Anneaux de Saturne : leur jeunesse supposée est-elle déjà caduque ?

Les anneaux de Saturne vus à contre-jour par la sonde Cassini (le Soleil est derrière la planète). © Nasa/JPL/SSI/C&E
A-t-on conclu trop vite au jeune âge des anneaux de Saturne ? Depuis 2017, le lot de mesures livré par la sonde Cassini dans ses derniers instants donne du grain à moudre aux astronomes. Mûrement réfléchi, le modèle le plus robuste pourrait finalement être celui d’anneaux anciens. Enquête.

« Nous convergerons sur leur âge sûrement un jour », déclare Aurélien Crida, de l’observatoire de la Côte d’Azur. Mais ce jour n’est pas venu. Et pour cause, depuis le terme de la mission Cassini-Huygens, le 15 septembre 2017, l’âge des anneaux de Saturne est loin de faire consensus auprès des astronomes. Certains leur attribuent tout au plus 100 millions d’années. Une broutille quand on les rapporte à l’âge de Saturne : 4,5 milliards d’années. La planète géante serait alors née nue, dépourvue de son célèbre ornement. Et sa bague lui aurait été passée au doigt bien plus tard, alors que les dinosaures gambadaient à la surface de la Terre.

Néanmoins, face à cette vision romantique, les partisans des anneaux âgés appellent à la prudence. Les ultimes mesures réalisées par Cassini sont, certes, inédites. Mais leur analyse trop hâtive pourrait avoir débouché sur une valeur erronée. Après tout, lever le voile sur l’âge des anneaux de Saturne revient à résoudre une énigme se déroulant à plus d’un milliard de kilomètres, et pour laquelle les zones d’ombre sont encore nombreuses. « On assiste à une divergence de points de vue entre observateurs et théoriciens », commente Aurélien Crida.

Le 15 septembre 2017, la sonde Cassini passe pour la dernière fois entre Saturne et ses anneaux (vue d’artiste). La mesure précise de sa trajectoire a permis aux astronomes de « peser » les anneaux. © Nasa/JPL/SSI

Le tumulte est déclenché fin 2017. Après treize ans de labeur, Cassini entame son grand finale : un plongeon fatal vers la planète gazeuse. Mais cette opération suicide se fait en plusieurs temps. La sonde vit les quatre derniers mois de son existence le long d’une orbite jamais suivie auparavant. À vingt-deux reprises, elle s’infiltre entre la planète et l’anneau D, le plus proche de Saturne. Six de ces passages sont consacrés à une mesure cruciale. L’accélération de la sonde est perturbée. L’engin ressent dorénavant une force gravitationnelle à l’opposé de la planète, due à la masse des anneaux. On les savait très fins, d’une épaisseur avoisinant parfois à peine 10 m. On les sait maintenant très légers. Surtout, la mesure permet de chiffrer leur masse : à peine 40 % de celle de Mimas, le gros satellite le plus proche des anneaux. « Cette donnée était l’ingrédient manquant, une valeur clé que la sonde Cassini nous a livrée sans ambiguïté », explique Luciano Iess, de l’université romaine La Sapienza, qui a mené cette étude.

La masse des anneaux, une valeur clé

En effet, l’information est essentielle pour quiconque veut déterminer l’âge des anneaux de Saturne, composés à plus de 95 % de glace (quand les comètes ne dépassent pas les 50 %). Néanmoins, tels les murs d’une ancienne cathédrale exposée à la pollution urbaine, la structure opaline s’assombrit avec le temps. En cause, un bombardement permanent de micrométéorites que la planète croise sur sa route dans le plan de l’écliptique. Connaissant le taux de ce bombardement, on peut alors en déduire combien de temps il a fallu pour atteindre la masse de la poussière contenue dans les anneaux. C’est l’explication avancée par Jeff Cuzzi (Nasa) et Paul Estrada (Institut Seti en Californie) dès l’automne 2017. « La pollution des anneaux est un argument fort en faveur de leur jeune âge, qui pourrait même descendre jusqu’à 10 millions d’années », confirme Luciano Iess. « Attention, les anneaux de Saturne prennent de la masse mais en perdent également beaucoup », pondère Aurélien Crida. Par le haut, et par le bas lorsque celle-ci chute dans la planète. « Sans que l’on sache bien pourquoi, le taux de chute des nanograins de silicate de matière organique semble en proportion plus grand que le taux de chute de la glace », précise-t-il. 

