Cette mosaïque combine six images – deux de filtres spectraux rouge, vert et bleu – pour créer cette vue en couleurs naturelles de Saturne et sa lune Titan. Les images ont été obtenues grâce à la sonde Cassini le 6 mai 2012, à une distance d'environ 778.000 kilomètres de Titan. L'échelle d'image est de 46 kilomètres par pixel sur Titan. © Nasa, JPL-Caltech, Space Science Institute

Sciences

Titan s'éloigne de Saturne 100 fois plus vite qu'on ne le pensait

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Des mesures fournies par la défunte sonde Cassini ont permis d'évaluer la vitesse de fuite de Titan qui s'éloigne de Saturne tout comme la Lune de la Terre à cause d'effets de marée. Cette vitesse est 100 fois plus élevée que celle ordinairement attendue mais en accord avec une théorie proposée en 2016.

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Cela va bientôt faire trois ans que la sonde Cassini nous a quittés en plongeant volontairement dans l'atmosphère de Saturne, où elle s'est détruite, afin de ne pas prendre le risque d'apporter des formes de vie terrestre sur Encelade, une lune prometteuse de Saturne pour l'exobiologie. Indissolublement lié à la mission Cassini pour de nombreux Français et Françaises, André Brahic nous a quittés, lui, il y a quatre ans. Aujourd'hui, c'est l'un de ses collègues astronomes, Valery Lainey, chercheur de l'Observatoire de Paris - PSL, au sein de l'Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (IMCCE/Observatoire de Paris/CNRS/Sorbonne Université/Université de Lille) en détachement au JPL (Nasa, Californie), qui est l'auteur principal d'un article publié dans Nature Astronomy dont le contenu aurait probablement intéressé André Brahic puisqu'il a des implications sur l'histoire des lunes et des anneaux de Saturne.

L'article est le produit d'une collaboration internationale entre deux équipes de chercheurs, la première menée par Valery Lainey et la seconde par Paolo Tortora, de l'Université italienne de Bologne. Il confirme une théorie avancée en 2016, via initialement un article que l'on peut consulter sur arXiv, et qui a été principalement développée par l'astrophysicien Jim Fuller, aujourd'hui au mythique Caltech, là où plusieurs prix Nobel ont enseigné comme Richard Feynman et Kip Thorne.

Depuis sa mise en orbite en 2004, la sonde Cassini-Huygens poursuit son exploration de Saturne et de ses lunes ; elle nous livre chaque jour des images extraordinaires de ce monde lointain. À travers ce film datant de 2012, richement illustré, des planétologues et des astrophysiciens du monde entier, rassemblés à Nantes à l'occasion du colloque EPSC-DPS 2011, vous proposent de découvrir comment se forment les tempêtes géantes de Saturne, comment évoluent ses anneaux, quelles sont les futures missions en partance pour la géante, pourquoi les geysers d'Encelade et les lacs de Titan font-ils l'objet d'intenses recherches de vie extraterrestre. © UnivNantes

Avant Fuller, les mécaniciens célestes et les planétologues scrutant la structure des lunes et des anneaux de Saturne, afin d'en connaître l'histoire et d'en percer les origines, pensaient que Titan, la plus grosse lune de Saturne, s'en éloignait lentement du fait de l'influence des forces de marée de la géante gazeuse. Un phénomène identique se produit dans le cas de la Lune pour la même raison. On peut le mesurer grâce au tir laser en direction de la lune et des réflecteurs déposés à sa surface par les missions Apollo et Lunokhod. Le temps de trajet aller-retour des impulsions laser montre en effet que notre satellite naturel s'éloigne de la Terre à la vitesse de 3,8 centimètres par an.

Des forces de marée qui ralentissent la rotation des planètes

Pourquoi ce mouvement de fuite ? Déjà, il faut savoir qu'il existe en physique une loi de conservation, celle du moment cinétique, lequel est lié à des mouvements de rotation. Si l'on considère le système Terre-Lune, il y a le moment cinétique propre de rotation de la Lune, celui de la Terre et enfin le moment cinétique que l'on peut qualifier d'orbital dû à la révolution de la Lune autour de la Terre. La somme de ces trois moments se conserve si l'on néglige l'influence du Soleil sur les deux corps. Comme les forces de marée lunaires déforment la surface des océans en leur donnant la forme d'un ballon de rugby alors que la Terre tourne, des forces de frottements entre l'eau des océans et leurs fonds vont dissiper de l'énergie et du moment cinétique. La rotation de la Terre va ralentir et donc son moment cinétique va diminuer. La Lune n'a pas d'océan et si l'on néglige les effets des forces de marée réciproques des deux planètes qui déforment leurs corps rocheux, on se rend compte que la conservation du moment cinétique total du système Terre-Lune oblige le moment cinétique orbital de la Lune à augmenter, ce qu'il fait en forçant la Lune à s'éloigner de la Terre. Au final, la durée du jour sur Terre augmente depuis des milliards d'années et la Lune s'éloigne dans le même temps de la Terre.

