Les anneaux de Saturne sont composés en majeure partie de particules de glace d’eau. Si on sait qu’ils sont relativement jeunes par rapport à l’âge de notre Système solaire, son scénario de formation est encore méconnu. Des scientifiques proposent grâce à des simulations numériques que ces anneaux ont pu se former à partir des débris de deux lunes glacées qui seraient entrées en collision il y a quelques centaines de millions d’années.
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Lancée en 1997, la sonde Cassini a exploré le système saturnien pendant près de 13 ans, observant et analysant la planète gazeuse, ses lunes et ses mystérieux anneaux. La mission a été une véritable réussite et une mine de précieuses informations, notamment à propos des anneaux qui entourent SaturneSaturne. S'ils semblent continus vus depuis la Terre, ils sont en fait composés d'une multitude de petits morceaux de glace (environ 95 % de glace d'eau pure) et de grains de poussière, dont les tailles varient de quelques micromètresmicromètres à plusieurs centaines de mètres. De plus, grâce à de récentes analyses des données récoltées par la sonde Cassini, on sait désormais que les anneaux sont relativement jeunes, et qu'ils se sont formés il y a quelques centaines d'années seulement (sachant que Saturne s'est formée il y a environ 4,5 milliards d'années !). Mais leur origine demeure un mystère et à l'époque, seuls les dinosauresdinosaures auraient pu assister à leur formation. Comment ces anneaux sont-ils apparus ?
Des simulations numériques pour remonter l’histoire
Pour retracer les événements passés ayant mené à une formation observable de nos jours, les scientifiques disposent aujourd'hui de puissants outils numériquesnumériques. Ces derniers leur permettent de simuler de nombreuses éventualités afin de voir lesquelles peuvent conduire aux structures observées. C'est ce qu'a proposé une équipe de scientifiques dans une étude parue le 27 septembre dans la revue The Astrophysical Journal, menée conjointement par des chercheurs de la Nasa et des universités de Durham et de Glasgow.
En partant de l'hypothèse que les anneaux de Saturne pourraient être le résultat de la collision entre deux lunes glacées, ils ont réalisé une multitude de simulations de collisions de lunes afin de voir si ces dernières pouvaient aboutir à la formation des anneaux. Leurs simulations ont été réalisées grâce à un supercalculateursupercalculateur (en quelque sorte un ordinateurordinateur hautement performant) nommé DiRAC (Distributed Research using Advanced Computing). Leurs résultats sont sans appel : la grande majorité des simulations de collisions de lunes glacées aboutit à une dispersion de morceaux de glace dans la zone des anneaux, en quantités proches de celles observées aujourd'hui.
Cette vidéo montre une visualisation d’une simulation 3D de collisions de lunes glacées en orbite autour de Saturne. Les chercheurs constatent qu’un large éventail de scénarios d’impact comme celui-ci pourrait disperser des débris loin à travers le système saturnien. Cela inclut une grande quantité de glace pure se dirigeant près de la planète, où elle pourrait évoluer dans les anneaux emblématiques, et encore plus de glace et de débris rocheux qui pourraient perturber d’autres lunes précurseurs dans un effet de cascade. © Kegerreis et al, 2023
Un choc titanesque entraînant la dispersion de matière dans tout le système
Selon les chercheurs, le scénario de formation des anneaux de Saturne le plus probable résiderait dans la collision de deux lunes glacées, analogues en taille et en composition aux lunes Dioné ou Rhéa. Ils estiment qu'un tel évènement aurait pu être déclenché il y a plusieurs centaines de millions d'années à cause d'instabilités gravitationnelles dans le système saturnien de l'époque : les lunes qui gravitent autour de Saturne ont une influence gravitationnelle les unes sur les autres (on parle de résonance), pouvant ainsi déstabiliser certaines orbitesorbites et, dans un cas extrême, pousser deux lunes à se heurter. Des effets gravitationnels en cascade auraient alors mené à la disposition des lunes telle qu'on la connaît aujourd'hui.
Ce scénario est d'autant plus satisfaisant que les scientifiques s'escrimaient sans grand succès à expliquer la composition chimique des anneaux, représentés quasiment exclusivement par de la glace d'eau. Lors d'un impact entre deux lunes glacées, ce sont principalement des débris de glace qui seront le plus dispersés, tandis que leur cœur, de composition plutôt rocheuse, aurait pu plus facilement rester consolidé. En somme, la collision entre deux lunes glacées expliquerait à la fois la formation d'anneaux autour de Saturne, mais également leur composition. Dans tous les cas, l'étude du système saturnien demeure scientifiquement excitante, quand on sait que certaines des lunes de Saturne pourraient abriter des conditions propices à l'apparition de la vie.
Fin du mystère pour les anneaux de Saturne et l'inclinaison de la planète géante ?
Article de Léa FournassonLéa Fournasson, publié le 18 septembre 2022
L'orbite de Saturne possède une forte inclinaison, récente à l'échelle astronomique. Une étude a tenté de reconstituer l'histoire de cette géante gazeusegéante gazeuse pour en connaître la raison. Et selon les chercheurs, Saturne avait une lune de plus qu'elle a fini par briser il n'y a pas très longtemps.
