Les anneaux de Saturne vus par le premier survol de Cassini

Pierre Thomas

ENS Lyon, Laboratoire des Sciences de la Terre

ENS Lyon

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

26/07/2004

Résumé

Les différents anneaux de Saturne et les divisions de Encke et Cassini. Origine des anneaux et limite de Roche. L'action des satellites de Saturne sur l'organisation, la finesse, la netteté des anneaux.


Tout va bien à bord de la sonde Cassini-Huygens. Elle s'est parfaitement mise en orbite autour de saturne en ce début juillet. Elle modifie actuellement lentement son orbite pour, durant ses quatre ans de missions, passer très près des anneaux, de chacun des satellites… Pour l'instant, elle ne s'est approchée "que" de Phœbé, de Saturne et de ses anneaux. Les principaux satellites ne seront survolés de près que dans les mois qui viennent.

Les anneaux de Saturne avant les missions Voyager

Depuis la Terre (ou le télescope spatial en orbite terrestre), on voit facilement deux anneaux, appelés, de l'extérieur vers l'intérieur, A, B et un autre anneau interne très faiblement visible, appelé l'anneau C (figure1)

Figure 1. Saturne et ses anneaux vus depuis une orbite terrestre par le télescope spatial Hubble

Saturne et ses anneaux vus depuis une orbite terrestre par le télescope spatial Hubble

De l'intérieur vers l'extérieur, on devine l'anneau C, à peine visible et très près du bord du globe saturnien, puis viennent l'anneau B, le plus brillant, et l'anneau A, le plus externe, séparé de l'anneau B par la division de Cassini. Très près du bord externe de l'anneau A, on devine une fine division, la division de Encke.


L'anneau A est séparé de l'anneau B par un "vide" appelé "division de Cassini" (en l'honneur de son découvreur au 17ème siècle). L'anneau A contient vers l'extérieur une fine division, visible seulement avec les meilleurs télescopes, la division de Encke.

Au cours d'une "année saturnienne", la position relative entre la Terre et le plan des anneaux change et on peut voir les anneaux au maximum de leur ouverture (image du haut de la figure suivante) ou presque par la tranche (image du bas de la figure suivante).

Figure 2. Différents aspects des anneaux de Saturne, pris à différents moments de l'année saturnienne par le télescope spatial Hubble

Différents aspects des anneaux de Saturne, pris à différents moments de l'année saturnienne par le télescope spatial Hubble

Le plan des anneaux de Saturne (confondu avec son plan équatorial) est incliné de 27° sur le plan de l'écliptique. Au cours de sa trajectoire autour du soleil, il montre à la Terre (située relativement très près du soleil) ses anneaux sous divers aspects. Aux solstices saturniens, on voit la surface des anneaux de façon optimale (image du haut). Quand on s'approche des équinoxes saturniens, on voit ses anneaux par la tranche.


On peut aussi les observer par la tranche ; ils sont alors quasiment invisibles, car ils n'ont que quelques centaines de mètres d'épaisseur (figure 3).

Figure 3. Les anneaux de Saturne vus par la tranche (cliché HSP, 10 août 1995)

Les anneaux de Saturne vus par la tranche (cliché HSP, 10 août 1995)

Les anneaux de Saturnes sont si fins qu'ils sont quasiment invisibles quand ils sont "vus" par la tranche depuis la Terre. Cette position, qui arrive environ tout les 13 ans, est particulièrement favorable pour observer les satellites qui ne sont pas "noyés" dans la forte luminosité des anneaux. On voit ici Encelade, Téthys et Dioné à gauche, et Mimas à droite. On peut noter que ces satellites sont bien dans le plan équatorial de Saturne (confondu avec le plan des anneaux).


En surexposant volontairement les photographies, on peut deviner un anneau très ténu (l'anneau D), entre la surface des nuages de Saturne et l'anneau C. Cet anneau D n'est visible sur aucune des photographies présentées ici. Ces anneaux, vus depuis la Terre sont nommés de A (anneau externe) jusqu'à D (anneau interne). En observant les anneaux par la tranche et en surexposant volontairement et violemment les images, on voit la figure 4. L'énorme tache surexposée de droite correspond au globe saturnien (à l'extrême droite) et aux anneaux classiques (à droite). Mais on a aussi découvert un anneau "fin, flou et ténu" s'étendant bien au delà des anneaux classiques. Les anneaux précédents ayant été appelés A, B, C et D, cet anneau a été nommé E, ordre alphabétique oblige.

