Jeux d'ombres sur Saturne, ses anneaux et ses satellites pendant l'équinoxe de 2009

Saturne tourne autour du Soleil en 29,46 ans (terrestres), quasiment dans le plan de l'écliptique (plan de l'orbite de la Terre), à 9,53 ua (1 unité astronomique = distance Terre - Soleil) du Soleil. Comme pour la Terre, le plan équatorial de Saturne est incliné par rapport à l'écliptique, avec une inclinaison de 26°44' (cette inclinaison est de 23°27' pour la Terre). Comme pour la Terre donc, il y a deux solstices et deux équinoxes par année saturnienne, les deux équinoxes saturniens étant séparés de presque quinze ans. Outre l'alternance des saisons, cette inclinaison du plan équatorial de Saturne entraîne un autre phénomène : la variation de l'éclairage des anneaux. Les anneaux sont exactement dans le plan équatorial de Saturne. Lors des solstices saturniens, les rayons du soleil arrivent sur les anneaux avec un angle de 26° 44', anneaux qui sont donc bien éclairés, alternativement « par-dessus » (pendant l'été boréal) et « par-dessous » (pendant l'été austral). Par contre, pendant les deux équinoxes saturniens, les anneaux sont quasiment éclairés par la tranche. La Terre étant dans le même plan orbital que Saturne, et étant située « très près » du Soleil (1 ua), un observateur terrestre voit Saturne et ses anneaux comme il les verrait depuis le Soleil : anneaux bien éclairés et vu avec un angle de 26° lors des solstices saturniens, anneaux vus par la tranche lors des équinoxes. Comme les anneaux de Saturne sont extrêmement fins (quelques dizaines de mètres au maximum), ils sont indiscernables lors des équinoxes saturniens. C'est cette variation d'apparence, due à cette variation d'orientation et d'éclairage, qui a rendu difficile la compréhension du phénomène « anneaux » : ils ont été « vus » en 1610 par Galilée, mais c'est seulement 50 ans plus tard que Huygens comprend qu'ils s'agit d'anneaux.

Les figures 1 et 2, extraites de l'Astronomie Populaire de Camille Flammarion (1880) expliquent le phénomène.

Même aujourd'hui, les télescopes installés sur Terre (ou en orbite terrestre comme le Télescope Spatial Hubble) ne peuvent voir Saturne qu'avec les mêmes orientations et angles d'éclairage que Camille Flammarion, bien qu'avec une meilleure résolution.

Saturne possède 7 satellites majeurs (Mimas, Encelade, Dioné, Téthys, Rhéa, Titan, Japet), et de très nombreux petits satellites. Les sept satellites majeurs et la majorité des petits satellites sont presque situés dans le plan équatorial de Saturne. Quand on regarde Saturne depuis la Terre pendant un équinoxe, les anneaux ne forment donc qu'un mince trait sombre, au voisinage duquel sont situés les satellites.

Les anneaux font de l'ombre sur Saturne. Cette ombre portée sur le globe saturnien doit avoir une « largeur » très variable : maximale pendant les solstices, minimale pendant les équinoxes. Mais la Terre étant (relativement) très proche du Soleil, les observateurs terrestres sont toujours approximativement dans l'alignement Soleil-Saturne. Cela a comme conséquence que les anneaux cachent l'ombre qu'ils font sur le globe de Saturne, ombre qui demeure donc quasiment invisible, quelle que soit son épaisseur.

Les sondes envoyées vers Saturne ont complètement changé les points de vue que l'on peut avoir sur cette planète. La sonde Cassini s'est mise en orbite autour de Saturne fin 2004, d'abord dans un plan voisin de l'écliptique. Puis des manœuvres ont modifié cette orbite, qui est maintenant presque perpendiculaire au plan équatorial de Saturne. Les anneaux de Saturne peuvent donc maintenant être vus aussi bien de face que par la tranche. Sauf les rares moments où la sonde traverse le plan de l'écliptique, les anneaux ne cachent pas leur ombre, qui peut donc être photographiée. De même, l'ombre de Saturne sur ses anneaux peut être étudiée.

Depuis fin 2004 qu'il est en orbite autour de Saturne, non seulement Cassini peut photographier Saturne et ses anneaux sous tous les angles, mais la saison avance, et l'éclairage des anneaux change au cours du temps. Quand Cassini est arrivé, c'était l'été austral. L'équinoxe est arrivé, les 11-12 août 2009. En 2004, l'ombre des anneaux étaient très larges, et atteignait les hautes latitudes boréales. Elle s'est progressivement amincie et s'est rapprochée de l'équateur, pour quasiment disparaître en août 2009. Depuis cette date, cette ombre se ré-épaissit, et gagne progressivement l'hémisphère Sud.

Tout cela a donné de magnifiques images, véritables jeux d'ombre et de lumière entre Saturne, ses anneaux et ses satellites. Nous vous en offrons une sélection, dont il va falloir profiter, car le prochain équinoxe aura lieu en… 2024, et Cassini ne sera sans doute plus en service pour nous faire jouir du spectacle.

Les images suivantes montrent l'évolution des ombres des anneaux sur Saturne entre 2005 (quatre ans avant l'équinoxe) et l'équinoxe d'août 2009.

Comme les satellites sont quasiment dans le plan des anneaux, en dehors des périodes d'équinoxe, les ombres des satellites passent au-dessus ou au-dessous des anneaux. Pendant quelques mois avant et après l'équinoxe, les ombres des satellites atteignent et "rayent" les anneaux, occasions d'images spectaculaires.

Les anneaux de Saturne ont une structure très complexe, avec des satellites internes ou tangentant les anneaux. L'anneau "dense" le plus externe, l'anneau F, est encadré de 2 satellites, Pandore, à l'extérieur, et Prométhée, à l'intérieur. L'anneau A est séparé par 2 divisions, les divisions de Keeler et de Encke. Un satellite tourne au sein de chacune de ses divisions, Daphnis à l'intérieur de la division de Keeler, et Pan à l'intérieur de la division de Encke. Des micro-satellites tournent aussi au sein même des anneaux A et B. Pendant l'équinoxe, on a donc l'ombre de ces petits satellites sur les anneaux ou l'ombre des anneaux sur les satellites. Et Daphnis, qui passe très près des bords de l'étroite division de Keeler, déforme ces anneaux, déformations qui engendrent aussi des ombres. Tout ceci provoque un véritable festival d'ombres et de lumières.