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De la Terre à Pluton, des lunes naîtraient d'anneaux planétaires !

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Des chercheurs français ont proposé depuis quelques années des scénarios expliquant l'origine de certaines des lunes de Saturne, dont Encelade, à partir d'anneaux planétaires primitifs massifs. Il en a résulté un modèle unique qui rend compte des origines de la grande majorité des satellites réguliers de notre système solaire, y compris la Lune et Charon.

Image d'artiste de la planète Neptune entourée d'anneaux denses à partir desquels se sont formés 2 satellites. Même s'ils ne sont plus très visibles aujourd'hui, Neptune possède encore des anneaux. © SAp, Animea

Les anneaux de Saturne posent des énigmes aux astronomes et aux astrophysiciens depuis plus d'un siècle, et si les observations des sondes Voyager et Cassini ont permis d'apporter quelques lumières sur leur structure et leur évolution, on n'en connaît toujours pas vraiment l'origine.

Ces anneaux sont certes spectaculaires, mais avec leur diamètre de 250.000 km environ et leur épaisseur de quelques dizaines de mètres tout au plus, ils ne contiennent que peu de matière. Essentiellement sous forme de glace, cette matière dispersée ne deviendrait qu'une petite planète de 100 km de diamètre si l'on parvenait à la rassembler. On a d'ailleurs pensé que ces anneaux pouvaient provenir d'un petit corps céleste glacé qui se serait approché trop près de Saturne, à une distance inférieure à la fameuse limite de Roche, et qui aurait été ainsi détruit par les forces de marée de la planète géante. Il découlait de cette hypothèse qu'il ne devait pas exister de petites lunes dans les anneaux de Saturne.

Les énigmes des lunes de Saturne

La découverte des satellites Pan et Atlas par les sondes Voyager en 1980 est venue contredire cette prédiction. Pire, des images en haute résolution de ces petits corps obtenues en 2006 grâce aux instruments de Cassini ont montré qu'ils sont entourés de bourrelets équatoriaux qui les font ressembler à des soucoupes volantes. Des simulations sur ordinateur ont rapidement montré qu'en un temps très court (quelques années), les particules de glaces des anneaux de Saturne s'empilent à l'équateur de ces satellites, qui étaient donc en train de grossir.

La répartition des principales lunes de Saturne en fonction de leur distance à la planète, avec leur taille à l'échelle (à l'exception des plus petits satellites). Les 5 lunes glacées (Minas, Encelade, Thetys, Dioné et Rhéa) sont d'autant plus loin de Saturne qu'elles sont massives. © CEA, Nasa

Pour expliquer cette croissance malgré les forces de marée, il faut se souvenir que la limite de Roche dépend de la densité du petit corps s'approchant du corps attracteur principal. Le rayon minimal d'approche est plus faible pour un corps rocheux que pour un corps de glace. Si Pan et Atlas possèdent un noyau rocheux, ils peuvent donc exister à l'intérieur des anneaux de Saturne.

Lorsqu'on s'éloigne de Saturne en franchissant la limite de Roche pour des corps de glace, on constate qu'il existe des lunes avec des propriétés étranges. On trouve ainsi entre le dernier anneau de Saturne et Titan 5 lunes essentiellement formées de glace, à savoir dans l'ordre Minas, EnceladeThétys, Dioné et Rhéa. On estime que celles qui contiennent le plus de roches sont Encelade et Minas (50 % et plus) alors que Téthys serait une boule de glace à 93 %. Bizarrement, ces lunes sont d'autant plus massives que l'on s'éloigne de Saturne en direction de Titan.

Les 5 principales lunes glacées de Saturne. On vient peut-être de comprendre leur origine à partir des anneaux de la planète. © Nasa

Ces lunes ont rendu perplexes les mécaniciens célestes. Elles doivent subir des effets de marée et, tout comme notre propre Lune en raison de l'attraction gravitationnelle de la Terre, elles doivent s'éloigner graduellement de Saturne en réponse à son influence. Les mesures de Cassini jointes à celles effectuées par les astronomes depuis 1886 ont permis d'estimer la vitesse de migration de certaines de ces lunes, dont Encelade.

Des forces de marée fortes générées par le cœur de Saturne

De façon surprenante, les vitesses observées se sont révélées en total désaccord avec les prévisions... à moins de doter Saturne d'un noyau solide et rocheux plus important que ce que l'on pensait. Avec jusqu'à 18 fois la masse de la Terre sous forme de glace et de roche, ce noyau permet de résoudre une autre énigme.

Ce fut une surprise quand les instruments de Cassini ont révélé que des geysers s'élevaient de la surface d'Encelade voilà quelques années. Il devait de toute évidence exister des poches d'eau liquide dans les profondeurs de cette lune. Toutefois, on voyait mal comment un corps si petit avait pu emmagasiner suffisamment de chaleur d'accrétion et d'éléments radioactifs pour rester chaud au point d'abriter de l'eau liquide.