Figure 4. Les anneaux E et G de Saturne

Les anneaux E et G de Saturne

Image obtenue en observant les anneaux par la tranche, et en surexposant volontairement et violemment les images, on voit une énorme tache surexposée. À l'extrême droite, le morceau de cercle correspond au globe saturnien ; un peu plus à gauche, l'espèce de demi-ellipse surexposée correspond aux anneaux classiques. Plus à gauche, on devine un anneau "fin, flou et ténu" s'étendant bien au delà des anneaux classiques : l'anneau E. Sur cette photographie obtenue plusieurs années après la découverte de l'anneau E, on voit un "point" plus blanc dans la partie droite de l'anneau E, qui correspond à ce que l'on appellera alors l'anneau G.

Article source : De Pater, I., M. R. Showalter, J. J. Lissauer, and J. R. Graham, 1996, Keck infrared observations of Saturn's E and G rings during Earth's 1995 ring plane crossing, Icarus Note, vol. 121, pp. 195-198


Puis les sondes Pioneer ont découvert un très fin anneau juste à l'extérieur de l'anneau A, mais à l'intérieur de l'anneau E (figure 5). Il a été appelé anneau F (toujours l'ordre alphabétique).

Figure 5. Image Voyager montrant l'anneau F de Saturne, à l'extérieur des anneaux C, B et A

Image Voyager montrant l'anneau F de Saturne, à l'extérieur des anneaux C, B et A

Cette image a été traitée pour visualiser le très fin anneau F, à l'extérieur de l'anneau A. De ce fait, la brillance des autres anneaux ne correspond pas à la réalité.


Et depuis la Terre, on a découvert tardivement un excès de matière sur le bord interne de l'anneau E, que l'on a appelé l'anneau G (voir figure 6). Pour résumer, voici une photographie "Voyager" classique et annotée (figure 6) et un schéma à l'échelle du système saturnien jusqu'à l'orbite de Rhéa (figure 7).



Ce qu'on savait de l'origine des anneaux avant le passage des sondes Voyager, au début des années 1980

L'origine des anneaux

C'est le physicien et mathématicien français du 19ème siècle, Edouard Roche, qui a permis le premier de proposer une explication à l'existence des anneaux. Un satellite en orbite autour d'un corps central est soumis, entre autre, à deux forces "antagonistes" :

  • les forces de marées qui tendent à l'étirer et à le fractionner,
  • sa propre gravité qui tend à le maintenir sphérique, auto-gravité "aidée" par la cohésion du matériel et par sa résistance à la déformation et à la fracturation.

Les forces de marée varient comme l'inverse du cube de la distance au corps central. Et en deça d'une certaine distance, appelée limite de Roche , les forces de marée sont supérieures à la somme "auto-gravité + cohésion". Un corps qui pénètrerait en deça de cette limite se verrait fractionné en multiples fragments plus petits ; des poussières et petits blocs situés en deça de cette limite ne pourraient jamais s'accréter en un corps plus gros. Cette limite de Roche dépend bien sûr de la masse et de la densité du corps central, mais aussi de la taille et de la cohésion du corps en orbite. Pour simplifier, la limite de Roche "standard" (pour un satellite de plus de 100 km de diamètre) se situe de 3 à 4 R du centre de la planète (R étant le rayon de la planète). Dans le cas du système Terre-Lune, cette limite de Roche est à 24 000 km du centre de la Terre, soit 18 000 km de la surface terrestre. Si un phénomène astronomique quelconque amenait la Lune en deça de ces 18 000 km, la lune se fragmenterait en de multiples fragments et cela constituerait un magnifique anneau circum-terrestre. Pour des corps plus petits, la limite de Roche est évidemment plus près de la surface, voire n'existe pas : la station spatiale est bien en deça de ces 18 000 km et ne se disloque pas ! Pour Saturne, cette limite de Roche "standard" est à 140000 km de la surface des nuages.

Les anneaux de Saturne auraient donc pour origine :

  • soit un (des) satellite(s) amené(s) par leur évolution orbitale en deça de ces 140 000 km (figure 8),
  • soit des poussières situées en deçà de ces 140 000 km et qui n'ont donc pas pu s'accréter en satellite.

