Anneaux de Saturne - Définition

Photographies des anneaux de Saturne

Mosaïque de photos prises par la sonde Cassini de la partie intérieure de l'anneau B et de la partie extérieure de l'anneau C à une période proche de l'équinoxe de Saturne. La mosaïque montre l'ombre projetée par le satellite Mimas sur les anneaux. L'ombre est en partie effacée au niveau de l'anneau B (en haut) du fait de la lumière émise par la planète. La lacune de Maxwell est située un peu en-dessous de la photo (partie noire).	Spokes sombres sur l'anneau B photo prise par la sonde Cassini du côté non éclairé des anneaux. A gauche de la partie centrale de la photo, deux lacunes sont visibles (la plus importante est la lacune de Huighens)	Photo de la division de Cassini prise en 2009 du côté éclairé des anneaux avec des spokes lumineux sur l'anneau B.	Division de Enke : le déplacement de la lune Pan génère des ondes spiralées dans les anneaux.
Gros plan sur Prométhée et l'anneau F	Les lunes Prométhée et Pandore	L'anneau F est déformé par de toutes petites lunes circulant très près ou à l'intérieur de l'anneau.	L'ombre de Saturne masque l'anneau G rétroéclairé et son arc intérieur particulièrement brillant.

Caractéristiques physiques

Les anneaux principaux s'étendent de 7 000 à 80 000 km à la hauteur de l'équateur de Saturne, avec une épaisseur moyenne estimée de 10 mètres.

Les anneaux sont composés à 99,9 % de particules d'eau gelée avec quelques impuretés pouvant inclure du tholin et des silicates. Les anneaux principaux sont, à la base, composés de particules dont la taille varie de 1 centimètre à 10 mètres. Chaque particule décrit une orbite indépendante autour de Saturne.

Anneaux distincts

Carte du système saturnien : les anneaux de Saturne et ses satellites

Voici une liste des anneaux de Saturne, ainsi que des divisions qui les séparent, classés par rayon interne croissant.

Origines

Les anneaux de Saturne sont sans doute très anciens et remontent à la formation de Saturne elle-même. Il existe deux théories dominantes concernant leur origine. Selon une de ces deux théories, proposée initialement par Édouard Roche au XIX^e siècle, les anneaux étaient autrefois une lune de Saturne dont l'orbite diminua jusqu'à ce les forces de marée générées par la planète géante Saturne la pulvérise (voir limite de Roche). Une variante de cette théorie, déjà esquissée en 1654 par Christiaan Huygens, est que la Lune s'est désintégrée après avoir été heurtée par une grosse comète ou un astéroïde. Cette hypothèse est rendue difficile par le fait que l'orbite synchrone de Saturne est de 10h. Selon la deuxième théorie, les anneaux ne sont pas les débris d'une lune mais les restes de la nébuleuse à partir de laquelle Saturne s'est formée. Certains pensent même que les anneaux actuels ne sont pas les seuls que la géante gazeuse ait connu au cours de son histoire. La conservation du moment cinétique et la perte d'énergie dûe aux chocs entre les débris a pour conséquence que cette perte est plus forte dans le plan vertical que le plan horizontal, d'où l'aplatissement des anneaux.

L'éclat et la pureté de la glace d'eau composant les anneaux de Saturne ont été cités pour appuyer une théorie selon laquelle ils seraient beaucoup plus jeunes que Saturne, peut-être de 100 millions d'années, car dans le cas contraire l'accumulation de poussières météoriques aurait conduit à un assombrissement des anneaux. Toutefois, de nouvelles recherches indiquent que l'anneau B pourrait être assez massif pour diluer le matériau météorique et éviter ainsi un assombrissement notable sur une durée s'étendant presque jusqu'à la naissance du système solaire. Le matériau constituant l'anneau est recyclé : des agrégats se forment puis sont dispersés par les collisions. Ce cycle expliquerait l'apparente jeunesse de certains des agrégats observés au sein des anneaux.

