à la suite de cette interaction lune-anneau dans environ 100 millions d’années.

Cela nous ramène à la deuxième explication des anneaux de Saturne, dans laquelle un corps préexistant s’est égaré trop près de Saturne et a été déchiré par les forces de marée. Il peut s’agir d’un satellite de Saturne ou d’un intrus d’une autre région du système solaire. Un satellite pourrait se former en dehors de la limite de Roche et se déplacer vers l’intérieur sous l’effet des forces de marée qui finiraient par le mettre en pièces. Comme nous l’avons déjà mentionné, la masse totale de toutes les particules des anneaux est similaire à la masse du satellite relativement petit de Saturne, Mimas, il semble donc raisonnable que les anneaux aient pu se former à partir d’une telle lune, ou de quelques autres plus petites. Après tout, la lune martienne Phobos est maintenant attirée inexorablement vers la planète rouge par ses forces de marée, et le plus grand satellite de Neptune, Triton, se dirige également sur une trajectoire de collision vers sa planète.

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