Les anneaux de Saturne

Pierre Thomas

ENS Lyon, Laboratoire de Sciences de la Terre

Emmanuelle Cecchi

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

05/05/2001

Résumé

Origine et disposition des anneaux de Saturne.


La question

Quelle est l'origine et la nature des anneaux de Saturne?

Pourquoi les anneaux de Saturne sont perpendiculaires à sa surface et non pas parallèles, "horizontaux"? Serait-ce à cause de la très faible densité de Saturne?

La réponse

Les anneaux de Saturne sont constitués de milliards de milliards de poussières et de blocs de glace tournant autour de Saturne. Chacune de ces poussières se comporte comme un mini satellite de Saturne.

En 1609 Galilée a aperçu deux taches brillantes de part et d'autre de la planète, mais ne comprit pas qu'il s'agissait d'un anneau. Il vit en elles "deux serviteurs aidant le vieux et lent Saturne à faire son chemin".

Ce n'est qu'en 1659 que Huygens résout l'énigme : "Saturne est entourée d'un anneau mince n'adhérant à l'astre en aucun point, et incliné sur l'écliptique".

Actuellement, ils sont bien visibles à l'aide d'outils télescopiques, par la mission Voyager, et par Cassini.

Figure 1. Dessins de Galilée

Dessins de Galilée

Figure 2. Dessins de Huygens

Dessins de Huygens

Figure 3. Anneaux de Saturne

Anneaux de Saturne

Figure 4. Satellites de Saturne

Satellites de Saturne

Quelle est l'origine de ces anneaux, comment expliquer leur trajectoire?

L'orientation orbitale des anneaux de Saturne

Chacune des poussières qui constituent les anneaux de Saturne se comporte comme un mini-satellite de Saturne. Tous les satellites font le tour de leur planète sur une orbite elliptique située dans un plan, et ce plan passe par le centre de la planète.

Un satellite peut donc être dans le plan équatorial (ce que sont les anneaux de Saturne), le long d'un plan méridien, ou dans un plan passant toujours par le centre de la planète mais incliné de 0 à 90° par rapport au plan équatorial; Le plan de son orbite passe donc toujours par le centre de la planète .

Un satellite peut donc orbiter en suivant le parallèle 0° (l'équateur). Il ne peut pas orbiter en suivant un autre parallèle, disons 1°, 2°, -1° et -2° de latitude. Des poussières suivant un ruban "vertical", disons s'étendant entre + 5 et -5° lat. N'est possible qu'avec des poussières orbitant "en biais".

Si donc on dispose de milliards de particules orbitant en biais en + 5 et -5°, celles qui "descendront" vers le sud croiseront celles qui monteront vers le nord, et il y aura forcement des collisions. La quantité de mouvement Nord-Sud d'une particule descendante s'annulera en rencontrant la quantité de mouvement Sud-Nord d'une particule montante.

L'annulation de la composante N-S de la quantité de mouvement rabattra toutes les particules dans le même plan, le plan médian, équatorial dans notre exemple. Et à la longue, vous aurez des anneaux dans leur état actuel, qui est le seul état stable.

C'est pour cette raison de "collision" et d'annulation de quantité de mouvement "verticales" que tous les nuages tournants deviennent plats, que ce soit les galaxies, les nébuleuses pré-stellaires (pré-solaire) qui montrent des planètes orbitant toutes dans le même plan.

La limite de Roche

Avant de répondre à la question "origine", précisons ce qu'est la limite de Roche (du nom d'un savant français du 19ème siècle, M. Roche).

Imaginons deux corps tournant autour d'une planète centrale. Quelles sont les forces qui s'appliquent sur ces deux corps (outre l'attraction du corps central et la force centrifuge, ces deux forces étant égales et directement opposées)?...


Il y a l' attraction gravitaire mutuelle entre ces 2 corps mais aussi les forces de marées . L'attraction mutuelle tend à rapprocher ces 2 corps; les forces de marées tendent à les éloigner.

Figure 6. La limite de Roche

La limite de Roche

Or les forces de marée (Ftidal) dépendent, entre autres, de la distance entre corps central et satellite, avec une loi en 1/D3. Donc plus un satellite est proche de son corps central, plus les forces de marées sont importantes.

Roche a montré qu'il existe une distance critique pour laquelle les forces de marées (Ftidal qui tendent à disloquer le satellite) sont égales aux forces gravitaires (Fgrav) qui tendent à le rassembler. Au delà de cette distance critique, un satellite peut s'accréter, en deçà, l'accrétion est impossible...

Ainsi, si un satellite se rapproche de sa planète, et s'il franchit la limite de Roche, il se disloquera....

Origine des anneaux de Saturne

Deux solutions pour expliquer les anneaux de Saturne (et aussi de Jupiter, Uranus et Neptune):

  1. soit c'est le résultat d'une non-accrétion de particules glacées en orbite autour de Saturne (parce qu'en deçà de la limite de Roche )...
  2. Soit c'est le résultat de la rupture d'un satellite glacé dont l'évolution orbitale l'a amené à franchir cette limite de Roche .

Figure 7. Anneaux de planètes géantes

Anneaux de planètes géantes

Ainsi, si on prend l'exemple de Triton (satellite de Neptune), son évolution orbitale fait qu'il se rapproche continuellement de Neptune.

Dans 100 à 1 000 millions d'années, Triton sera si proche de Neptune qu'il se disloquera, et Neptune héritera d'un superbe anneau supplémentaire!

Figure 8. Triton, satellite de Neptune (NASA)

Triton, satellite de Neptune (NASA)

Le cas particulier de l'anneau E de Saturne

Nous avons dit que les anneaux étaient en deçà de la limite de Roche et les satellites au delà. Ce n'est pourtant pas le cas de l'anneau E, comme le montre la figure suivante. Il y a des satellites plus près de Saturne par rapport à l'anneau E.

Figure 9. L'anneau E de Saturne

L'anneau E de Saturne

Comment expliquer cette anomalie apparente ?

L'anneau E serait en réalité le résultat du dégazage récent (par volcanisme) du satellite Encelade. Cet anneau apparaît de plus en plus large lorsqu'on s'éloigne d'Encelade. Les scientifiques pensent que cet élargissement est lié à la diffusion de microcristaux de glace depuis Encelade.