L'histoire de la géante gazeuse Saturne regorge de mystères. Formée dans le disque protoplanétaire du SoleilSoleil tout comme les autres planètes du Système solaireSystème solaire, elle a cependant connu de nombreux changements depuis. Notamment, au niveau de son inclinaison. Celle-ci caractérise l'angle entre le plan orbital de la planète et celui de l'écliptiqueécliptique, donc de sa rotation autour du Soleil.
Des observations ont montré que cet angle est de 26,73 degrés : la planète semble tourner sur elle-même, « penchée » par rapport à son parcours autour du Soleil. Une inclinaison presque équivalente à celles de la Terre ou de Mars, respectivement de 23,44° et 25,19°. Mais des scientifiques ont récemment découvert qu'il n'en a pas toujours été ainsi ! Ce décalage d'angle serait né suite à différents événements, qu'a reconstitués une étude dans la revue Science dirigée par des chercheurs du MIT (Massachusetts Institute of Technology). Selon les auteurs, un nouvel élément s'ajoute aux connaissances sur le sujet : la destruction il y a 100 millions d'années d'un satellite de Saturne, qu'ils ont baptisé Chrysalis.
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L'inclinaison de Saturne reste inexplicable, sauf si...
Des études précédentes avaient conclu sur la migration récente des satellites de Saturne comme cause de son inclinaison. En effet, son décalage par rapport à l'axe ne peut s'expliquer par sa formation dans le disque protoplanétairedisque protoplanétaire, ou par un grand impact qui aurait incliné la planète. Tout s'est fait progressivement. Selon les précédentes recherches, Saturne est restée faiblement inclinée durant plus de 3 milliards d'années avant de subir un basculement de son orbite !
Les chercheurs du MIT citent d'ailleurs ce scénario dans leur étude, expliquant que « la migration rapide vers l'extérieur observée du plus grand satellite de Saturne, TitanTitan, pourrait avoir augmenté l'obliquitéobliquité de Saturne par une résonance de précessionprécession spinspin-orbite avec NeptuneNeptune ». En effet, « lorsque Titan migre vers l'extérieur, la fréquencefréquence de précession augmente ». La résonance de précession aurait ensuite été atteinte, signifiant que « la fréquence de précession de l'axe de rotation de Saturne (la vitessevitesse à laquelle l'axe tourne autour de la verticale) est égale à la fréquence de précession de l'orbite de Neptune », explique l'étude.
Mais un événement s'ajoute dans l'équationéquation. Car en se basant sur des mesures prises par la sonde Cassini, partie en exploration vers la géante gazeuse entre 2004 et 2017, l'équipe a estimé le moment d'inertieinertie de Saturne, dont la valeur s'est révélée « juste en dehors de la plage requise pour la résonance ». Quelque chose a donc décalé à nouveau l'inclinaison de Saturne, et l'a sortie de sa résonance avec Neptune ! Mais quoi ? Pour le savoir, les chercheurs ont réalisé de nombreuses simulations, dont une grande quantité consistait à modifier les orbites de ses satellites. Mais, malheureusement, même en impliquant tous les très nombreux satellites saturniens, aucun scénario n'explique cette différence de précession.
Un ancien satellite déchiré par les effets de marée a changé la donne
Les chercheurs ont alors établi une nouvelle hypothèse : Saturne possédait jusqu'à il y a 150 millions d'années un autre satellite, qui a ensuite été déchiré par les effets de maréemarée. Baptisé Chrysalis par l'équipe, son orbite se serait déstabilisée alors que Titan s'écartait de Saturne, et il se serait un peu trop rapproché de la planète. Et, d'après l'étude, non seulement ce scénario permet de reproduire le léger décalage de Saturne par rapport à sa résonance, mais il explique aussi la présence de ses anneaux !
Malgré tout, ce résultat n'est qu'un mécanisme plausible : rien ne prouve encore que c'est exactement ce qui s'est produit. Car pour cela, il faudrait s'assurer de l'âge des anneaux de Saturne, qui doit donc correspondre à la destruction de Chrysalis. Or, selon la méthode d'estimation, les anneaux seraient soit âgés d'environ 100 millions d'années, si l'on se base sur « la force estimée des couples d'anneaux satellites et le taux estimé d'assombrissement du matériaumatériau riche en glace », explique l'étude, soit ils seraient aussi vieux que le Système solaire et auraient contribué à la création des satellites de Saturne !
Finalement, l'astrophysicienne Maryame El Moutamid conclut dans un article de perspective connexeconnexe dans Science que « pour corroborer davantage ces affirmations, les recherches futures devront mieux définir le moment d'inertie polaire de Saturne et la probabilité que des événements similaires se produisent pour d'autres planètes avec des anneaux ».
