Une vue d'artiste de Saturne et de son intérieur selon le modèle proposé dans une publication récente. © Caltech/R. Hurt (IPAC)
Sciences

Des séismes sur Saturne font trembler ses anneaux et révèlent son intérieur

ActualitéClassé sous :Astronomie , anneaux de Saturne , sonde cassini

[EN VIDÉO] Cassini : 15 ans de spectacle  En 2012, pour les 15 ans du lancement de la mission Cassini-Huygens, la Nasa avait fourni un florilège d'images montrant les lacs de Titan, les geysers d'Encelade, la danse des lunes de Saturne ainsi que le son des ondes radio émises par les éclairs dans les tempêtes de Saturne. 

Deux astrophysiciens confirment la pertinence d'une idée avancée au cours des années 1990 et qui devait pouvoir être mise en pratique en étudiant les anneaux de Saturne. Des mouvements à l'intérieur de la géante, analogues à ceux des séismes sur Terre ou à l'intérieur du Soleil, en changeant le champ de gravitation de la planète au niveau de ses anneaux les font vibrer. On peut alors s'en servir comme sismographe pour sonder l'intérieur de Saturne.

Un article paru dans le célèbre journal Nature Astronomy, présentant les travaux de deux astronomes du mythique Caltech qui se sont basés sur les données de la sonde Cassini concernant les anneaux de Saturne, aurait sans aucun doute retenu l'attention de l'astronome américain d'origine allemande Rupert Wildt (1905-1976). C'est à lui que l'on doit en effet les premiers modèles de l'intérieur des planètes géantes, modèles qu'il a proposés et développés au cours des années 1940 et 1950.

Selon lui, l'intérieur des planètes Jupiter et Saturne était probablement constitué d'un petit noyau rocheux couvert d'une épaisse couche de plusieurs glaces (elle n'est pas uniquement formée d'eau), le tout enveloppé dans une vaste atmosphère fluide, composée essentiellement d'hydrogène et d'hélium. Ces modèles s'appliquent aussi à Uranus et Neptune, à ceci près que l'on pense savoir que ces géantes doivent posséder un manteau de glaces bien plus important entourant un noyau rocheux. Celui de Jupiter serait porté à des températures de l'ordre de 20.000 K (on estime sur Terre que la température doit atteindre les 6.000 K), avec bien sûr des pressions gigantesques difficilement reproductibles dans les laboratoires sur Terre.

Depuis quelques décennies, les modèles des géantes ont été affinés, que ce soit à l'aide d'expériences en laboratoire à hautes pressions, des simulations numériques savantes ou tout simplement en analysant les données collectées par les missions Juno et Cassini. Le fluide d'hydrogène et d'hélium de Jupiter et Saturne, liquide à grande profondeur, deviendrait aussi solide avec l'hydrogène qui acquerrait même des propriétés métalliques, voire supraconductrices. Le méthane et l'ammoniac aussi contenus pourraient également donner lieu à la formation de diamants à l'intérieur de Neptune.

On voit aujourd'hui un nouvel exemple de ce raffinement dans le cas de Saturne, comme l'expose l'article disponible sur arXiv de Jim Fuller, professeur adjoint d'astrophysique théorique à Caltech, et son post-doctorant Christopher Mankovich. Les deux hommes sont arrivés à la conclusion que le cœur de Saturne s'étend probablement sur 60 % environ de l'intérieur de la planète, ce qui est notablement plus grand que lors des dernières estimations avancées par les planétologues. Surtout, ce cœur serait nettement plus diffus avec une différenciation en roches, glaces et fluides métalliques conducteurs bien moins nette que ce que l'on imaginait jusque-là, au point qu'il soit plus approprié de parler d'un mélange changeant selon un gradient au fur et à mesure qu'on s'enfonce dans le cœur de la géante, et pas de strates homogènes clairement différenciées chimiquement. Remarquablement, une conclusion similaire avait déjà émergé des analyses des données collectées par la sonde Juno dans le cas de Jupiter.