Figure 8. Une origine possible des anneaux par déformation et dislocation d'un satellite atteignant la limite de Roche de Saturne

Une origine possible des anneaux par déformation et dislocation d'un satellite atteignant la limite de Roche de Saturne

Lorsqu'un satellite est amené à s'approcher d'une planète suite à l'évolution de son orbite, les forces de marées qui tendent à l'étirer et le fractionner sont de plus en plus fortes par rapport à la propre gravité du satellite et aux forces de cohésion du matériel qui tendent à le maintenir sphérique. En dessous d'une certaine distance, appelée limite de roche ( Roche limit ), le corps se fragmente et peut former un anneau de poussières et de blocs.


Pour plus de détails physico-mathématiques, voir l'article du site CultureSciences-Physique sur les anneaux de Saturne.

L'anneau E, situé au delà de la limite de Roche devrait, lui, s'expliquer d'une autre manière.

Les études spectrales montraient que les anneaux étaient majoritairement composés de glace d'H2O, glace "salie" par d'autres composés non identifiables.

L'origine des divisions

Les deux principales divisions (visibles depuis la Terre) s'expliquent facilement. Une particule tournant au sein de ses divisions serait en résonance orbitale avec les trois plus proches des "gros" satellites de Saturne. En effet, la période orbitale d'une particule interne à la division de Cassini est égale à la moitié de celle de Mimas, au tiers de celle d'Encelade et au quart de celle de Téthys. Une particule interne à la division de Encke aurait une période égale aux 3/2 de celle de Mimas et à 3 fois celles de Tethys. A cause de ces résonances, c'est toujours au même point de son orbite qu'une particule se trouve au plus près de 1, 2 voir 3 satellites à la fois, ce qui peut tendre à l'expulser de cette orbite, ou au contraire à l'y maintenir "de force" (cela dépend de l'exactitude de la commensurabilité des périodes orbitales et de la valeur relative des masses). C'est cette expulsion par résonance des petites particules qui, millions d'années après millions d'années, a presque vidé ces orbites particulières (avec résonances) de leurs petites particules, et ainsi créé ces deux divisions.

À la fin des années 1970, la physique et l'astronomie expliquaient donc bien les anneaux tels qu'on les connaissait avec les images télescopiques. En particulier, la dynamique de très nombreuses particules en rotation expliquait bien la finesse des anneaux, leur relative homogénéité (aux deux divisions près, expliquées par les résonances) ainsi que leur bords "flous" (ce qu'on voyait au télescope).

Les apports des missions Voyager, confirmés par Cassini

Voyager a montré que dans le détail, les anneaux n'étaient absolument pas homogènes, mais extraordinairement complexes et que les bords en étaient très nets. Les figures 9 et 10 qui suivent montrent la complexité de ces anneaux C, B et A ainsi que la netteté de leurs limites. Ce sont des images Cassini prises d'assez loin, d'une résolution voisine des meilleures images Voyager des années 80.

Figure 9. Image "vraies couleurs" des anneaux C, B et E (image Cassini)

Image "vraies couleurs" des anneaux C, B et E (image Cassini)

Cette photographie prise le 21 juin 2004, montre les anneaux C (le plus interne et le plus sombre), B (le plus clair, couleur "sable"), A (un peu plus gris) et F (à peine visible). Cette photo montre que la division de Cassini n'est pas totalement vide. Elle montre aussi l'extraordinaire complexité des anneaux, qui semblent constitués de la coexistence de multiples anneaux concentriques. Les bords externes des anneaux, ainsi que les limites internes sont extrêmement nettes.


Figure 10. Ombre de Saturne sur les anneaux (image Cassini)

Ombre de Saturne sur les anneaux (image Cassini)

Cette photographie prise le 3 juillet 2004, montre les anneaux C (le plus interne et le plus sombre), B (le plus clair), A (un peu plus gris) et F (extrêmement fin). Cette image montre que la division de Cassini n'est pas totalement vide. Elle montre aussi l'extraordinaire complexité des anneaux, qui semblent constitués de la coexistence de multiples anneaux concentriques. Les limites externes des anneaux, ainsi que les limites internes sont extrêmement nettes.


Voyager a également montré que deux petits satellites, Prométhée et Pandore, encadraient l'anneau F (figure 11) , et qu'un satellite, Pan, se trouvait au sein de la division de Encke (figure 12).

