Encelade, un des satellites de Saturne, photographié par la sonde Cassini. Sa surface de glace cache des masses d'eau liquide. Dans ce monde froid, la chaleur vient du malaxage de cette lune par la gravité de la géante gazeuse. L'étude fine de ses mouvements permet de mieux comprendre à la fois Encelade et Saturne. © Nasa

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Cassini révèle les mystères du champ gravitationnel de Saturne et ses lunes

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En mesurant précisément les effets des forces de marée entre Saturne et ses lunes, agissant dans une interaction complexe, des chercheurs ont trouvé le moyen de mieux comprendre la structure de la géante gazeuse ainsi que l'histoire de ses anneaux et de ses satellites. Merci à la sonde Cassini.

La Terre n'est pas un corps céleste homogène et sa forme ellipsoïdale, résultat de la combinaison des forces de gravitation et centrifuge due à sa rotation n'est pas exacte. Son champ gravitationnel n'est donc pas rigoureusement celui d'un point matériel contenant toute sa masse et qui varierait en 1/r2. Les spécialistes de la mécanique céleste chargés des mouvements des satellites artificiels le savent depuis longtemps, ce qui complique leur travail mais donne en retour la possibilité d'explorer la structure de la Terre en étudiant les mouvements de ces satellites, ce qui donnent des renseignements précieux pour les géophysiciens.

Sur la même orbite que Téthys, un des principaux satellites de Saturne, gravitent de part et d’autre de lui, à 60°, deux autres satellites plus petits : Télesto et Calypso. Cette configuration particulière des trois corps est la clef qui permet aux chercheurs de mesurer d’infimes variations du champ gravitationnel de Saturne. © Equipe ISSI-Encelade

Des forces de marée qui engendrent de la chaleur

La technique peut être transposée à l'étude de l'intérieur des planètes du Système solaire, notamment des géantes gazeuses. Grâce à des milliers d'images prises depuis 2004 par la sonde Cassini, en orbite autour de Saturne, une équipe internationale de chercheurs, qui s'est baptisée Encelade 2.0, a précisé les mouvements d'une quinzaine de satellites de Saturne, qui en compte 62 (pour autant que nous le sachions). Leur résultats viennent d'être publiés dans la revue Icarus. Quatre des plus massives de ces lunes ont fait l'objet d'un intérêt particulier, à savoir Téthys, Dioné, Rhéa et, bien sûr, la désormais mythique Encelade avec ses geysers.

Les lois de la mécanique céleste indiquent que des corps sphériques se déforment mutuellement en ellipsoïde sous l'effet des champs de gravité qu'ils exercent les uns sur les autres. Ces forces de marée sont importantes et variables si ces corps célestes orbitent l'un autour de l'autre à faible distance et si les orbites sont particulièrement excentriques. La matière à l'intérieur de ces objets est alors malaxée et il se produit en réponse des dégagements de chaleur.

Dans le cas de Io, la lune de Jupiter, l'énergie thermique produite est si importante qu'elle a transformé ce monde en un enfer volcanique. Un phénomène similaire mais de moins grande ampleur doit se produire au sein d'Encelade, ce qui expliquerait la présence d'eau liquide dans cette lune, pourtant trop petite pour ne pas avoir épuisé ses réserves de chaleur interne depuis sa formation.

Une vidéo illustrant les découvertes faites en étudiant les mouvements des lunes de Saturne. © Observatoire de Paris

Les forces de marée, un clé de l'évolution des mondes de Saturne

Une autre conséquence de ces forces de marée et de la dissipation d'énergie qu'elles impliquent est que des corps en orbite autour d'un objet central plus massif devraient progressivement voir leurs orbites devenir circulaires tout en s'éloignant du corps central. Les membres de l'équipe Encelade ont réussi à mesurer les forces marées dans le système saturnien en analysant les mouvements de Téthys, Dioné, Rhéa et Encelade. Ils en ont déduit une série d'informations nouvelles sur l'intérieur de Saturne, le chauffage d'Encelade et même l'origine des lunes de la géante, comme ils l'expliquent dans la vidéo ci-dessus.

L'interprétation des mesures est subtile car les lunes de Saturne déforment la planète par leurs effets de marée. Cela conduit donc à une modification de son champ de gravitation, puisque la répartition des masses est changée, ce qui en retour modifie les mouvements des lunes et les forces de marée qu'elles subissent.

Les modifications des forces gravitationnelles sont faibles mais les effets s'accumulent au cours du temps, de sorte que l'on constate des variations des distances de quelques dizaines de kilomètres sur dix ans. Au final, on devrait aussi en apprendre plus sur l'origine des anneaux de Saturne.

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