Anneaux de Saturne

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Les anneaux de Saturne.

Les anneaux de Saturne sont les anneaux planétaires les plus importants du Système solaire, situés autour de la géante gazeuse Saturne. Bien qu'ils semblent continus vus depuis la Terre, ils sont en fait constitués d'innombrables particules de glace (95 à 99 % de glace d'eau pure selon les analyses spectroscopiques[Note 1]) et de poussière dont la taille varie de quelques micromètres à quelques centaines de mètres[1] ; ils ont chacun une orbite différente. Les anneaux forment un disque dont le diamètre est de 140 000 km (les anneaux principaux s'étendent de 7 000 à 72 000 km) comportant plusieurs divisions de largeurs variées et dont l'épaisseur va de 2 à 10 mètres.

Invisibles de la Terre à l'œil nu, les anneaux de Saturne ont cependant une brillance suffisante[Note 2] pour être observés avec des jumelles.

Ils ont été aperçus en 1610 par le savant italien Galilée grâce à une lunette astronomique de sa conception. Celui-ci interpréta ce qu'il voyait comme de mystérieux appendices. Bénéficiant d'une meilleure lunette que Galilée, le Hollandais Christiaan Huygens va découvrir qu'il s'agit en fait d'un anneau entourant Saturne[2].

Observation[modifier | modifier le code]

Du XVIIe au XIXe siècle[modifier | modifier le code]

Galilée.

Le savant italien Galilée est le premier à observer les anneaux de Saturne en 1610 à l'aide d'une lunette de sa fabrication, mais il n'arriva pas à identifier leur forme[1]. Il vit en ces « taches » « deux serviteurs aidant le vieux et lent Saturne à faire son chemin »[3]. Il a également décrit Saturne comme ayant des « oreilles » ou des « anses »[4],[5]. En 1612, le plan des anneaux était orienté directement vers la Terre et les anneaux semblent disparaître. Mystifié, Galilée se demandait : « comment Saturne a avalé ses enfants ? », en faisant référence au dieu de la mythologie romaine Saturne, qui dévorait ses propres enfants pour les empêcher de le renverser[6]. Lorsque les anneaux sont de nouveau visibles en 1613, Galilée est en pleine confusion[7].

Dans un dessin de 1666, Robert Hooke a noté les ombres (a et b) projetées par la planète et les anneaux l'un sur l'autre.

En 1655, Christiaan Huygens est le premier à suggérer que Saturne est entouré d'un anneau. Avec un télescope de qualité supérieure à la lunette de Galilée, Huygens observe la planète et écrit qu'« il [Saturne] est entouré par un anneau mince et plat qui ne touche nulle part la planète et qui est incliné sur l'écliptique »[2]. Robert Hooke a également observé les anneaux et a noté les ombres projetées sur ces derniers[8].

En 1675, Giovanni Domenico Cassini découvre que l'anneau de Saturne est composé en fait d'un grand nombre d'anneaux concentriques séparés entre eux et émet l'hypothèse qu'ils sont constitués de cailloux s'entrechoquant. La plus grande des séparations, large de 4 800 km et située entre les anneaux A et B, sera baptisée par la suite « division de Cassini »[9].

En 1787, Pierre-Simon de Laplace suggère que les anneaux sont composés d'un grand nombre d'anneaux minces et solides[2]. En 1859, James Clerk Maxwell reçoit le prix Adams en démontrant que les anneaux ne peuvent pas être solides car, dans ce cas, ils deviendraient instables et se briseraient. Il suggère que les anneaux sont composés de nombreuses petites particules, orbitant toutes de manière indépendante autour de Saturne[10]. La théorie de Maxwell fut vérifiée en 1895 grâce à des analyses spectroscopiques effectuées par James Edward Keeler depuis l'observatoire Lick.

XXe et XXIe siècles[modifier | modifier le code]

Les anneaux de Saturne.

En 1980, le passage de la sonde Voyager 1 près de Saturne montre des détails jusqu'alors invisibles de la Terre, tels les spokes.

En 2004, la sonde Cassini-Huygens se place en orbite autour de Saturne. Elle apporte des précisions sur les spokes[11] et traverse les anneaux à plusieurs reprises[12].