Comment expliquer (1) les bords nets, (2) l'anneau F encadré par deux satellites, (3) la présence d'un satellite au sein de la division de Encke et (4) l'extraordinaire complexité des anneaux ? Si l'extraordinaire complexité des anneaux n'a pas reçu d'explication après les missions Voyager, les trois premiers points ci-dessus n'ont été que partiellement compris.

Imagions un disques de poussières (chaque poussière est en fait un micro satellite) tournant autour de Saturne, avec en son sein un satellite nettement plus "gros" (quelques kilomètres de diamètre). En vertu des lois de Kepler, les poussières "internes" aux gros satellites ont une vitesse orbitale plus grande que le satellite ; les poussières "externes" ont une vitesse orbitale plus faible. Le satellite, nettement plus massique que les poussières influence de par sa gravité les trajectoire des poussières. On a pu montrer "physiquement" qu'il communiquait une partie de sa quantité de mouvement aux poussières voisines : il accélère les poussières qui vont moins vite que lui et il ralentit les poussières qui vont plus vite que lui. Il accélère donc les poussières externes et ralentit les poussières internes. Les poussières externes, accélérées, voient la force centrifuge ("force" due à la rotation autour de Saturne quand on se place dans un repère lié au satellite) devenir supérieure à l'attraction de Saturne ; ces poussières externes s'éloignent donc de Saturne. Les poussières internes, ralenties, voient au contraire la force centrifuge diminuer, et se rapprochent donc de Saturne.

Tout se passe donc comme si un satellite repoussait les poussières hors de son orbite. C'est cet effet dû à Pan qui, ajouté à l'effet des résonances, expliquerait la division de Encke. Et les deux satellites à orbites voisines, Prométhée et Pandore repousseraient les poussières comprises entre leurs orbites : Prométhée les repousserait vers l'extérieur, et Pandore vers l'intérieur. Et Prométhée repousserait aussi vers l'intérieur les particules externes de l'annneau A. Ainsi s'expliquerait la finesse le l'anneau F, et la netteté de la limite externe de l'anneau A. A cause de cet effet, les satellites Prométhée et Pandore ont été appelés "gardien", ou "berger" (sheppard en anglais).

Il est a noté que cet effet, complexe, mais ne mettant en jeu que les équations de la physique classique du début du 20ème siècle, n'avait pas été prévu avant que Voyager ne pose le problème.

En revanche, la complexité interne des anneaux est restée très mal expliquée après les missions Voyager.

Cassini confirme et "augmente" la compléxité des anneaux

La mission Cassini qui est passée une seule fois très près des anneaux en ce début juillet 2004 a confirmé de façon éclatante l'extraordinaire complexité des anneaux, encore plus complexes que ce que ne laissaient présager les missions Voyager. Les dix photographies qui suivent n'ont pour but que d'illustrer cette complexité dans la disposition des "anneaux élémentaires", sans tenter (pour l'instant) d'en donner une explication. Les quatre années qui viennent nous permettront-elles de comprendre cette complexité ?

Figure 13. Anneau F de Saturne, vue générale

Anneau F de Saturne, vue générale

L'anneau F, contrairement à ce que voyait Voyager, a une structure complexe, car fait lui même de plusieurs anneaux.


Figure 14. Anneau F de Saturne, vue de détail

Anneau F de Saturne, vue de détail

La partie la plus interne de l'anneau F ne semble pas constituée par un anneau régulier concentrique à Saturne, mais semble constituée de fragments distincts.


Figure 15. Clumps sur l'anneau F de Saturne ( clumps = massif de fleur)

Clumps sur l'anneau F de Saturne (clumps = massif de fleur)

Ces deux images prises le 23 février 2004 à plus de 60 000 000 de km de Saturne à 2 heures d'intervalle montre un "grumeau", un "épaississement" dans l'anneau F. Ces épaississements ont été appelés clumps par la NASA. En deux heures, le clump indiqué par une flèche s'est notablement déplacé, dans le sens de rotation de la planète et des particules des anneaux.


 

Le sens de rotation de Saturne sur elle-même, comme celui des autres planètes sauf Vénus, est le sens trigonométrique (inverse des aiguilles d'une montre). Sur ces images, les anneaux sont vus par dessous ce qui inverse l'apparence du sens de rotation.