L'équipe de Cassini UVIS, dirigée par Larry Esposito, a utilisé l'occultation stellaire pour découvrir 13 objets, allant de 27 mètres à 10 km de diamètre, à l'intérieur de l'anneau F. Ils sont translucides, laissant penser que ce sont des agrégats temporaires de blocs de glace de quelques mètres de diamètre. Esposito est convaincu que c'est la structure de base des anneaux de Saturne : les particules s'agrègent entre elles avant se disperser. En orbite à l'extérieur des anneaux, quoique certaines soient comprises dans la masse, se trouvent plusieurs petites lunes associées aux anneaux, ce qui est une configuration typique des anneaux de toutes les planètes géantes gazeuses du système solaire. Toutefois, les trois autres systèmes d'anneaux ne représentent, ensemble, qu'une petite fraction du volume des anneaux de Saturne. Les particules des anneaux de Saturne présentent également la particularité d'être bien plus lumineuses que celles des trois autres systèmes.

Des anneaux de Saturne projettent leur ombre sur la planète (bandes noires). Photo publiée le 1^er mars 2007.

Depuis la Terre, trois anneaux sont visibles : deux anneaux principaux (A et B) et un anneau moins visible. L'espace entre A et B est connu sous le nom de « division de Cassini ». L'anneau A est divisé par une lacune moins visible, appelée division d'Encke (même s'il est probable que l'astronome Encke ne l'ait jamais observé). Les sondes Voyager ont détecté quatre autres anneaux nettement moins visibles. Les astronomes identifient dans les anneaux de Saturne 13 formations distinctes : les anneaux D, C, B, A, la division d'Encke, la division de Keeler, R/2004 S 1, R/2004 S 2, les anneaux F, G, E, la division de Cassini et la division de Guérin.

Les anneaux de Saturne s'étendent sur plus de 400 000 km, mais sont cependant très fins. À l'exception de l'anneau le plus externe, ils ne dépassent pas 1 km d'épaisseur. Si le matériau contenu dans les anneaux était rassemblée pour former une lune, celle-ci n'aurait pas plus de 100 km de diamètre.

L'anneau F, l'un des plus externes, est une structure extrêmement complexe formée de plusieurs anneaux plus petits « noués » entre eux. L'origine de ces nœuds est inconnue mais est probablement gravitationnelle. L'anneau E, le plus externe, s'étend sur 240 000 km et s'épaissit progressivement jusqu'à l'orbite d'Encelade atteignant une épaisseur de 60 000 km.

Les anneaux de Saturne entretiennent des relations complexes avec certains des satellites de Saturne. Il est établi que certains de ceux-ci, baptisés satellites bergers, (Atlas, Prométhée et Pandore), sont indispensables pour la stabilité des anneaux. Mimas semble responsable de la division de Cassini, Pan est situé à l'intérieur de la division d'Encke. Le système global des anneaux est complexe et encore mal connu en 2009.

Dynamique

Le satellite berger Prométhée

Les lacunes entre les anneaux résultent des interactions gravitationnelles entre les nombreuses lunes de Saturne et les anneaux eux-mêmes. Les phénomènes de résonance jouent également un rôle : ceux-ci se produisent lorsque la différence des périodes orbitales entre le satellite et les anneaux est un nombre entier. Ainsi, la division de Cassini résulte de l'influence de la lune Mimas. Certaines des plus petites lunes circulent dans les lacunes ou au bord des anneaux et stabilisent ainsi leur structures : on leur donne pour cette raison le nom de satellites bergers. Ainsi, Pandore et Prométhée confinent les particules de l’anneau F, Prométhée arrachant même périodiquement des filaments de matière à ce dernier.

La sonde spatiale Cassini a effectué des mesures et pris des photographies qui ont révélé que les bords des anneaux et la séparation entre les anneaux sont encore plus marquées qu'on ne l'avait estimé : on avait émis l'hypothèse qu'il subsistait dans les lacunes des morceaux de glace, mais ce n'est pas le cas.

L'épaisseur extrêmement faible des anneaux est due aux collisions entre les particules. Chaque particule de glace tourne individuellement autour de Saturne. Ainsi si un morceau de glace se situe au dessus de la surface de l'anneau, il va à chaque orbite autour de Saturne traverser l'anneau : les collisions durant la traversée de l'anneau auront tendance à la longue à réduire la composante perpendiculaire de sa vitesse et de fait à réduire l'épaisseur de l'anneau.

Agitation des anneaux

Il règne dans les anneaux une agitation permanente : vagues, collisions, accumulations de matières.

La vie agitée des anneaux de Saturne a commencé à être étudiée depuis les missions américaines "Voyager". Les astronomes ont pu alors constater qu'ils étaient faits d'une multitude de sillons « à la manière d'un tissu en velours côtelé ».