Le mystère de l'âge des anneaux de Saturne peut-être élucidé
Article de Laurent SaccoLaurent Sacco, publié le 22 août 2014
Nous connaissons l'existence des anneaux de Saturne depuis près de quatre siècles, mais on ignore toujours quand et comment ils se sont formés. Les données fournies par la sonde spatiale Cassini-Huygens en orbite autour de Saturne depuis 2004 viennent de réhabiliter une hypothèse à ce sujet. Les anneaux de Saturne pourraient s'être formés presque en même temps que la géante, voici plus de 4,4 milliards d'années.
En 1610, Galilée est le premier à observer Saturne avec une lunette. Il remarque aussitôt sa forme étrange. En 1655, Huygens comprend quant à lui qu'il doit s'agir d'un anneau et en 1675, Giovanni Domenico Cassini découvre qu'il est composé, en réalité, d'un grand nombre d'anneaux concentriques séparés. AstronomesAstronomes, mathématiciensmathématiciens et physiciensphysiciens vont alors essayer de connaître leur nature et leur origine, mais il faudra attendre le XIXe siècle pour que des progrès notables soient accomplis. En 1859, James Clerk Maxwell fait voler en éclats la théorie proposée par Laplace en 1787. Les anneaux de Saturne ne peuvent pas être solidessolides, les lois de la physiquephysique l'interdisent. Maxwell en déduit qu'il s'agit probablement d'un ensemble de petits corps orbitant autour de Saturne.
Les anneaux de Saturne, un casse-tête pour mathématiciens
Si Sofia Kovalevskaya (en français et en allemand, elle signe Sophie Kowalevski) avait vécu au XXIe siècle, elle aurait probablement été l'une des lauréates de la médaille Fields. La mathématicienne russe, née en 1850 et décédée en 1891, qui s'est illustrée par des travaux sur les équations aux dérivées partielles, a complétée le travail de Maxwell en prouvant que les anneaux de Saturne ne pouvaient pas non plus être liquidesliquides. L'astronome états-unien James Edward Keeler confirma finalement l'hypothèse de Maxwell en 1895.
Entre-temps, le mathématicien et astronome français Édouard Roche en était arrivé à la conclusion que les anneaux de Saturne provenaient probablement de la destruction d'une lune par les forces de maréeforces de marée de la géante. Ceux-ci se trouvent en effet sous la fameuse limite de Roche. Dans cette hypothèse, ils auraient pu prendre naissance à une date arbitraire entre la formation de Saturne et aujourd'hui.
Cette vidéo a été réalisée avec de vraies images prises par la sonde spatiale Cassini-Huygens. Elle offre une plongée spectaculaire dans le monde des anneaux et des lunes de Saturne. © VideoFromSpace, YouTube
Les progrès de la planétologie liés à l'ère spatialeayant conduit les astrophysiciensastrophysiciens à adopter l'hypothèse de la nébuleusenébuleuse primitive de Kant-Laplace et à la développer pour expliquer l'origine du Système solaire,on pouvait en déduire que les anneaux de Saturne sont peut-être un vestige de la matièrematière en train de s'organiser dans le disque protoplanétaire. Ils seraient donc aussi âgés que la planète, c'est-à-dire plus de 4,4 milliards d'années.
Une horloge basée sur la contamination par les poussières
Un argument militait cependant contre cette dernière hypothèse. Les anneaux de Saturne sont en effet composés pour l'essentiel de glace très pure, ce qui est cohérent avec l'hypothèse d'une formation conjointe avec Saturne dans une région riche en gazgaz et poussières glacées et non avec la destruction ultérieure d'une lune rocheuse par les forces de marée ou suite à une collision. Or, le taux de chute des poussières interplanétaires connu dans le Système solaire interne en direction du Soleil conduisait à penser que les anneaux auraient dû être contaminés fortement pas ces particules à moins qu'ils ne soient âgés que de quelques centaines de millions d'années tout au plus. Dans cette dernière hypothèse, les anneaux se seraient formés probablement suite à la destruction d'une lune avec un manteaumanteau glacé important et un cœur rocheux avalé par Saturne après qu'il ait été dépouillé de son enveloppe de glace au passage de la limite de Roche.
Le journal Nature vient d'indiquer que lors du colloque consacré aux anneaux planétaires par le Cassini Rings Working Group du 13 au 15 août 2014 à Boulder, dans le Colorado, l'astrophysicien Sascha Kempf avait confirmé ce qu'il annonçait depuis quelque temps déjà, à savoir que l'argument des poussières interplanétaires ne tenait pas la route.
Pendant sept années Kempf et ses collègues ont utilisé un instrument à bord de la sonde Cassini pour mesurer le flux de poussières tombant en direction de Saturne. En se basant sur le flux connu plus proche du Soleil, les chercheurs pensaient observer environ 800 poussières dont les trajectoires et les vitesses démontreraient qu'elles ne pouvaient pas venir des corps célestes orbitant autour de la planète géanteplanète géante. Or, à leur grand surprise, ils n'en ont détecté que 140 semblant, qui plus est, provenir de la ceinture de Kuiperceinture de Kuiper où circule des petits corps glacés comme Makemake et QuaoarQuaoar, voire carrément du nuage de Oort. C'est très insuffisant pour polluer les anneaux de Saturne ce qui vient donc de relancer le débat sur leur origine et leur âge.