Aurélien Crida, de l’observatoire de Côte d’Azur, défend l’idée d’anneaux anciens. © Obs. de Côte d’Azur

En d’autres termes, la poussière tomberait plus vite qu’elle n’est collectée, et les anneaux se… nettoieraient au fil du temps. Et le calcul de leur âge serait à revoir. Pour fonder son propos, Aurélien Crida se base sur les travaux de Hsiang-Wen Hsu (université du Colorado, à Boulder) et de Jack Hunter Waite (Southwest Research Institute, San Antonio), parus dans la revue Science fin 2018. Le premier a compté la quantité de silicates que l’analyseur de poussière cosmique, sorte d’épuisette de la sonde Cassini, a capturé dans sa chute un an plus tôt. Le second a décortiqué les mesures à distance des molécules organiques dans la haute atmosphère de la planète. 

Collision de satellites

Les anneaux de Saturne ne seraient donc pas nés de la dernière pluie ? Ce n’est pourtant pas la thèse avancée par Matija Cuk (centre Carl Sagan, Institut Seti). Le chercheur n’a d’ailleurs pas attendu la mort de Cassini pour proposer un modèle d’anneaux jeunes. Dès 2016, et sans bénéficier de la mesure de leur masse, il concluait à ce même âge de 100 millions d’années. À l’origine de leur formation récente ? Une collision entre deux satellites parmi la soixantaine que Saturne possède. « Ceux-ci tournent initialement sur des orbites circulaires proches de Saturne. Mais ils s’éloignent progressivement jusqu’à une certaine distance, où l’influence gravitationnelle du Soleil peut alors rendre certaines trajectoires elliptiques, explique le scientifique. Dès lors, il peut arriver que certaines orbites se chevauchent et que deux satellites se percutent, créant un nuage de débris. » 

Une partie de ce nuage de débris irait ainsi constituer les anneaux quand le reste s’agglomérerait derechef pour former de nouveaux satellites. Un travail motivé par l’influence des énormes forces de marées qu’impose la deuxième plus grosse planète du Système solaire. Celles-ci ralentissent la révolution de chaque satellite qui automatiquement s’éloigne de la planète géante. Une vitesse d’éloignement connue précisément depuis les mesures de Valérie Lainey (observatoire de Paris), à partir de 2012. Pour ce faire, l’astronome avait concilié les données dernier cri de la sonde Cassini avec des photos d’archive datant du XIXe siècle ! « Grâce à ces mesures et en jouant le film en marche arrière, on trouve pourtant que les satellites de Saturne sont anciens. Ils sortent des anneaux l’un après l’autre au fil des milliards d’années, objecte Aurélien Crida, pas convaincu par le modèle de Cuk. Sans parler des nombreux cratères de Rhéa et de Dioné qui suggèrent qu’ils ont au moins un demi-milliard d’années. »

Une comète désintégrée par Saturne ?

Difficile, dès lors, de croire à une collision entre satellites pour expliquer la jeunesse des anneaux. Un tel cataclysme serait-il venu d’ailleurs ? C’est le scénario proposé par John Dubinski, en novembre 2018. Pour ce chercheur de l’université de Toronto (Canada), une comète de 20 km de diamètre aurait croisé la route de Saturne, il y a 500 millions d’années. Elle aurait percuté un satellite ayant le double de la masse de Mimas, et dont la croûte externe était glacée. Désintégrée, une fraction de cette glace — souvenez-vous, 40 % de celle de Mimas aujourd’hui — aurait alors adopté la structure plate de 140 000 km de rayon. 