Figure 16. Anneaux de Saturne, gros plan sur la division de Encke et ses limites

Anneaux de Saturne, gros plan sur la division de Encke et ses limites

La division de Encke n'est pas vide et contient deux anneaux internes ; ses bords internes sont "ondulés".


La complexité interne de l'anneau A, déjà observée par Voyager, s'avère extraordinaire avec la résolution des images Cassini. De plus, cette complexité ne s'avère parfois pas aléatoire, mais d'une régularité mathématique. On pourrait croire que ces images ne sont pas des photographies, mais des constructions géométriques réalisées par ordinateur. Quel mécanisme physique peut entraîner une variation si régulière, si "géométrique" de l'espacement entre ces anneaux élémentaires ?

Il n'y a pas que la disposition des anneaux qui est complexe ; il y a aussi leur granulométrie, leur chimie…

On pense que les anneaux sont principalement constitués de "blocs" allant du millimètre au décimètre. Des études spectrales, tant dans le visible que dans l'infra-rouge permettent indirectement d'avoir une idée statistique de la taille des grains, poussières et cristaux constituant ces blocs. Ces grains individuels (cristaux de glace ?) constituant les blocs ont une taille variant de celles des cristaux de neige (terrestre) la plus poudreuse à celle d'une neige "grossière".

Les cristaux les plus fins se trouvent dans l'anneau C et la division de Cassini ; les plus gros dans la partie externe de l'anneau A (figure 20).

Figure 20. Variation de la tailles des grains de glace dans les anneaux de Saturne

Variation de la tailles des grains de glace dans les anneaux de Saturne

Les grains individuels (cristaux de glace ?) constituant les blocs des anneaux ont une taille variant de celles des cristaux de neige terrestre la plus poudreuse à celle d'une neige "grossière". Les cristaux les plus fins se trouvent dans l'anneau C et la division de Cassini ; les plus gros dans la partie externe de l'anneau A.


Les études spectrales, en particulier dans l'ultra-violet permettent d'avoir une idée de la composition chimique des particules des anneaux. On savait que ces anneaux étaient majoritairement constitués de glace d'H2O, glace plus ou moins salie par un (des) composé(s) non identifié(s), silicatés et organiques. Cassini n'a pas, pour l'instant, permis de connaître la composition de ces impuretés. Elle peut par contre en montrer la répartition, qui une fois de plus, s'avère extrêmement complexe.

La figure 21 montre la répartition de la glace d'eau sur anneau A : les parties vert turquoise sont en glace quasi pure ; les parties rouges sont les plus "sales", et les zones "vert sombre" sont de "saleté" intermédiaire. On voit ainsi que la glace est de plus en plus pure vers l'extérieur des anneaux, mais que les divisions de Cassini et Encke contiennent des particules "sales". La figure 22 montre la répartition de la glace au niveau de la limite des anneaux C et B. L'extraordinaire complexité de cette répartition dans la composition chimique des anneaux, la finesse des bandes de composition homogène, leur "non mélange" latéral laisse sans voix.

Figure 21. Image UV de l'anneau A de Saturne montrant la "pureté" de la glace

Image UV de l'anneau A de Saturne montrant la "pureté" de la glace

La couleur vert turquoise indique de la glace quasi pure ; la couleur rouge indique les glaces les plus "sales", et les couleurs "vert sombre" indiquent des degrés de "saleté" intermédiaires. On voit à l'extrême gauche (très sombre) le bord externe de l'anneau B. Puis, sur la droite, on voit la division de Cassini ; la couleur rouge indique que les rares particules qui s'y trouvent sont faites de glace très sale. Puis vient l'anneau A vu dans son ensemble, fait de glace de plus en plus propres vers l'extérieur. La division de Encke contient elle aussi des particules de glaces sales.


Figure 22. image UV de la limite entre anneau C (à gauche) et de l'anneau B (à droite) de Saturne montrant la "pureté" de la glace

image UV de la limite entre anneau C (à gauche) et de l'anneau B (à droite) de Saturne montrant la "pureté" de la glace

La couleur vert turquoise indique de la glace quasi pure ; la couleur rouge indique les glaces les plus "sales", et les couleurs "vert sombre" indiquent des degrés de "saleté" intermédiaires. La limite anneau C / anneau A se trouve un peu à droite du milieu de l'image. L'extraordinaire complexité de cette répartition dans la composition chimique des anneaux, la finesse des bandes de composition homogène, leur "non mélange" ne sont pas encore expliquées.