En octobre 2009, grâce au télescope spatial Spitzer, des astronomes découvrent un nouvel anneau situé à l'intérieur de l'orbite de la lune Phœbé, ne pouvant être mis en évidence qu'en infrarouge en raison de sa faible densité. Cet anneau est particulièrement étendu avec une largeur égale à 20 fois le diamètre de Saturne : son bord intérieur se situe à environ 6 millions de kilomètres de la surface de la planète tandis que son bord extérieur est situé à environ 12 millions de kilomètres[13]. Ce dernier et l'anneau qui l'entoure sont probablement à l'origine de l'aspect particulier du satellite de Saturne Japet, qui présente une face noire et l'autre très blanche.

Caractéristiques physiques[modifier | modifier le code]

Agrégats de particules de glace qui constituent la partie solide des anneaux de Saturne. Ces formations allongées sont constamment en train de se former puis de se disperser. Les plus grandes d'entre elles ont quelques mètres de long (vision d'artiste de 2007).

Les anneaux principaux s'étendent de 7 000 à 72 000 km à la hauteur de l'équateur de Saturne, avec une épaisseur moyenne estimée de 10 mètres[14].

Les anneaux sont composés à 99,9 % de particules d'eau gelée avec quelques impuretés pouvant inclure du tholin et des silicates[15]. Les anneaux principaux sont, à la base, composés de particules dont la taille varie de centimètre à 10 mètres[16]. Chaque particule décrit une orbite indépendante autour de Saturne.

Anneaux distincts[modifier | modifier le code]

Carte du système saturnien : les anneaux de Saturne et ses satellites.

Voici une liste des anneaux de Saturne, ainsi que des divisions qui les séparent, classés par rayon interne croissant.

Anneaux distincts de Saturne[17],[18]
Nom Rayon interne
(km)[Note 3]
Rayon interne
(RS)[Note 4]
Rayon externe
(km)
Rayon externe
(RS)
Largeur
(km)
Épaisseur
(m)
Anneau D 66 900 1,110 74 510 1,236 7 610
Division de Guérin 74 510 1,236 74 658 1,239 148
Anneau C[Note 5] 74 658 1,239 92 000 1,527 17 342 5
Anneau B 92 000 1,527 117 580 1,951 25 580 5- 10
Division de Cassini[Note 6] 117 500 1,95 122 200 2,03 4 700
Anneau A 122 170 2,027 136 775 2,269 14 605 20- 40
Division d'Encke[Note 7] 133 589 2,216 325
Division de Keeler 136 530 2,265 35
R/2004 S 1 137 630 2,284  ?
R/2004 S 2 138 900 2,305  ?
Anneau F 140 180 2,326 30 - 500
Anneau G 170 000 2,82 175 000 2,90 5 000 105
Anneau E 181 000 3 483 000 8 302 000 107
Anneau de Phœbé ~6 000 000 50 ~12 000 000 100 6 000 000 2 400 000

Origines[modifier | modifier le code]

Les anneaux de Saturne sont peut-être très anciens[évasif] et certains remonteraient à la formation de Saturne elle-même. Il existe deux théories dominantes concernant leur origine.

Selon une de ces deux théories, proposée initialement par Édouard Roche au XIXe siècle, les anneaux étaient autrefois une lune géante de Saturne dont l'orbite diminua jusqu'à ce que les forces de marée générées par la planète géante Saturne la pulvérise (la limite de Roche est de 140 000 km pour Saturne, ce qui correspond au bord externe des anneaux[19][réf. incomplète])[20]. L'ancienne lune géante subit le phénomène de migration planétaire, les forces de marée disloquent ce satellite différencié, le manteau du satellite allant former les anneaux tandis que son noyau tombe sur Saturne[21]. Une variante de cette théorie, déjà esquissée en 1654 par Christiaan Huygens, est que la Lune s'est désintégrée après avoir été heurtée par une grosse comète, un astéroïde (théorie analogue à celle de l'hypothèse de l'impact géant). Cette hypothèse est rendue difficile par le fait que l'orbite synchrone de Saturne est de 10 h[22]. Selon la deuxième théorie, les anneaux ne sont pas les débris d'une lune mais les restes du disque d'accrétion de la nébuleuse à partir de laquelle Saturne s'est formée. La conservation du moment cinétique et la perte d'énergie due aux chocs entre les débris a pour conséquence que cette perte est plus forte dans le plan vertical que le plan horizontal, d'où l'aplatissement des anneaux par la rotation képlérienne, aplatissement qui finirait par atteindre la limite de Roche, donnant naissance à des satellites. Certains astrophysiciens comme Sébastien Charnoz ou Julien Salmon[19][réf. incomplète] pensent même que les anneaux actuels ne sont pas les seuls que la géante gazeuse ait connus au cours de son histoire, les anneaux massifs originels disparaissant au profit des satellites qui redonnent naissance aux anneaux par migration planétaire.