Depuis juillet 2004, la sonde Cassini, en orbite autour de Saturne, fournit des images de très grande qualité de la planète et de ses anneaux. Selon les théories actuelles, l'effervescence dans les anneaux serait due à la cinquantaine de satellites de Saturne :

• Certains sont situés à l'intérieur même des anneaux.
• D'autres sont situés à l'extérieur, mais créent à distance et sur des temps très longs, des vagues à la surface des anneaux, selon le même principe que la vibration d'un tambour.
• Quelques satellites sont situés entre les anneaux, et même s'ils ont pour la plupart des corps relativement petits — d'une centaine de kilomètres de long — ils seraient à l'origine de nombreuses perturbations qui déplacent les particules composant les anneaux.

La sonde Cassini a permis d'améliorer de manière importante la connaissance du mécanisme des anneaux en particulier pour tout ce qui concerne leur évolution. L'anneau F a fait l'objet d'une étude approfondie ; les effets de marée sont si forts qu'aucun satellite n'y survit et on n'y trouve que de fines particules. L'anneau F est entouré de 2 satellites, Prométhée et Pandore, ses satellites bergers, qui sont à l'origine de sa finesse. Toutes les quinze heures, le satellite Prométhée se rapproche de l'anneau et y crée de véritables saignées en attirant à lui de la matière par sa masse. Il brise l'anneau et l'ensemble de ces morceaux forme une spirale géante qui s'étale dans tout l'anneau. Phénomène encore plus curieux : la sonde Cassini a permis de mettre en évidence l'existence de satellites éphémères, toujours à l'intérieur de l'anneau F, qui disparaissent aussi rapidement qu'ils se forment.

Spokes

Photomontage d'images prises par la sonde Cassini : des spokes sombres sur l'anneau B éclairé par le soleil avec une incidence rasante (vidéo faible définition (300x300)
- Version haute définition(1016×1016 pixels;
- Version GIF (400 × 400 pixels, taille: 2.21 MB)

Jusqu'en 1980, on pensait que la structure des anneaux de Saturne était uniquement liée à l'action des forces gravitationnelles. Mais les images envoyées par la sonde spatiale Voyager 1 confirmèrent la présence de bandes sombres dans les anneaux perpendiculaires à ceux-ci appelés spokes (rayons de bicyclette) qui ne peuvent pas être expliqués par ces seules forces, car leur persistance et leur déplacement dans les anneaux ne sont pas compatibles avec les lois de la mécanique céleste. Les rayons paraissent tantôt sombres, tantôt lumineux, selon l'incidence de la lumière (voir les images dans la galerie), la transition se produisant lorsque l'angle de phase est proche de 45 °. Les spokes se déplacent de manière quasi synchrone avec la magnétosphère de Saturne, aussi la principale théorie est qu'ils sont constitués de particules de poussière microscopiques en suspension au-dessus de la surface de l'anneau principal maintenus à distance par les forces de répulsion électrostatiques. Le mécanisme précis de génération des spokes est encore inconnu, bien qu'il ait été suggéré que les perturbations électriques puissent être engendrées par des éclairs dans l'atmosphère de Saturne ou les impacts de micrométéorites sur les anneaux.

Les spokes ne seront plus observés de près jusqu'à l'arrivée de la sonde spatiale Cassini vingt-cinq ans plus tard dans la banlieue de Saturne. Les photos prises par la sonde à son arrivée début 2004 ne font plus apparaitre de spokes. Certains scientifiques émirent alors l'hypothèse que le phénomène ne serait plus visible avant 2007 en s'appuyant sur la théorie utilisée pour expliquer leur formation. Mais l'équipe de Cassini chargée de l'imagerie continua à rechercher leur présence dans les anneaux et les spokes furent détectés le 5 septembre 2005.

Les spokes semblent être un phénomène saisonnier, qui disparait au milieu de l'hiver Saturnien ainsi qu'au milieu de l'été et réapparaît lorsque Saturne est proche de l'équinoxe. L'hypothèse selon laquelle les spokes constituent un phénomène saisonnier, lié à la durée d'une année orbitale de Saturne (29,7 ans) semble confirmée par leur réapparition progressive durant les dernières années de la mission Cassini.