Saturne

Quel genre de planète est Saturne ?

Saturne est la sixième planète à partir du Soleil et la deuxième plus grande après Jupiter. Son diamètre moyen atteint environ 116 000 km, soit plus de neuf fois celui de la Terre, et sa masse vaut près de 95 fois celle de notre planète. Pourtant, la densité moyenne de Saturne est inférieure à celle de l’eau. Cette géante gazeuse, composée surtout d’hydrogène et d’hélium, ne possède aucune surface solide sur laquelle se poser.

Saturne effectue une rotation en 10,7 heures environ. Cette rotation rapide fait gonfler la planète à l’équateur, tandis que les nuages et les vents de la haute atmosphère dessinent des bandes tout autour d’elle. Plus on descend sous les nuages, plus la pression comprime l’hydrogène et en fait un fluide dense. Les scientifiques pensent que les grandes profondeurs abritent un noyau où se mêlent des matériaux rocheux et glacés.

Les anneaux, qui attirent d’abord le regard sur les photographies, font partie de cet immense système planétaire. La gravité de Saturne maintient d’innombrables particules en orbite, et celle de ses nombreuses lunes y façonne des divisions et des vagues. En distinguant les deux, l’ensemble devient plus clair : Saturne est une géante d’hydrogène et d’hélium, tandis que les anneaux forment une structure séparée de particules qui gravitent autour d’elle.

• Environ 116 000 km Diamètre moyen de Saturne
• Environ 95 Terres Masse totale de Saturne
• Environ 10,7 heures Durée d’une rotation de Saturne
• Environ 687 kg/m³ Densité moyenne de Saturne, inférieure à celle de l’eau

Comment des anneaux de 280 000 km de diamètre peuvent-ils ne mesurer que 10 m d’épaisseur ?

Les anneaux principaux s’étendent sur environ 280 000 km d’un bord extérieur à l’autre, mais leur épaisseur ne dépasse généralement pas une dizaine de mètres. Cela s’explique par le fait qu’ils ne constituent pas un disque solide : ils sont faits d’innombrables morceaux de glace. Chaque particule suit sa propre orbite autour de Saturne et entre en collision avec d’autres. Ces chocs réduisent peu à peu les mouvements verticaux et maintiennent les particules près d’un plan très mince.

Au télescope, les anneaux peuvent sembler former des rubans lisses. De près, ils sont tout autres. La taille des particules va de grains plus petits que du sable à des blocs de glace gros comme une maison ; quelques rares corps atteignent même les dimensions d’une montagne. Les particules proches de Saturne tournent plus vite que celles qui se trouvent plus loin. L’ensemble ne pivote donc pas d’un seul bloc rigide comme un disque vinyle.

• Environ 280 000 km de diamètre Distance entre les deux bords extérieurs du système d’anneaux principal
• En général, environ 10 m Épaisseur représentative observée dans les principaux anneaux A, B et C
• 22 passages Nombre de traversées de Cassini entre Saturne et son anneau le plus intérieur
• Il y a environ 10 à 100 millions d’années Période de formation estimée pour les anneaux principaux actuels par une étude de 2019 sur leur masse

D’où viennent les divisions et les vagues des anneaux ?

Les anneaux sont découpés en milliers de bandes étroites et de divisions. Une division n’est pas forcément entièrement vide. À certaines distances, la période orbitale d’une lune et celle des particules se retrouvent dans un rapport simple. La faible attraction de la lune s’exerce alors aux mêmes endroits, encore et encore. Chaque impulsion est modeste, mais leur accumulation finit par déplacer des particules ou soulever des vagues dans les anneaux.

La large division de Cassini, entre les anneaux A et B, est elle aussi liée aux effets gravitationnels répétés de Mimas. De petites lunes nichées dans les anneaux repoussent les particules voisines et ouvrent des passages étroits ; d’autres modifient le bord d’anneaux plus fins. Les motifs complexes ne révèlent donc pas seulement la couleur de la glace : ils trahissent aussi la position et la gravité de petites lunes difficiles à voir.

Le système n’est pas non plus parfaitement plat partout. Les vagues provoquées par les lunes et les amas de particules peuvent s’élever au-dessus ou au-dessous du plan des anneaux. Ces reliefs restent locaux : dans l’ensemble, l’épaisseur représentative de la majeure partie des anneaux principaux est d’environ 10 m. Dire que les anneaux sont minces ne signifie pas qu’ils ont exactement la même épaisseur en tout point.

Les anneaux de Saturne ne forment pas un seul objet. Ce disque mince résulte de morceaux de glace de tailles et de vitesses différentes, chacun parcourant sa propre orbite.

Les anneaux sont-ils nés en même temps que Saturne ?

