Saturne et ses anneaux vus depuis Cassini en janvier 2007. © Nasa, JPL

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Les anneaux de Saturne sont en train de disparaître !

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Comme les montagnes, les océans et les continents sur Terre, les anneaux de Saturne seraient éphémères et devraient disparaître d'ici 300 millions d'années. Les particules glacées qui les composent tombent en effet sur la géante sous l'effet de sa gravité et de son champ magnétique.

Galilée a été le premier à observer Saturne avec une lunette. Il découvrit qu'elle avait une forme étrange dont la nature ne fut comprise qu'en 1655 par le mathématicien, astronome et physicien,  Huygens : la géante était entourée d'un anneau, et plusieurs même, comme Giovanni Domenico Cassini le montre quelques années plus tard. En 1859, le physicien James Clerk Maxwell, à qui l'on doit la théorie du champ électromagnétique, fait voler en éclats la théorie proposée par Laplace en 1787, selon laquelle les anneaux de Saturne sont solides. En se basant de façon ingénieuse sur les lois de la mécanique, Maxwell en déduit qu'ils sont probablement constitués d'un ensemble de petits corps en orbite. Il faudra ensuite attendre les travaux de la mathématicienne russe, Sofia Kovalevskaya (1850-1891) pour avoir la preuve que les anneaux de Saturne ne peuvent pas être liquides. C'est finalement en 1895 que les observations de l'astronome états-unien, James Edward Keeler, confirment définitivement la version de Maxwell.

Les astrophysiciens et les mathématiciens intéressés par la cosmogonie tenteront ensuite d'expliquer la formation de ces anneaux. Certains ont expliqué qu'ils proviendraient de la destruction d'un petit corps céleste qui se serait trop approché de Saturne. Ce faisant, il serait passé sous la limite définie par le mathématicien et astronome Edouard Roche, c'est-à-dire la distance minimale en-deçà de laquelle un petit corps, s'approchant d'un gros, est détruit par les forces de marée. Mais si tel est bien le cas, à quel moment s'est produit cet événement ? Des milliards d'années ? Tout au début de la naissance du Système solaire ou plus récemment ?

L'essor de l'exploration spatiale avec les sondes Voyager et Cassini, et bien sûr les instruments au sol, nous a fourni des renseignements dont ne pouvaient rêver Galilée et Laplace. Ces recherches nous permettent de nourrir des modèles théoriques et des simulations numériques sur ordinateur qui sont en mesure de donner des réponses à toutes ces questions. Un groupe de planétologues anglo-saxons vient d'ailleurs de publier dans le célèbre journal Icarus un article aboutissant à une conclusion étonnante : les anneaux de Saturne sont éphémères, ils se seraient formés il y a 100 millions d'années, tout au plus, et dans 300 millions d'années, ils disparaîtront.

Une présentation du contenu de l'article d'Icarus sur le destin des anneaux de Saturne. Traduction et sous-titrages en cliquant sur la roue dentée en bas à droite de la vidéo. © Goddard, Nasa

Tout évolue dans l'Univers et rien, à part peut-être certaines lois fondamentales de la physique, ne demeure de toute éternité. Il suffit pour s'en convaincre de se référer à la découverte de la tectonique des plaques ou à la théorie du Big Bang. C'est dans le cadre de cette autre représentation du Monde, ce nouveau paradigme dont les Terriens ont pris conscience depuis plus de 50 ans, que s'inscrit la stupéfiante conclusion des chercheurs. Ils se sont appuyés sur plusieurs travaux et, en particulier, sur des observations faites dans l'infrarouge avec les instruments du Keck à Hawaï.

Une pluie de particules glacées et chargées sur Saturne

Ces observations, datant du début des années 2010, précisaient les caractéristiques de la présence de nombreux cations trihydrogène dans l'ionosphère de Saturne. Que l'on puisse en trouver n'est pas étonnant puisqu'il s'agit d'H3+, l'ion le plus abondant dans le milieu interstellaire, où il demeure stable, compte tenu de la température très basse et de l'extrême ténuité de ce milieu. La plus simple des molécules triatomiques, dans laquelle trois protons se partagent deux électrons, avait déjà été détectée dans les atmosphères des géantes depuis un certain moment (1989, avec Jupiter).

