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Autour de Saturne, Mimas cacherait un océan... ou un noyau aplati

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À partir d'observations réalisées par la sonde spatiale Cassini, une équipe internationale de chercheurs a mesuré la rotation de Mimas, une des nombreuses lunes de Saturne, et y a détecté des oscillations. Non conformes aux modèles prédictifs, elles laissent penser que ce petit satellite pourrait abriter soit un noyau fortement aplati soit, sous sa couche de glace, un océan.

Mimas est un des nombreux satellites naturels gravitant autour de Saturne. Sur cette image prise en 2010 par la sonde spatiale Cassini, à environ 16.000 km de distance, on distingue à sa surface le grand cratère Herschel (130 km), caractéristique de cette lune de 396 km de diamètre. Son orbite est synchronisée avec la planète géante. © Nasa, JPL, Space Science Institute

La rotation de Mimas a été mesurée à partir des images de Cassini (Esa, Nasa), à l'aide d'une technique à l'utilisation peu connue, dite de stéréophotogrammétrie. Elle permet de reconstituer en trois dimensions une portion de surface d'un objet dès lors qu'il est observé au moins deux fois sous des angles différents. Tout comme la Lune autour de la Terre, Mimas est en rotation synchrone autour de Saturne. Cela signifie que ce satellite tourne sur lui-même à la même vitesse qu'il effectue une révolution autour de la planète géante, montrant ainsi toujours la même face à sa planète.

Toutefois, à ce mouvement moyen uniforme, se superposent des oscillations. Celles-ci sont appelées librations, car elles résultent du couple de force gravitationnelle exercée par Saturne sur le satellite d'environ 400 km de diamètre. Les travaux menés par une équipe internationale impliquant des chercheurs français de l'Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (IMCCE) de l'observatoire de Paris (CNRS, Université Pierre et Marie Curie, Université Lille 1) et du laboratoire AIM (CEA, CNRS, Université Paris Diderot) et des scientifiques de l'observatoire Royal de Belgique, l'université de Namur (Belgique) et l'université de Cornell (États-Unis) ont permis de mettre en évidence deux types de librations : l'un à basse fréquence, l'autre à haute fréquence. Or, sur ces deux types, celui à haute fréquence présente une amplitude deux fois plus importante, incompatible avec le modèle de rotation d'un satellite solide, à l'équilibre hydrostatique. Cette amplitude est révélatrice de la distribution de masse à l'intérieur du corps et de la présence ou non de couches liquides.

Mimas est un des satellites naturels sphériques les plus proches de Saturne. Bien que photographié par Cassini à plus de 3 millions de km de distance, le cratère Herschel qui domine la surface de cette petite lune se remarque sans difficulté. © Nasa, JPL, Space Science Institute

Mimas pourrait cacher un océan

Ces observations sont donc surprenantes et révèlent une structure interne intrigante. Après avoir exploré plusieurs hypothèses, il apparaît que cette forte amplitude peut s'expliquer soit par la présence, sous le manteau de glace de Mimas, d'un noyau de roche de forme très allongée, soit par l'existence d'un océan interne caché entre sa surface glacée et son noyau. En effet, les planétologues supposent que le noyau du petit satellite doit être à l'équilibre hydrostatique (où les forces de gravitation, centrifuge et de pression s'équilibrent dans le corps), par conséquent d'un âge de formation très ancien. Or la forte amplitude de la libration à haute fréquence pourrait indiquer un noyau présentant un allongement de 20 à 60 km plus important que dans le cas hydrostatique.

Si le noyau de Mimas est bien allongé, alors il aurait gelé depuis sa formation et aurait conservé en grande partie sa forme initiale. En revanche, si cette lune possède un océan, elle rejoindrait alors le club des « satellites à océan interne » du Système solaire où figurent plusieurs lunes de Jupiter (Europe, Ganymède...) et, autour de Saturne, Titan et Encelade. Un tel océan global serait une véritable surprise, car la surface de Mimas ne présente aucun signe d'activité géologique récente. Des observations supplémentaires de Cassini permettront d'affiner les modèles d'intérieur de Mimas.

Que ce soit l'une ou l'autre de ces deux solutions, nous savons dorénavant que Mimas, malgré sa surface apparemment ancienne criblée de cratères et sa petite taille, n'est pas l'astre froid et inerte que l'on imaginait. Percer le secret de son intérieur éclairera sûrement sur sa formation, et par là même sur la formation du système de Saturne dans sa globalité.