Les anneaux de Saturne sont jeunes, d'après Cassini. Sur cette photo prise en septembre 2015 par cette sonde, Encelade se trouve juste devant Téthys, avec, au premier plan, les anneaux de Saturne. Les deux lunes sont à environ 1,3 million de kilomètres de la sonde de la Nasa. © Nasa, JPL-Caltech, Space Science Institute

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Surprenant : l'eau des anneaux de Saturne ressemble à celle de la Terre !

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L'analyse de certaines données de la sonde Cassini dans l'infrarouge révèle que les anneaux de Saturne ont un contenu en eau lourde, très voisin de celui de la Terre alors qu'on le supposait jusqu'à 10 fois plus élevé. La découverte pointe vers une origine commune de l'eau sur Terre et dans la glace de ces anneaux.

C'est pendant la période héroïque de la création de la physique nucléaire et de la physique quantique (1900-1940) que le prix Nobel de chimie, Harold Clayton Urey, a fait la découverte du fameux isotope de l'hydrogène, le deutérium. Et plus précisément en 1931, en étudiant des spectres alors qu'il était en poste à l'université de Columbia aux USA. Le neutron n'allait être découvert que l'année suivante par le britannique Chadwick, permettant de mieux comprendre les isotopes des éléments que l'on découvrait depuis quelques temps. En l'occurrence, Urey compris qu'il existait trois isotopes de l'hydrogène qu'il baptisa, en 1934, protium, deutérium et tritium, sous l'influence de son ancien directeur de thèse, le célèbre chimiste états-uniens aux multiples contributions, Gilbert Newton Lewis, et à qui l'on doit le terme de photon pour décrire les quanta de lumière d'Einstein. L'isotope de deutérium contient un neutron en plus d'un proton et son nom dérive de deuteros, en grec, qui signifie second. Dès 1933, Lewis réussi à obtenir le premier échantillon purifié d'eau lourde, c'est-à-dire une eau avec des molécules D2O où l'hydrogène H est remplacé par le deutérium D.

Une présentation de la lune de Saturne Phoebé, vue par Cassini. Traduction et sous-titrages en cliquant sur la roue dentée en bas à droite de l'écran. © Nasa

L'eau deutérée, remarquable traceur cosmochimique

Cette molécule et sa variante HDO existent naturellement dans la nature. Sur Terre, l'eau semi-lourde (HDO) est naturellement présente dans l'eau (H2O) avec une proportion de 0,03125 %, soit une molécule pour 3.200 molécules d'eau. On a fini par se rendre compte de son importance en géochimie et en cosmochimie car, comme l'avait compris Urey, l'étude de la naissance du Système solaire n'est pas qu'un problème de mécanique céleste mais aussi un problème de chimie. Il s'est avéré que la mesure du rapport d'abondance isotopique D/H était, par exemple, un bon traceur de l’origine de l’eau des océans sur Terre mais aussi, plus généralement, des lieux de formation des astéroïdes et des comètes dans le Système solaire. En effet, plus un milieu est froid, plus l'eau deutérée (H20-HDO-D2O) se concentre dans l'eau ordinaire car l'agitation thermique ne favorise pas l'évaporation des molécules contenant au moins un isotope de deutérium.

À cet égard, une équipe de chercheurs états-uniens vient d'annoncer dans le célèbre journal Icarus qu'elle avait fait une découverte surprenante grâce à la sonde Cassini. Elle s'est désintégrée dans l'atmosphère de Saturne mais son héritage reste bien vivant car l'analyse des données collectées va continuer encore longtemps. En l'occurrence, il s'agit des observations faites dans l'infrarouge avec l'instrument Visual and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS). Les astrochimistes s'en sont servis pour étudier le spectre de la lumière réfléchie par les anneaux et les lunes glacés de Saturne. Cela permet d'en tirer des estimations du fameux rapport D/H dans les glaces de ces objets.

C'est une petite bombe qui vient d'exploser ! Les modèles de formation du Système solaire généralement considérés prédisaient un rapport D/H élevé, jusqu'à 10 fois celui de la Terre en moyenne. Or, à l'exception de Phoebé, l'une des lunes de Saturne où ce rapport est effectivement 8,3 fois plus important, il ne diffère que de quelques pourcents dans le cas des anneaux et des autres lunes principales de la géante gazeuse.

Un résultat étonnant se retrouve aussi au niveau du rapport des isotopes de carbone 13C/12C dans la glace carbonique, encore appelée « glace sèche » ou « carboglace » présente sur Japet et Phoebé. Japet a un rapport voisin de celui trouvé sur Terre mais Phoebé se distingue à nouveau avec un rapport cinq fois plus élevé.

