Mots clés : mission Cassini-Huygens, Phœbé, orbite rétrograde, ceinture de Kuiper, ceinture de Oort, objet glacé, satellite de Saturne, révolution synchronisée, givre, rayonnement infra-rouge, glace de CO2 - dioxyde de carbone, oxyde de fer

La géologie de Phoebé : les premiers résultats concernant le plus lointain des satellites de Saturne

Pierre Thomas

ENS Lyon - Laboratoire des Sciences de la Terre

Emmanuelle Cecchi

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

29/06/2004

Résumé

Les sondes Cassini et Huygens s'apprêtent à se satelliser autour de Saturne. Cassini fournit d'ores et déjà de précieuses données sur le satellite le plus éloigné de Saturne, Phoebé. La composition de la surface, sa température et son relief sont étudiés.


Avant même sa mise en orbite autour de Saturne le 1er juillet prochain, la NASA nous communique déjà des résultats "inédits" que Cassini a obtenus sur Phoebé, le plus lointain des satellites connus de Saturne.

Phoebé est un petit satellite (diamètre d'environ 220 km), mais situé à une très grande distance de Saturne (13 000 000 km), soit 4 fois plus loin que le plus lointain des autres satellites, comme Japet. Phoebé a une orbite rétrograde. En effet, il tourne autour de Saturne dans un sens opposé à celui de tous les autres satellites. Cela indique vraisemblablement que ce n'est pas un satellite co-génétique du système saturnien, mais un objet glacé venu des confins du système solaire (ceinture de Kuiper, de Oort?) et capturé par la gravité saturnienne. Avant Cassini, on ne connaissait pas grand chose de Phoebé : la photographie Voyager figure 1 en est la meilleure image. On ne voit pas grand chose, si ce n'est que Phoebé est très sombre, comme l'une des faces de Japet (voir l'article sur Saturne du 28 juin 2004).


Avec les images de Cassini prises les 11, 12, 13 et 14 juin 2004, cette tache floue devient un vrai monde. Les figures 2 et 3 montrent à quoi ressemble ce nouveau monde: une quasi sphère sombre criblée de cratères.

Phoebé tourne sur lui-même en 9h et 16 minutes, alors qu'il effectue une révolution autour de saturne en 550 jours (terrestres). Cela en fait un satellite exceptionnel, car la quasi totalité des satellites du système solaire (dont la Lune) ont leur rotation et leur révolution synchronisées (ils font un tour sur eux-mêmes pendant exactement la même durée qu'ils font une orbite autour de leur planète). Cela confirme également l'origine "exotique" de Phoebé.

Les quatre images (figures 4a-b-c-d) montrent la topographie de Phoebé vue sous quatre angles différents. Le diamètre moyen de Phoebé est de 214 km. Par rapport à une sphère avec ce rayon moyen de 214/2 = 107 km (en vert), il y a des bosses (en jaune puis en rouge) et des creux (en bleu). Il y a 16 km d'écart entre le point le plus haut et le plus bas, soit 15% du rayon. Sur Terre, un tel dénivelé de 15% du rayon entre le point le plus bas et la montagne la plus haute correspondrait à un dénivelé d'environ 950 km, alors que le dénivelé terrestre maximum, entre l'Everest et la fosse des Mariannes, n'est que de 20 km.

Figure 4. Topographie de Phoebé vue sous quatre angles différents

Topographie de Phoebé vue sous quatre angles différents

Sphère de rayon moyen 107 km en vert, creux en bleu, bosse en rouge et jaune. Il y a 16 km d'écart entre le point le plus haut et le point le plus bas soit 15% du rayon.


L'étude précise de la trajectoire de la sonde va permettre de déterminer la masse de Phoebé, donc sa densité. La NASA n'a pas encore communiqué le résultat au 25 juin 2004.

La sonde a photographié Phoebé en UV (figure 5). Certaines régions sont très réfléchissantes, ce qui indique la présence de givre d'H2O à la surface.

Figure 5. Image de Phoebé en UV

Image de Phoebé en UV

Les régions très réfléchissantes indiquent la présence de givre d'H2O en surface.