On avait appliqué ces considérations aux lunes de Saturne et là aussi un mouvement d'éloignement de Titan était prédit, moins rapide que celui des lunes plus proches de Saturne comme Encelade qui, de plus, possède un océan sous sa banquise.

Des lacs de méthane, un hexagone de gaz autour du pôle Nord, des lunes aux formes étranges… C’est un monde presque surnaturel qui s’est révélé grâce à la sonde Cassini, qui a orbité autour de Saturne entre 2004 et 2017... © Cnes

Toutefois, en 2016 donc, Jim Fuller et ses collègues avaient prédit un éloignement de Titan, actuellement à 1,2 million de kilomètres de Saturne, nettement plus rapide que celui que l'on avait calculé auparavant et qui était d'environ 0,1 centimètre par an. En effet, Saturne est largement gazeuse contrairement à la Terre et en prenant en compte plus finement l'effet des forces de marée de Titan, la plus grosse lune de Saturne et de loin, il se trouve qu'il existe un effet de résonance gravitationnelle impliqué par les lois de la mécanique céleste avec des corps comme Saturne et Titan. Titan fait ainsi osciller la forme de Saturne à une fréquence liée aux modes propres de la planète un peu comme un verre se mettrait à vibrer en réponse à un son d'une bonne fréquence. Cela produit alors une augmentation du taux de dissipation d'énergie et de moment cinétique pour Saturne. Le bilan final est une vitesse d'éloignement de Titan, actuellement de 11 centimètres par an d'après deux méthodes de mesure donnant des résultats comparables. C'est 100 fois plus rapide que ce que l'on pensait encore il y a quelques années.

Une clé pour l'évolution des systèmes binaires

L'équipe dirigée par Valery Lainey a utilisé pour faire cette découverte des images prises par Cassini mais aussi sur Terre montrant les mouvements de Titan par rapport à un fond d'étoiles fixes entre 1886 et 2017 alors que le second groupe, mené par l'université de Bologne, a concentré ses efforts sur les données recueillies lors d'une dizaine de survols rapprochés de Titan par la sonde Cassini. Dans ce dernier cas, il a été possible de déduire la position exacte de Titan dans l'espace grâce aux ondes radio envoyées sur Terre par Cassini, et ce, avec une précision de quelques centaines de mètres.

Pour Valery Lainey : « Ce résultat apporte une nouvelle pièce importante du puzzle concernant les questions très controversées portant sur l'âge du système de Saturne et de la formation de ses lunes ». On peut ainsi penser que Titan est né beaucoup plus près de Saturne qu'imaginé auparavant, ce qui a des implications pour la cosmogonie des anneaux de Saturne notamment.

Plus généralement, comme l'explique Jim Fuller, également coauteur de l'article de Nature Astronomy : « Les nouvelles mesures impliquent que les phénomènes d'interactions planète-lune peuvent être plus importants qu'on ne s'y attendait et qu'ils peuvent s'appliquer à de nombreux autres systèmes lunaires et planétaires, des exoplanètes et même des systèmes d'étoiles binaires ».

Constituée en 2007, l’équipe scientifique internationale Encelade, coordonnée par Valery Lainey, astronome de l'Observatoire de Paris, mène des travaux qui renouvellent en profondeur la vision de la formation et de l’évolution du système de Saturne. Cette animation rend compte en image de cette nouvelle approche. Elle a été réalisée par l'équipe Encelade, avec le soutien de l’Observatoire de Paris, de l’Université Pierre et Marie Curie (UPMC), du laboratoire d’excellence UnivEarthS (Université Sorbonne Paris Cité) et de la Fondation L'Oréal « Pour les Femmes et la Science ». © l'Observatoire de Paris

  • Les forces de marée entre deux planètes conduisent au ralentissement de leur rotation et à leur éloignement, comme on le constate avec le système Terre-Lune.
  • On savait qu'un phénomène similaire devait se produire avec Titan et Saturne mais il est 100 fois plus rapide qu'imaginé initialement en ce qui concerne l'éloignement de Titan, à savoir environ 11 centimètres par an d'après des mesures faites grâce à la défunte sonde Cassini.
  • Une théorie prévoyait cependant ce phénomène depuis 2016 et elle vient d'être validée.
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