Que conclure de tout cela ? D'abord que l'eau de la Terre et l'eau des anneaux ainsi que des principaux satellites de Saturne ont une origine voisine, ce qui pose de nouvelles contraintes encore mal comprises sur la théorie de la formation du Système solaire. Mais aussi que la cosmochimie semble confirmer ce que la mécanique céleste suggérait : à savoir que Phoebé est un objet faisant initialement partie des centaures, donc originaire de la ceinture de Kuiper avant d'avoir été capturé par Saturne.

  • Les scientifiques pensaient que les anneaux de Saturne étaient probablement nés peu de temps après le Système solaire, il y a environ 4,5 milliards d'années.
  • Pourtant, les données transmises par Cassini (avec une nouvelle estimation de la masse des anneaux et du flux de micrométéorites) remettent en question cet âge.
  • Selon la sonde, les anneaux ne seraient vieux que de 300 millions d'années tout au plus. Mais, les processus de leur naissance sont toujours inconnus.
  • Nouveau pavé dans la marre et toujours avec Cassini, le rapport isotopique D/H de la glace des anneaux de Saturne est très voisin de celui trouvé en moyenne dans l'eau sur Terre, ce qui pointe vers une origine commune, difficile à comprendre dans le cadre de la cosmogonie actuelle du Système solaire.
Pour en savoir plus

Les anneaux de Saturne sont jeunes, nous dit Cassini

Article de Laurent Sacco publié le 21/12/2017

Il existe de multiples théories concernant l'âge des anneaux de Saturne. La plus communément admise les fait remonter à l'aube du Système solaire, il y a presque 4,5 milliards d'années. Or, selon les données obtenues par Cassini avant son plongeon final, les anneaux seraient en fait bien plus jeunes : ils seraient même peut-être apparus à l'époque des dinosaures.

Comme Futura le rappelait dans un précédent article (voir ci-dessous), astronomes, physiciens et mathématiciens se passionnent depuis longtemps pour la nature et l'origine des anneaux de Saturne. Si nous savons maintenant nettement mieux de quoi ils sont faits, grâce aux missions Voyager et, surtout, grâce à Cassini, la solution au problème cosmogonique qui leur est associé nous échappe encore.

De nouvelles données concernant cette énigme ont été révélées lors d'un récent congrès de l'American Geophysical Union (AGU) et elles vont dans le sens d'une révision de l'âge des anneaux de Saturne. Il aurait été intéressant d'avoir à ce sujet la réaction d'André Brahic ; hélas, ce seigneur des anneaux planétaires nous a quittés en 2016. On connaît cependant celle de Jeff Cuzzi. L'astronome est une pointure dans son domaine : il a dirigé le sous-groupe de l'équipe d'imagerie des sondes Voyager dédié à l'étude des anneaux planétaires lors des rencontres avec Saturne, Uranus et Neptune.

Pour lui, les travaux exposés par ses collègues Luciano Iess, un planétologue de l'université La Sapienza de Rome, et Sascha Kempf, un astrophysicien de l'université du Colorado (CU), à Boulder (États-Unis), sont convaincants et ils ne cadrent pas avec le scénario standard de la naissance des anneaux de Saturne qui les fait remonter à l'aube du Système solaire, il y a presque 4,5 milliards d'années.

Une vidéo sur la fin de la mission Cassini. 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 la roue dentée à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © NASA Jet Propulsion Laboratory

Des anneaux formés il y a 300 millions d'années tout au plus

En effet, d'après le caractère opaque de l'anneau B de Saturne (le plus important), les scientifiques en avaient déduit que celui-ci contenait une masse supérieure à celle de Mimas, une des lunes de Saturne. Cette masse ne pouvait donc provenir que de la destruction par des forces de marée d'un planétésimal ou de la collision entre deux planétésimaux. Ces derniers n'étant suffisamment abondants pour cela que quelques dizaines de millions d'années après la naissance du Système solaire, les anneaux étaient supposés être vieux. 

Mais Luciano Iess vient de révéler qu'avec ses collègues, et grâce aux dernières orbites de la sonde Cassini avant son grand plongeon final dans la géante, il avait enfin pu estimer sérieusement la masse de l'anneau B : celle-ci correspond en fait à, seulement, 0,4 fois celle de Mimas. Cette masse a été déduite des perturbations gravitationnelles exercées par l'anneau sur le mouvement de la sonde Cassini et qui ont provoqué des décalages Doppler supplémentaires par rapport à ceux calculés initialement. Or, une faible masse pointe vers un âge faible, selon plusieurs théories de la formation des anneaux de Saturne.

Cette conclusion découle aussi des mesures que l'équipe de Sascha Kempf a réalisées avec l'instrument Cosmic Dust Analyzer, destiné à mesurer le flux de micrométéorites interplanétaires dans l'environnement de Saturne. Ces micrométéorites doivent recouvrir les anneaux de glace de Saturne, qui devraient devenir plus sombres avec le temps. Étant donné leur éclat actuel et leur flux, les chercheurs en déduisent également que les anneaux sont jeunes et qu'ils seraient nés il y a 150 à 300 millions d'années tout au plus.