L'éclat et la pureté de la glace d'eau composant les anneaux de Saturne ont été cités pour appuyer une théorie selon laquelle ils seraient beaucoup plus jeunes que Saturne, peut-être de 100 millions d'années, car dans le cas contraire l'accumulation de poussières météoriques aurait conduit à un assombrissement des anneaux. Toutefois, de nouvelles recherches indiquent que l'anneau B pourrait être assez massif pour diluer le matériau météorique et éviter ainsi un assombrissement notable sur une durée s'étendant presque jusqu'à la naissance du Système solaire. Le matériau constituant l'anneau est recyclé : des agrégats se forment puis sont dispersés par les collisions. Ce cycle expliquerait l'apparente jeunesse de certains des agrégats observés au sein des anneaux[23].

L'équipe de Cassini UVIS, dirigée par Larry Esposito, a utilisé l'occultation stellaire pour découvrir 13 objets, allant de 27 mètres à 10 km de diamètre, à l'intérieur de l'anneau F. Ils sont translucides, laissant penser que ce sont des agrégats temporaires de blocs de glace de quelques mètres de diamètre. Esposito est convaincu que c'est la structure de base des anneaux de Saturne : les particules s'agrègent entre elles avant se disperser[2]. En orbite à l'extérieur des anneaux, quoique certaines soient comprises dans la masse, se trouvent plusieurs petites lunes associées aux anneaux, ce qui est une configuration typique des anneaux de toutes les planètes géantes gazeuses du Système solaire. Toutefois, les trois autres systèmes d'anneaux ne représentent, ensemble, qu'une petite fraction[24] du volume des anneaux de Saturne. Les particules des anneaux de Saturne présentent également la particularité d'être bien plus lumineuses que celles des trois autres systèmes.

Des anneaux de Saturne projettent leur ombre sur la planète (bandes noires). Photo publiée le 1er mars 2007.

Depuis la Terre, trois anneaux sont visibles : deux anneaux principaux (A et B) et un anneau moins visible. L'espace entre A et B est connu sous le nom de « division de Cassini ». L'anneau A est divisé par une lacune moins visible, appelée division d'Encke (même s'il est probable que l'astronome Encke ne l'ait jamais observé). Les sondes Voyager ont détecté quatre autres anneaux nettement moins visibles. Les astronomes identifient dans les anneaux de Saturne 13 formations distinctes : les anneaux D, C, B, A, la division d'Encke, la division de Keeler, R/2004 S 1, R/2004 S 2, les anneaux F, G, E, la division de Cassini et la division de Guérin.

Les anneaux de Saturne s'étendent sur plus de 400 000 km, mais sont cependant très fins. À l'exception de l'anneau le plus externe, ils ne dépassent pas 1 km d'épaisseur. Si le matériau contenu dans les anneaux était rassemblé pour former une lune, celle-ci n'aurait pas plus de 100 km de diamètre.

L'anneau F, l'un des plus externes, est une structure extrêmement complexe formée de plusieurs anneaux plus petits « noués » entre eux. L'origine de ces nœuds est inconnue mais est probablement gravitationnelle. L'anneau E, le plus externe, s'étend sur 240 000 km et s'épaissit progressivement jusqu'à l'orbite d'Encelade atteignant une épaisseur de 60 000 km.

Les anneaux de Saturne entretiennent des relations complexes avec certains des satellites de Saturne. Il est établi que certains de ceux-ci, baptisés satellites bergers (Atlas, Prométhée et Pandore), sont indispensables pour la stabilité des anneaux, que Janus, Prométhée, Épiméthée, Pandore et Atlas se sont formés il y a 100 millions d'années à partir de l'étalement des anneaux dû à la rotation képlérienne qui les fait dépasser la limite de Roche[25]. Mimas semble responsable de la division de Cassini, Pan est situé à l'intérieur de la division d'Encke. Le système global des anneaux est complexe et encore mal connu en 2009.

Dynamique[modifier | modifier le code]

Le satellite berger Prométhée.

Les lacunes entre les anneaux résultent des interactions gravitationnelles entre les nombreuses lunes de Saturne et les anneaux eux-mêmes. Les phénomènes de résonance jouent également un rôle : ceux-ci se produisent lorsque la différence des périodes orbitales entre le satellite et les anneaux est un nombre entier. Ainsi, la division de Cassini résulte de l'influence de la lune Mimas. Certaines des plus petites lunes circulent dans les lacunes ou au bord des anneaux et stabilisent ainsi leur structures : on leur donne pour cette raison le nom de satellites bergers. Ainsi, Pandore et Prométhée confinent les particules de l’anneau F, Prométhée arrachant même périodiquement des filaments de matière à ce dernier[26].