Mais ce qui s'est révélé riche en enseignements, cette fois-ci, est que les ions H3+ sont particulièrement présents dans des bandes dans les hémisphères Nord et Sud où l'on sait que plongent et émergent des lignes de champs de la magnétosphère de Saturne. Ces bandes sont particulièrement brillantes mais, a contrario, elles apparaissaient sombres sur des images prises par les sondes Voyager 1 et 2 lorsqu'elles ont visité Saturne au début des années 1980.

Or, déjà en 1986, le planétologue John E.P. Connerney, plus connu sous le diminutif de Jack Connerney, avait interprété ces bandes comme étant le résultat de l'afflux de particules de glaces chargées conduisant à « disperser » un brouillard présent dans ces régions de l'ionosphère ; ces bandes devenant moins brillantes, moins contrastées et donc plus sombres.

Jack Connerney revient aujourd'hui sur le sujet, dans l'article d'Icarus, rédigé sous la direction de son collègue de la Nasa, James O'Donoghue, et qui permet d'emboîter les pièces d'un puzzle.

Il apparaît maintenant que les ions de trihydrogène, dans les bandes considérées, sont le produit final de réactions chimiques à partir de particules de glaces chargées qui se sont vaporisées dans l'ionosphère. Ces particules proviennent des anneaux de Saturne où elles ont acquis leurs charges, soit sous l'effet du rayonnement ultraviolet ionisant provenant du Soleil, soit au contact du plasma produit par les collisions entre les micrométéorites et les particules de glaces de ces anneaux. En devenant chargées, ces particules deviennent alors sensibles aux champs magnétiques de Saturne qui les guident sous l'influence de la gravité de la planète le long des lignes de champs qui vont les conduire dans les bandes sombres de Voyager.

On peut évaluer la quantité de particules glacées qui est ainsi arrachée aux anneaux au cours du temps. C'est de cette façon que l'on aboutit au chiffre de 300 millions d'années pour le temps qui devrait rester à vivre à ces anneaux. Le phénomène contraint aussi les estimations concernant l'âge des anneaux qui ne devrait pas dépasser 100 millions d'années, un chiffre dont l'ordre de grandeur est cohérent avec une autre estimation déjà avancée mais, sur une autre base, il y a quelques années.

Un résultat qui laisse songeur comme l'explique James O'Donoghue : « Nous avons la chance d'être présent pour voir le système des anneaux de Saturne, qui semble être en plein milieu de sa vie. Mais si les anneaux sont bien temporaires alors nous avons peut-être manqué ceux de Jupiter, Uranus et Neptune quand ils étaient géants ».

  • Les données des sondes Voyager, complétées par des observations dans l'infrarouge sur Terre avec le télescope Keck à Hawaï, montrent que des particules de glace issues des anneaux de Saturne tombent en pluies sur la géante gazeuse.
  • Le phénomène est dû au fait que les particules des anneaux se chargent sous l'effet des rayons ultraviolets et du plasma généré par le bombardement des micrométéorites. Elles deviennent alors sensibles aux lignes de champs magnétiques de la planète, en plus de sa gravité, ce qui les conduit à tomber sur Saturne.
  • Les anneaux devraient ainsi disparaître en 300 millions d'années tout au plus et ce phénomène implique aussi qu'ils sont récents, ce que se laissait déjà entendre depuis quelques temps.
  • Si tel est le cas, les anneaux existants aujourd'hui autour de Jupiter, Uranus et Neptune sont peut-être des vestiges d'anneaux beaucoup plus grandsse.
Pour en savoir plus

Cassini : les anneaux de Saturne révèleront-ils enfin leurs secrets ?

Article de Rémy Decourt publié le 08/09/2017

Les anneaux de Saturne restent bien mystérieux. Nous n'avons ainsi aucune certitude en ce qui concerne leur formation. Mais les dernières orbites de la sonde Cassini pourraient bien changer la donne. Les explications de Nicolas Altobelli, responsable scientifique de cette mission pour l'Agence spatiale européenne (ESA).

Les anneaux de Saturne intriguent à la fois les spécialistes et les astronomes amateurs. Ils sont en effet uniques dans le Système solaire (leur structure géologique n'a aucun équivalent sur Terre) et, en même temps, ils sont visibles depuis notre planète avec un télescope moyen, et sont très attrayants.