Une animation montrant que l'anneau C de Saturne, le plus interne, contient des ondes spirales de densité qui sont les analogues des ondes de Lindblad des galaxies spirales excitées par les variations du champ de gravitation lors d'une interaction entre galaxies. Ces ondes dans l'anneau C sont donc comme un sismographe trahissant des mouvements de matière à l'intérieur de Saturne et permettant de faire la même chose que dans le cas de la Terre avec la sismologie. © caltech

Un nouvel exemple d'astérosismologie

Dans le cas de Saturne, les deux astrophysiciens avancent également que son noyau serait 55 fois plus massif que la Terre, avec 17 masses terrestres de glaces et de roches et le reste étant un fluide d'hydrogène et d'hélium. Comment les deux hommes ont-ils déduit toutes ces conclusions des données de Cassini ?

Ils ont poussé plusieurs crans plus loin une idée brillante qui remonte aux années 1990 et que l'on doit à Mark Marley et Carolyn Porco. Collègue du regretté André Brahic, Carolyn Porco s'est fait un nom en étant membre des missions Cassini et Voyager au point de mener l'équipe responsable des images de la sonde Cassini.

En 2013, les collègues de Marley et Porco, Matt Hedman et P.D. Nicholson ont montré que leur idée était pertinente en pratique, en analysant les observations de Cassini.

Quelles observations de Cassini ? Tout simplement celles montrant la formation et la propagation d'ondes « spirales » dans l'anneau C de Saturne. Il débute à 74.658 kilomètres du centre de Saturne et s'étend jusqu'à 92.000 kilomètres, étant compris entre l'anneau D, le plus interne et dont il est séparé par la division de Guérin, et l'anneau B, plus externe et séparé par la division de Lyot.

Ces ondes sont excitées par des variations dans le temps du champ de gravitation autour de Saturne et comme Mark Marley et Carolyn Porco l'avaient compris, une partie des variations du champ de gravitation n'est pas liée aux mouvements des lunes de Saturne mais aux variations propres du champ de la planète géante.

La sonde Cassini a pris des images de deux petites lunes de Saturne dont les champs de gravité font osciller la distribution de particules de l'anneau F de Saturne. Des simulations montrent des animations exposant clairement les ondes générées dans l'anneau F, le plus extérieur des anneaux de Saturne. © Nasa

Ces variations propres sont générées par des modifications des répartitions de la matière à l'intérieur de Saturne en réponse, par exemple, à la propagation d'ondes sismiques comme celles que l'on peut rencontrer à l'intérieur du Soleil et que les astrophysiciens utilisent pour faire de l'héliosismologie. Ces modifications peuvent également être dues à des oscillations et déformation du cœur de Saturne qui sont apparentées aux mouvements de la surface de l'eau dans un verre modérément agité. Les Anglo-Saxons parlent de « sloshing » pour décrire les mouvements de la surface libre d'un liquide dans ces conditions, et en français on désigne ce phénomène par « ballottement ». On peut voir les ondes spirales et le ballottement dans la vision d'artiste de la première vidéo ci-dessus.

Mark Marley et Carolyn Porco en ont déduit fort logiquement que des ondes dans les anneaux de Saturne étaient donc une traduction directe de ce que l'on pourrait appeler des séismes à l'intérieur de Saturne, et que l'on était devant une fenêtre d'observation relevant de l'astérosismologie permettant, comme sur Terre avec la sismologie, d'explorer la structure et la composition de l'intérieur de Saturne.

Les analyses présentées aujourd'hui dans l'article de Nature Astronomy nous font maintenant penser que le cœur de Saturne est un peu l'équivalent d'une boule de boue par le mélange de roches, glaces et fluides d'hydrogène et d'hélium qui semble le constituer. Enfin, ce mélange est une sorte de fossile de la naissance de Saturne.

La cosmogonie de Jupiter et Saturne fait intervenir la formation initiale d'un grand noyau de roches et de glaces sur lequel va s'accréter fortement et subitement ensuite du gaz selon la théorie dominante actuelle. Mais il existe un autre modèle dans lequel le processus commence en fait par un effondrement important et spontané d'une région dans le disque de gaz et de poussière protosolaire. Faudra-t-il revenir quelque peu en direction de ce modèle ?

Depuis des années déjà, Jim Fuller et ses collègues explorent l'idée d'une sismologie pour Saturne en étudiant ses anneaux. Voici une présentation technique. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © CIDER Dynamic Earth

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