La sonde spatiale Cassini a effectué des mesures et pris des photographies qui ont révélé que les bords des anneaux et la séparation entre les anneaux sont encore plus marqués qu'on ne l'avait estimé : on avait émis l'hypothèse qu'il subsistait dans les lacunes des morceaux de glace, mais ce n'est pas le cas.

L'épaisseur extrêmement faible des anneaux est due aux collisions entre les particules. Chaque particule de glace tourne individuellement autour de Saturne. Ainsi, si un morceau de glace se situe au-dessus de la surface de l'anneau, il va à chaque orbite autour de Saturne traverser l'anneau : les collisions durant la traversée de l'anneau auront tendance à la longue à réduire la composante perpendiculaire de sa vitesse et de fait à réduire l'épaisseur de l'anneau.

Agitation des anneaux[modifier | modifier le code]

Il règne dans les anneaux une agitation permanente : vagues, collisions, accumulations de matières.

La vie agitée des anneaux de Saturne a commencé à être étudiée depuis les missions américaines « Voyager ». Les astronomes ont pu alors constater qu'ils étaient faits d'une multitude de sillons « à la manière d'un tissu en velours côtelé ».

Depuis juillet 2004, la sonde Cassini, en orbite autour de Saturne, fournit des images de très grande qualité de la planète et de ses anneaux. Selon les théories actuelles, l'effervescence dans les anneaux serait due à la cinquantaine de satellites de Saturne :

  • certains sont situés à l'intérieur même des anneaux ;
  • d'autres sont situés à l'extérieur, mais créent à distance et sur des temps très longs, des vagues à la surface des anneaux, selon le même principe que la vibration d'un tambour ;
  • quelques satellites sont situés entre les anneaux, et même s'ils ont pour la plupart des corps relativement petits — d'une centaine de kilomètres de long — ils seraient à l'origine de nombreuses perturbations qui déplacent les particules composant les anneaux.

La sonde Cassini a permis d'améliorer de manière importante la connaissance du mécanisme des anneaux en particulier pour tout ce qui concerne leur évolution. L'anneau F a fait l'objet d'une étude approfondie ; les effets de marée sont si forts qu'aucun satellite n'y survit et on n'y trouve que de fines particules. L'anneau F est entouré de deux satellites, Prométhée et Pandore, ses satellites bergers, qui sont à l'origine de sa finesse. Toutes les quinze heures, le satellite Prométhée se rapproche de l'anneau et y crée de véritables saignées en attirant à lui de la matière par sa masse. Il brise l'anneau et l'ensemble de ces morceaux forme une spirale géante qui s'étale dans tout l'anneau. Phénomène encore plus curieux : la sonde Cassini a permis de mettre en évidence l'existence de satellites éphémères, toujours à l'intérieur de l'anneau F, qui disparaissent aussi rapidement qu'ils se forment[27].

Spokes[modifier | modifier le code]

Photomontage d'images prises par la sonde Cassini : des spokes sombres sur l'anneau B éclairé par le soleil avec une incidence rasante (vidéo faible définition (300×300 pixels))
- Version haute définition (1 016×1 016 pixels ;
- Version GIF (400×400 pixels, taille : 2,21 MB).

Jusqu'en 1980, on pensait que la structure des anneaux de Saturne était uniquement liée à l'action des forces gravitationnelles. Mais, les images envoyées par la sonde spatiale Voyager 1 confirmèrent la présence de bandes sombres dans les anneaux perpendiculaires à ceux-ci appelés spokes (rayons de bicyclette) qui ne peuvent pas être expliqués par ces seules forces, car leur persistance et leur déplacement dans les anneaux ne sont pas compatibles avec les lois de la mécanique céleste[28]. Les rayons paraissent tantôt sombres, tantôt lumineux, selon l'incidence de la lumière (voir les images dans la galerie), la transition se produisant lorsque l'angle de phase est proche de 45°. Les spokes se déplacent de manière quasi synchrone avec la magnétosphère de Saturne, aussi la principale théorie est qu'ils sont constitués de particules de poussière microscopiques en suspension au-dessus de la surface de l'anneau principal maintenus à distance par les forces de répulsion électrostatiques. Le mécanisme précis de génération des spokes est encore inconnu, bien qu'il ait été suggéré que les perturbations électriques puissent être engendrées par des éclairs dans l'atmosphère de Saturne ou les impacts de micrométéorites sur les anneaux[11].