Le satellite Mimas et le minuscule Pandore photographiés au-dessus des anneaux. © Nasa/JPL/SSI

Pour Aurélien Crida, les simulations de Dubinksi présentent des aspects intéressants. Elles sont actuellement le « moins mauvais scénario pour expliquer des anneaux jeunes », tout en comportant certaines limites. Notamment le fait que l’impact ne peut avoir eu lieu trop loin de la « limite de Roche ». Au-delà de cette orbite particulière, située à 2,5 fois le rayon de Saturne, les forces de marées de la planète deviennent trop faibles pour empêcher les débris de s’agglomérer en un nouveau satellite. Sébastien Charnoz, de l’Institut de physique du globe (Paris), abonde : « Il est difficile de maintenir pendant des milliards d’années, un satellite du gabarit de la taille de Mimas près des anneaux. Il s’éloigne très vite. » Méticuleux, Dubinski a pensé à ce détail. Pour conserver un proto-Mimas dans les parages des anneaux actuels, le chercheur invoque un processus de résonance engendré par la présence d’Encelade et de Dioné. L’influence gravitationnelle de ces deux lunes aurait maintenu l’ancêtre de Mimas dans sa position pendant 4 milliards d’années. « Le blocage par résonance est une possibilité, mais l’hypothèse n’est pas suffisamment étayée dans cet article », note Sébastien Charnoz. Et Aurélien Crida d’ajouter : « Le scénario d’un choc récent est possible mais sa probabilité est faible du fait de la maigre densité de comètes il y a 500 millions d’années. » Par ailleurs, Dubinski a lui-même calculé la faible probabilité de son scénario : 1 % de chance pour que cela ait eu lieu si tard dans l’histoire du Système solaire.

Une recette plus simple

Au contraire, à l’aube de la formation des planètes, le trafic au sein du Système solaire est bien plus dense. Et ce type de rencontre autrement plus fréquent. Mais surtout, il y a 4,5 milliards d’années, un vaste disque de gaz et de poussière réside encore autour de Saturne. Baignant dans ce gaz, les satellites fraîchement formés tendent à chuter vers la planète, freinés dans leur courant giratoire par le gaz. C’est ce constat qui a amené Robin Canup à proposer, en 2010, une recette plus simple pour la fabrication des anneaux. Le modèle de la chercheuse du Southwest Research Institute (Boulder, Colorado), publié dans la revue Nature, ne nécessite même pas de collision. Une grosse lune de la taille de Titan (satellite le plus massif de Saturne) aurait franchi la limite de Roche en direction de la planète. Les colossales forces de marées — encore elles ! — de cette dernière auraient arraché le manteau glacé de la lune sans en affecter son cœur de silicates, avant que celui-ci ne soit englouti par Saturne.

Les anneaux de Saturne, vus de leur côté opposé au Soleil. Sont-ils le vestige de la croûte glacée d’un satellite désintégré par la planète géante ? © Nasa/JPL/SSI

« Un modèle élégant et cohérent du point de vue de la composition glacée des anneaux », selon Crida et Charnoz. Car pour que la croûte d’un satellite soit exclusivement glacée, elle doit être différenciée, c’est-à-dire que les matériaux les moins denses aient rejoint la périphérie de l’astre avant qu’il n’ait entièrement refroidi. Une différenciation possible qu’au sein de corps suffisamment massifs. Le scénario de Robin Canup implique toutefois des anneaux bien plus massifs qu’ils ne le sont aujourd’hui. Ce n’est pas un problème pour son collègue Julien Salmon qui, la même année, a chiffré la vitesse d’érosion des anneaux, causée par leur étalement. Et qu’importe la masse initiale, les simulations ont toutes convergé, après 4,5 milliards d’années d’évolution, vers… la mesure de la sonde Cassini obtenue sept ans plus tard ! Un gage de robustesse pour cette étude co-écrite avec André Brahic, et par là même pour la thèse des anneaux anciens.

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