La sonde Cassini a permis d'en apprendre davantage sur eux. Il faut dire que lorsqu'elle est arrivée autour de Saturne, en 2004, seuls 20 % de ces anneaux étaient connus. Tout au long des treize années passées dans le système saturnien, la sonde a pu les observer avec une définition de quelques centaines de mètres pour les meilleurs clichés, ce qui représente une amélioration d'un facteur 5 par rapport aux images transmises par les sondes Voyager.

L'autre grande avancée, par rapport aux deux sondes Voyager, c'est la durée de la mission. Alors que Voyager 1 et 2 n'ont fait que survoler Saturne, respectivement en novembre 1980 et août 1981, Cassini a pu suivre l'évolution des anneaux sur le long terme, ce qui a permis de nombreuses découvertes.

Nicolas Altobelli, responsable scientifique de la mission Cassini pour l'Agence spatiale européenne (ESA), nous explique pourquoi le « grand final » de cette sonde devrait aider les scientifiques à retracer l'histoire des anneaux de Saturne.

Les différents anneaux de Saturne. © Nasa, JPL

La masse des anneaux, un indice précieux

Il reste beaucoup à apprendre en ce qui concerne Saturne. Par exemple, aussi surprenant que cela puisse paraître, treize ans après son arrivée autour de la planète, Cassini n'a pas encore réussi à dater la naissance des anneaux !

Or, les dernières orbites de la sonde autour de Saturne, lors du grand final, vont permettre de déterminer leur masse. « Cela n'a pas pu être fait jusqu'à maintenant car il s'agit d'une mesure compliquée à réaliser ». On utilise pour cela le « lien radio entre la sonde et la Terre, pour voir des modifications minuscules de la valeur de la vitesse de Cassini par rapport à la Terre avec une précision très impressionnante de 0,05 millimètre par seconde à plus d'un milliard de kilomètres ».

Cette modification de la vitesse de la sonde s'explique par la gravité de Saturne. Mais, en mesurant d'infimes variations, « nous sommes capables de séparer la gravité des anneaux de celle de la planète ». À partir du moment où l'on est capable de mesurer la « poussée gravitationnelle ou l'influence gravitationnelle des anneaux, on est capable de déterminer leur masse ».

Les anneaux de Saturne en fausses couleurs. Chaque couleur renseigne sur la taille des particules qui les composent. La couleur pourpre indique des régions où il y a un manque de particules de taille inférieure à 5 centimètres, tandis que les nuances de vert et de bleu indiquent des régions où il y a des particules inférieures à 5 centimètres, voire 1 centimètre. © Nasa, JPL

Les anneaux sont-ils nés après ou en même temps que Saturne ?

Connaître cette masse est important parce que cela mettra une contrainte sur la formation des anneauxGrosso modo, « deux scénarios s'opposent » :

  • Première hypothèse : les anneaux qui entourent la planète sont « jeunes, et il s'agit d'un petit objet capturé, comme une comète qui, par effet de marée et de différentiel de gravitation, s'est complètement désintégrée ». Dans ce scénario, les « particules peuvent se mettre en orbite autour de Saturne sous la forme d'anneaux ». Problème, sachant que les anneaux sont composés d'eau pure à plus de 95 %, cela ne fonctionne pas car « nous savons que les comètes ne sont pas composées d'eau pure » ; l'eau qu'elles contiennent est surtout un mélange de grains de silicates avec différents types de glace.
  • Seconde hypothèse : les « anneaux sont aussi vieux que la planète ». Au moment de la formation de Saturne, il y aurait eu « assez de gaz pour qu'une lune de la taille de Titan migre vers la planète et s'en approche suffisamment pour que les forces de marée arrachent sa surface glacée ». Dans ce scénario, le noyau de cette lune, plus solide que la surface, « n'a pas été désintégré mais est simplement tombé dans Saturne ». La partie glacée de la lune s'est mise en orbite autour de la planète. Ce scénario est attrayant mais, dans ce cas, « pourquoi les anneaux ne sont-ils pas plus sombres ? » Vieux de plusieurs milliards d'années, ils devraient être salis et noircis par le bombardement des poussières micrométriques provenant du milieu interplanétaire. « Or, les anneaux sont très brillants ! »

La connaissance de la masse totale des anneaux est donc un « paramètre essentiel pour faire la différence entre ces deux scénarios et retracer l'histoire de leur formation ». Les dernières données laissent à penser que les anneaux sont faiblement massifs, ce qui « accréditerait le scénario d'une formation récente ».

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