Les spokes ne seront plus observés de près jusqu'à l'arrivée de la sonde spatiale Cassini vingt-cinq ans plus tard dans la banlieue de Saturne. Les photos prises par la sonde à son arrivée début 2004 ne font plus apparaitre de spokes. Certains scientifiques émirent alors l'hypothèse que le phénomène ne serait plus visible avant 2007 en s'appuyant sur la théorie utilisée pour expliquer leur formation. Mais, l'équipe de Cassini chargée de l'imagerie continua à rechercher leur présence dans les anneaux et les spokes furent détectés le 5 septembre 2005[29].

Les spokes semblent être un phénomène saisonnier, qui disparait au milieu de l'hiver Saturnien ainsi qu'au milieu de l'été et réapparaît lorsque Saturne est proche de l'équinoxe. L'hypothèse selon laquelle les spokes constituent un phénomène saisonnier, lié à la durée d'une année orbitale de Saturne (29,7 ans) semble confirmée par leur réapparition progressive durant les dernières années de la mission Cassini[30].

Photographies des anneaux de Saturne[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Les blocs de glace ont une taille de l'ordre de 10 cm à quelques mètres.
  2. Ils ont un albédo variant de 0,2 à 0,6.
  3. Pour les divisions d'Encke et de Keeler ainsi que pour les structures R/2004 S 1, R/2004 S 1 et l'anneau F, le rayon est pris au centre, pour une largeur inférieure à 1 000 km.
  4. Rayon de Saturne (60 268 km).
  5. L'anneau C contient plusieurs petites divisions et de petits anneaux internes et excentriques, comme l'annelet de Titan (77 871 km de rayon) ou l'annelet de Maxwell (87 491 km de rayon).
  6. La division de Cassini contient l'annelet de Huygens, un petit anneau de 117 680 km de rayon.
  7. Les divisions d'Encke et de Keeler sont situées à l'intérieur de l'anneau A.
  8. Une vidéo montrant Prométhée à son apoapside en entrainant dans un tourbillon le matériau de l'anneau et laissant derrière lui un sillage noir peut être consultée ici ou ici.
  9. Une vidéo montrant le déplacement de l'arc est visible ici ou ici.

Références[modifier | modifier le code]

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  2. a, b, c et d (en) Calvin J. Hamilton, « Historical Background of Saturn's Rings », sur http://www.solarviews.com,‎ 1997 (consulté en 10 décembre 2009).
  3. Jean-Eudes Arlot, en collaboration avec Christian Balança, Lorca Huet, Richard Vuong et Catherine Letailleur, « Découvertes - Saturne - Anneaux de Saturne », sur http://www.imcce.fr, Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (IMCCE),‎ 2009 (consulté en 11 décembre 2009).
  4. Radio-Canada avec Agence France Presse, « Faut-il exhumer Galilée ? », Société Radio-Canada,‎ 19 janvier 2009 (consulté en 11 décembre 2009).
  5. Pierre Chastenay, « Le ciel du mois de janvier 2009 - 2009, Année mondiale de l'astronomie », Planétarium de Montréal,‎ janvier 2009 (consulté en 11 décembre 2009).
  6. (en) Joe Rao, « NightSky Friday: See Saturn Closest to Earth in 30 Years », sur http://www.space.com,‎ 5 décembre 2003 (consulté en 10 décembre 2009).
  7. (en) Ellis D. Miner, Randii R. Wessen et Jeffrey N. Cuzzi, Planetary Ring Systems, Praxis,‎ 3 décembre 2007 (ISBN 978-0-387-34177-4 et 978-0-387-73981-6, résumé), chap. 1 (« The scientific significance of planetary ring systems »), p. 1-16.
  8. (en) The StarChild Team, « Saturn's Cassini Division », NASA,‎ 2009 (consulté en 10 décembre 2009).
  9. (en) James Clerk Maxwell, « James Clerk Maxwell on the nature of Saturn's rings », sur http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk,‎ mars 2006 (consulté en 10 décembre 2009).
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Voir aussi[modifier | modifier le code]

Sur les autres projets Wikimedia :

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) C.J. Mitchell, M. Horanyi, O. Havnes et C.C. Porco, « Saturn’s Spokes: Lost and Found », Science, vol. 311,‎ 17 mars 2006, p. 1587-1589 (DOI 10.1126/science.1123783, lire en ligne)

Liens externes[modifier | modifier le code]