La sonde a étudié le rayonnement Infra Rouge thermique (entre 15 et 20 microns), ce qui a permis de déterminer la température de surface. La figure 6 montre le résultat de ces mesures. La température s'échelonne de 75 à 107°K (de -198 à -166°C) entre la face nocturne et la face éclairée par le soleil. La topographie très accidentée influence énormément cette répartition des températures.


La sonde a également étudié Phoebé dans certaines longueurs d'onde précises de l'IR, correspondant à des bandes d'absorption et/ou de réflexion de divers composés chimiques. Elle a pu ainsi obtenir des cartes de la répartition d'H2O (solide), de CO2 (solide), d'oxyde de fer, et d'une substance non identifiée (figure 7).


La présence de glace d'H2O n'est pas une surprise et était même attendue. La présence de CO2 solide est plus riche d'enseignements; elle suggère fortement que ce satellite exotique vient des régions externes du système solaire et non pas de la ceinture des astéroïdes (dépourvus de glace carbonique). La NASA signale la présence d'oxyde de fer, mais elle ne nous indique pas sous quelle(s) forme(s) se trouve cet oxyde (FeO, Fe3O4 ou Fe2O3 libres, FeO pris dans une maille silicatée…). Et la NASA a détecté des raies provenant d'un matériel non identifié. Qu'est-ce???

Enfin, la sonde a pris des photographies suffisamment précises pour que l'on puisse faire des études morphologiques, structurales… Voici une série d'images avec une résolution de plus en plus précise.

Figure 8. Photographies de la surface de Phoebé

Photographies de la surface de Phoebé

(a) Image de Phoebé reconstituée à partir de 6 images haute résolution prises par Cassini. (b) Image d'une région de Phoebé près du pôle Sud. La largeur de l'image correspond à 120 km. La photographie a été prise à 13 000 km de Phoebé. (c) Cratères à la surface de Phoebé. (d) Grande dépression d'environ 100 km de diamètre. (e) Alignement de cratères (cf. Flèches). (f) Cratère de 13 km de diamètre et sol couvert de débris. (g) Image très haute résolution prise à 2365 km de Phoebé. La zone photographiée mesure environ 14 km de large.

Agrandir les images (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g)


On y voit d'innombrables cratères. Parfois des micro-cratères sont alignés et forment des "chaînes", comme à gauche de la figure 8e. D'après la NASA, ce serait le résultat de puits d'effondrement alignés sur des fractures (cf image de la semaine du 19 avril 2004).

Ces photographies révèlent que sous la surface très sombre, se trouve un matériel très clair, très probablement de la glace, mis à jour par les micro-impacts (figure 8f par exemple) et affleurant dans certaines parois de grands cratères (figures 8c et 8d par exemple), mais pas tous (figure 8f). Mais quelle est la nature de ce matériel sombre (oxyde de fer, matière organique, la substance indéterminée vue en IR? Est-ce le même matériel qui recouvre la moitié de Japet? Pourquoi cette apparente inégale répartition?

De plus, le beau cratère au sommet de l'image 8c semble montrer une alternance de couches sombre/claire/sombre/claire. Quelle est l'origine d'une telle disposition? A titre d'hypothèse provisoire, la NASA propose le mécanisme suivant. Pour une cause inconnue (photo-chimie, réaction des glaces avec les particules piégées entre la magnétopause et l'onde de choc due à l'interaction entre le champ magnétique de Saturne et le vent solaire, collecte de poussières noires le long de l'orbite...?), la surface du satellite a été obscurcie → les glaces qui constituent l'ensemble de Phoebé sont recouvertes d'une couche sombre. Un intense épisode de bombardement recouvre la couche sombre d'éjectas de glaces issus des profondeurs (→ une nouvelle et fine couche claire recouvre la couche sombre). La superficie de cette deuxième couche claire s'assombrit à son tour, pour les mêmes raisons inconnues.

Que d'inconnues pour ce simple bloc de 214 km de diamètre. Quand on pense qu'il existe neuf autres satellites de taille égale ou supérieure, plus une vingtaine de satellites plus petits, les quatre années qui viennent s'annoncent riches en découvertes, si Cassini et Huygens fonctionnent bien.

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