C'est précisément l'ordre de grandeur de l'âge estimé l'année dernière par Matija Cuk, du Seti Institute, ainsi que Luke Dones et David Nesvorny, du Southwest Research Institute, en se basant sur des simulations numériques de la mécanique céleste des lunes glacées de Saturne. Reste que nous ne savons toujours pas comment sont nés ces anneaux...


Les anneaux de Saturne pourraient être plus jeunes que les dinosaures

Article de Laurent Sacco publié le 12/04/2016

Les anneaux de Saturne sont-ils nés avec elle ou bien ont-ils été formés plus tard ? La question se pose depuis longtemps. Dernière hypothèse en date, basée sur les observations de la sonde Cassini et des simulations numériques des mouvements de ses lunes : ces anneaux sont nés récemment, alors que les dinosaures arpentaient déjà la Terre.

En 1610, Galilée est le premier à observer Saturne avec une lunette, remarquant sa forme étrange. En 1655, Huygens comprend que la géante est entourée d'un anneau et en 1675, Giovanni Domenico Cassini découvre qu'il est en fait composé d'un grand nombre d'anneaux concentriques séparés les uns des autres. En 1859, James Clerk Maxwell 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 attendre les travaux de Sofia Kovalevskaya (en français et en allemand, elle signe Sophie Kowalevski), une mathématicienne russe (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 établissent définitivement que Maxwell avait raison.

Les astrophysiciens et les mathématiciens intéressés par la cosmogonie tenteront ensuite d'expliquer la formation de ces anneaux et aussi de la dater. On a par exemple proposé qu'ils proviennent de la destruction d'un petit corps céleste qui se serait trop approché de Saturne. 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.

Une vue des anneaux de Saturne et de ses lunes les plus proches. © Nasa

L'histoire des lunes de Saturne se lit dans leurs orbites

Les astronomes étudient toujours la question. La dernière nouvelle vient d'être publiée sur arXiv. Elle ne concerne toutefois ce sujet qu'indirectement puisque Matija Cuk, du Seti Institute, ainsi que Luke Dones et David Nesvorny, du Southwest Research Institute, se sont surtout intéressés à la modélisation de la mécanique céleste des lunes glacées de Saturne. En 2012, un groupe de chercheurs français était déjà parvenu à la conclusion que ces lunes doivent s'éloigner progressivement de la géante, mais à des vitesses différentes, en raison des forces de marée.

Or, les changements de leurs orbites modifient aussi les forces d'attraction gravitationnelle qui s'exercent entre elles. Il peut alors se produire ce que l'on appelle des résonances, lorsque les périodes des orbites se calent sur des rapports de nombres entiers (une lune fait x tours quand une autre en fait exactement y). Tout comme il suffit de pousser légèrement une personne sur une balançoire, au bon moment, donc avec une bonne fréquence, pour amplifier son mouvement, une telle résonance peut conduire des petits corps en orbite à en affecter d'autres de façon importante sur une échelle de temps assez grande. Les excentricités et les inclinaisons des orbites peuvent ainsi être notablement modifiées.

Les simulations conduites par les trois chercheurs états-uniens pour reconstituer l'histoire des lunes de Saturne les ont ainsi conduits à une découverte intéressante.

Une vue de Thétys prise par la sonde Cassini. La canyon Ithaca Chasma est bien visible. Il a probablement été formé sous l'influence de forces de marée de Dioné il y a des millions d'années. © Nasa

Des lunes et des anneaux nées de collisions

Les orbites de Téthys, Dioné et Rhéa auraient dû être passablement modifiées... sauf si elles existent depuis peu de temps à l'échelle de l'histoire du Système solaire. Cet âge peut être estimé en évaluant la quantité d'énergie nécessaire pour alimenter l'activité d'Encelade. On suppose pour cela que les geysers qui en sont l'expression la plus manifeste résultent, tout comme les volcans de Io, du chauffage de la lune par les forces de marée.

Cette estimation mène à la conclusion qu'à l'exception de Titan et Japet, plus lointaines, ces lunes glacées ne devraient avoir subi d'effets de marée et de perturbations gravitationnelles que depuis cent millions d'années tout au plus. Elles n'auraient donc commencé leurs orbites autour de Saturne qu'à cette époque.

Selon les chercheurs, il est raisonnable de penser que Thétis, Dionée et Rhéa seraient nées en même temps que les anneaux de Saturne. Elles se seraient formées avec les débris laissés par d'autres lunes que les perturbations gravitationnelles auraient conduites à entrer en collision ou à trop s'approcher de la géante. S'ils ont raison, les anneaux de Saturne ne seraient pas aussi anciens que la planète, comme certains le pensent. Munis de lunettes astronomiques, les dinosaures auraient donc pu assister à leur formation.

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