Bien sûr, on pouvait tenter de faire intervenir le même mécanisme de chauffage par des forces de marée qui maintient liquide l'océan d'Europe, la lune de Jupiter. Malheureusement, ce n'était pas sans difficultés.

Tout change si on admet que Saturne possède un cœur rocheux important. L'effet des forces de marée étant plus important, il assure le chauffage d'Encelade et la présence d'un cryovolcanisme important à son pôle sud.

Genèse des protosatellites dans les anneaux de Saturne. Des débris de roche (en marron) issus du cœur du satellite progéniteur des anneaux s’entourent de glace (en bleu). Ensuite, ils sont expulsés des anneaux à cause des effets de marée pour former le système actuel des satellites de Saturne. © SAp, CEA

Tous ces éléments ont finalement permis à une équipe internationale de chercheurs dirigée par Sébastien Charnoz du laboratoire AIM (SAp, CEA-Irfu, université Paris-Diderot, CNRS) de proposer voilà plus d'un an une nouvelle théorie pour expliquer l'origine et les caractéristiques des lunes glacées de Saturne. Elles se seraient formées à partir des anneaux de Saturne pour entamer ensuite une migration sous l'action des effets de marée.

Des anneaux massifs pour toutes les planètes géantes

Cette théorie suppose que les anneaux étaient bien plus massifs voilà plusieurs milliards d'années, de 100 à 1.000 fois plus. Ils pourraient s'être formés à la suite d'une collision entre une planète de la taille de Titan et une grosse comète par exemple.

De gros fragments rocheux d'un diamètre supérieur à 100 km étant présents dans le disque de matière nouvellement formé, ils auraient commencé à grossir en s'entourant d'une couche de glace à la façon de Pan et Atlas tout en s'éloignant de Saturne. La quantité de matière contenue dans les anneaux diminuant avec le temps, on comprend pourquoi les lunes les plus massives se sont formées les premières et se trouvent aujourd'hui à de grandes distances de Saturne. Voilà pourquoi de Minas à Rhéa, on observe des masses et des distances à Saturne de plus en plus grandes.

Ces processus pourraient avoir débuté voilà 2,5 à 4,5 milliards d'années, par exemple à la suite du Grand bombardement tardif. Dans ces scénarios, Minas pourraient être plus jeune que Rhéa de 1,5 milliard d'années.

La répartition et la taille des satellites des quatre planètes géantes (Jupiter, Saturne, Neptune, Uranus). La formation de leurs lunes répondrait à un mécanisme commun. © SAp, Animea

Deux modèles pour la formation des lunes glacées de Saturne

Un second modèle ayant des points communs avec le précédent a aussi été proposé pour rendre compte de l'origine des lunes glacées de Saturne. Toujours en partant d'un disque plus massif que celui observé aujourd'hui, on peut expliquer la formation des lunes glacées de Saturne par le fait que le matériau des anneaux a tendance à se diffuser vers l'extérieur de la limite de Roche pour des corps de glace. Les effets de marée ne s'opposent alors plus à la formation de lunes par accrétion. Ce scénario prédit l'accumulation de petites lunes proches de cette limite de Roche puis leur migration au-delà. Les protolunes formées peuvent entrer en collision et former par la suite Minas et ses sœurs.

Dans un article récemment publié dans Science, Aurélien Crida (de l'université de Nice Sophia Antipolis et de l'observatoire de la Côte d’Azur) et Sébastien Charnoz s'appuient sur des éléments de ces deux modèles pour aller un cran plus loin. Les chercheurs se sont rendu compte qu'il était possible d'expliquer la formation et les caractéristiques des lunes non seulement de Saturne, mais aussi de Neptune et d'Uranus de façon similaire.

Une même origine pour les satellites réguliers du Système solaire

Tout commencerait par un système d'anneaux massifs où, là encore, la matière aurait tendance à diffuser au-delà de la limite de Roche pour des petits corps glacés du fait de la viscosité du gaz formé par les particules des anneaux. Les particules peuvent alors s'agglomérer pour former régulièrement des protolunes qui se détachent des bords des anneaux et migrent. Ces protolunes peuvent coalescer pour donner les grosses lunes glacées que l'on observe autour de Saturne, d'Uranus et de Neptune et qui sont d'autant plus massives que l'on s'éloigne de ces planètes. On n'observe plus ces systèmes d'anneaux massifs autour d'Uranus et Neptune (qui possèdent tout de même des anneaux) car ceux-ci auraient disparu à la suite de la formation des lunes.

Les deux chercheurs pensent que leur modèle peut aussi s'appliquer à la formation de notre Lune et à Charon, une lune de Pluton. Il serait donc possible d'expliquer la formation de la grande majorité des satellites réguliers du Système solaire grâce au mécanisme d'étalement des anneaux planétaires.