Vue d'artiste de satellites se formant autour d'une planète gazeuse géante. © Nagoya University

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Comment la jeune Titan a échappé à sa destruction par Saturne

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Jusqu'à présent, toutes les simulations numériques conduisaient à la formation de plusieurs lunes de Saturne de la taille de Titan, qui étaient toutes rapidement avalées par la géante ou survivaient, laissant donc au moins deux satellites de grandes tailles. Pour la première fois, un scénario permet à Titan d'apparaître dans les simulations tout en échappant, seul, à la destruction.

Construire la cosmogonie du Système solaire ne nécessite pas seulement de rendre compte de la formation des planètes mais aussi de leurs lunes et des anneaux qu'elles pourraient posséder. L'origine de la Lune de la Terre, tout autant que celles de Saturne et de ses anneaux, interroge. On aimerait bien comprendre notamment comment cette géante gazeuse a acquis son satellite Titan.

Rappelons que c'est la plus grande lune de Saturne et la deuxième plus grande lune de notre Système solaire après Ganymède, la lune de Jupiter, qui est plus grande de seulement 2 %. Avec un rayon d'environ 2.575 kilomètres, Titan est non seulement d'environ 50 % plus grand que notre Lune mais aussi plus grand que la planète Mercure.

Vue d'artiste de lune se formant autour d'une planète gazeuse géante, telle Jupiter ou Saturne, qui se forme elle-même toujours autour d'une étoile dans son disque protoplanétaire. © Nagoya University

Pour expliquer sa naissance, les planétologues font généralement intervenir une formation en quelque sorte in situ de Titan dans un disque d'accrétion contenant poussières et surtout gaz autour de la jeune Saturne, de façon analogue à la genèse des planètes dans le disque protosolaire autour du jeune Soleil. Cette sous-nébuleuse saturnienne, comme les chercheurs l'appellent, serait même à l'origine des autres lunes de Saturne telle Encelande et Japet. Pour la petite histoire, si Titan fut découvert par Christian Huygens, Téthys, Dioné, Rhéa et Japet le furent par Jean-Dominique Cassini qui les nomma Sidera Lodoicea (« les étoiles de Louis ») en l'honneur du roi Louis XIV.

Mais ce scénario avait un problème. Les simulations numériques sur ordinateurs conduites jusqu'à présent pour reproduire la formation de Titan, soit échouaient à produire un corps céleste de si grande taille, soit en produisaient plusieurs qui survivaient, en claire contradiction avec les observations. En fait, pour être plus précis, de grandes lunes se formaient bien de taille comparable à Titan mais elles finissaient toutes par être englouties rapidement par la géante gazeuse.

La physique du disque d'accrétion mieux modélisée

Mais, aujourd'hui, deux astrophysiciens japonais, Yuri Fujii, professeur à l'Université de Nagoya, et Masahiro Ogihara, professeur à l'Observatoire national d'astronomie du Japon (NAOJ), annoncent avoir trouvé une solution à cette énigme qui fait l'objet d'un article publié dans Astronomy and Astrophysics Letters et disponible également sur arXiv.

Résultats de simulations montrant les rayons orbitaux en fonction du temps de 7 lunes hypothétiques de masse comparable à celle de Titan. Au fur et à mesure que la simulation progresse, presque tous ces satellites tombent sur la planète, cependant, le satellite le plus externe survit jusqu'à ce que le gaz du disque se dissipe. Ce satellite réside temporairement dans la « zone de sécurité ». © Fujii & Ogihara, A&A, 2020

Le disque d'accrétion de la sous-nébuleuse se comporte comme un gaz, avec une température et une pression mais aussi du rayonnement et des sources d'opacité pour ce rayonnement, qui influe sur la distribution des températures dans le disque. Les astrophysiciens ont mieux pris en compte les sources d'opacité pour le transfert radiatif sous la forme de poussières glacées et silicatées. Au final, les simulations étaient mieux à même de rendre compte des effets du gaz sur les lunes en formation dans les calculs qui tenaient évidemment compte aussi des forces d'attraction gravitationnelles présentes entre tous les corps.

Les chercheurs ont alors découvert qu'il existait une sorte de zone de sécurité, une région en forme d'anneau autour de Saturne, dans laquelle une planète de la taille de Titan pouvait se former, migrer vers l'extérieur sous l'effet de la pression d'un gaz plus chaud que dans les précédentes simulations, mais rester dans cette zone alors que les autres, plus proches de Saturne, finissait par être avalées.

Pour la première fois, une simulation numérique conduisait automatiquement à l'existence d'une seule lune géante comme Titan autour de Saturne. Mais les astrophysiciens sont prudents. Il n'est pas encore possible d'en conclure que c'est bien de cette façon que le satellite s'est formé.

Pour le savoir, il faudrait sans doute observer un grand nombre d'exolunes autour d'exosaturnes et découvrir qu'à chaque fois ou presque, il n'existe pour chaque exosaturne qu'une exotitan. Nous n'en sommes pas encore là dans un avenir proche.

Un scénario pour la formation d'une seule grande lune. (1) À mesure qu'une planète se forme, un disque contenant du gaz et de la poussière tourne autour de la planète. Les matériaux solides se condensent dans ce disque. (2) Les composants solides atteignent la taille du satellite dans le disque circumplanétaire. Les simulations de cette recherche ont commencé à partir de cette étape. (3) Les orbites de ces satellites dans le disque changent progressivement en raison de l'influence du gaz. De nombreux satellites approchent de la planète en orbite et finissent par tomber sur la planète. Cependant, un satellite avec une orbite située dans une « zone de sécurité » ne tombe pas dans la planète, mais maintient sa distance de la planète. (4) Alors que le gaz dans le disque se dissipe, le satellite qui survit dans la « zone de sécurité » restera jusqu'au bout avec une orbite stable. © Naoj
  • Jusqu'à présent, toutes les simulations numériques conduisaient à la formation de lunes de Saturne de la taille de Titan, qui étaient toutes rapidement avalées par la géante ou survivaient laissant donc au moins deux satellites de grandes tailles.
  • Pour la première fois, un scénario permet à Titan d'apparaître dans les simulations tout en échappant, seul, à la destruction.
  • Les chercheurs ont découvert qu’il existait une région en forme d’anneau autour de Saturne dans laquelle une planète de la taille de Titan pouvait se former, migrer mais rester dans cette zone alors que les autres, plus proches de Saturne, finissait par être avalées.
  • Cependant, il n’est pas encore possible d’en conclure que c’est bien de cette façon que le satellite s’est formé.
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