Saturne s’est formée il y a environ 4,5 milliards d’années, mais rien ne permet d’affirmer que les anneaux principaux visibles aujourd’hui ont gardé le même aspect depuis cette époque. Pour estimer leur âge, il faut d’abord connaître la quantité totale de matière qu’ils contiennent. Un anneau massif peut rester lumineux longtemps malgré l’apport de poussière extérieure ; un anneau moins massif s’assombrit plus vite sous la même quantité de poussière.

En 2017, Cassini a traversé à 22 reprises l’étroit espace entre Saturne et ses anneaux. En suivant depuis la Terre le signal radio de la sonde et en mesurant les infimes variations de sa vitesse, les chercheurs ont pu calculer séparément l’attraction exercée par la planète et par les anneaux. Une étude publiée en 2019 a utilisé cette méthode pour déterminer la masse des anneaux et a conclu que les principaux anneaux actuels se seraient probablement formés il y a 10 à 100 millions d’années.

Une autre étude, parue en 2023, a analysé la quantité de fine poussière cosmique qui tombe dans les anneaux ainsi que le degré de contamination de leur glace. Elle a conclu que les anneaux ne pouvaient guère être restés exposés à cette poussière dans leur état actuel pendant plus de quelques centaines de millions d’années. Les deux études appuient l’idée que les anneaux sont nés bien après Saturne, mais le débat sur leur âge exact et leur origine reste ouvert.

Même des anneaux anciens pourraient paraître lumineux si leurs particules se brisent puis se rassemblent en cachant les zones contaminées, ou si leur masse initiale était supérieure aux estimations. La fourchette de 10 à 100 millions d’années n’est donc pas un âge certain inscrit dans un calendrier, mais une estimation issue de la mesure de masse de Cassini et de modèles de contamination.

Où disparaît la matière des anneaux ?

Une partie de la glace et de la poussière se déplace continuellement vers Saturne. De petits grains de glace, influencés par la lumière solaire et les particules chargées environnantes, peuvent suivre le champ magnétique de la planète et tomber dans son atmosphère. Lors de ses derniers passages rapprochés, Cassini a aussi mesuré de l’eau et d’autres substances issues des anneaux qui pénétraient dans l’atmosphère près de l’équateur.

Les chercheurs parlent de « pluie des anneaux ». Si le débit mesuré aujourd’hui se maintenait longtemps, les anneaux principaux pourraient fortement diminuer au cours des prochaines dizaines ou centaines de millions d’années. Ce débit peut toutefois varier avec la taille des particules, les saisons et les collisions au sein des anneaux. Il ne s’agit pas d’une horloge indiquant une date précise de disparition, mais d’une preuve que les anneaux perdent encore de la matière.

Pourquoi Cassini est-elle entrée dans l’atmosphère de Saturne ?

À partir de 2004, Cassini a étudié Saturne, ses anneaux et ses nombreuses lunes. À l’approche de la fin de la mission, alors que son carburant était presque épuisé, la NASA a voulu éviter qu’une sonde devenue incontrôlable ne percute un jour Encelade ou Titan. Ces deux lunes sont des cibles importantes pour l’étude des milieux potentiellement habitables ; il fallait donc empêcher toute contamination par des microbes venus de la Terre.

Au lieu de mettre immédiatement fin à la sonde, l’équipe l’a employée pour une dernière campagne scientifique. Cassini est passée plusieurs fois entre Saturne et les anneaux afin de mesurer la masse de ces derniers, la gravité et le champ magnétique de la planète, ainsi que la matière tombant dans l’atmosphère. Le 15 septembre 2017, antenne tournée vers la Terre, elle a pénétré dans l’atmosphère de Saturne et transmis des données jusqu’à la perte du signal.

Comment interpréter les anneaux sur une photographie de Saturne ?

Si l’on voit les anneaux comme une décoration solide, leurs larges divisions et leurs fines vagues restent difficiles à expliquer. Si on les comprend plutôt comme les orbites d’innombrables particules de glace, le motif prend sens : les particules intérieures et extérieures avancent à des vitesses différentes, l’attraction répétée des lunes ouvre des divisions et les collisions maintiennent l’ensemble très mince.

La luminosité des anneaux offre un indice sur leur âge, tandis que la matière qui tombe dans l’atmosphère montre qu’ils continuent d’évoluer. Les derniers passages de Cassini ont relié ces deux questions en mesurant directement leur masse et les déplacements de matière. Les anneaux de Saturne ne sont pas un décor éternel et immuable, mais une structure qui se transforme et perd encore de la matière aujourd’hui.

Sources

• NASA Science — Saturn Facts
• NASA/JPL — Planetary Physical Parameters
• NASA Science — Cassini Rings Overview
• NASA Science — Cassini Grand Finale
• NASA Science — Cassini Ring Mass Result
• Science — Saturn’s Gravity Field and Ring Mass
• NASA Ames — Micrometeoroids and Ring Evolution
• Science Advances — Micrometeoroid Infall Constrains Ring Age
• NASA Science — Saturn Is Losing Its Rings