Découverte : le mouvement de Titan remet en question toute l’histoire des satellites de Saturne

Le satellite Titan devant Saturne, vu par la sonde Cassini. © Nasa/JPL-Caltech/Space Science Institute
Une équipe d’astronomes vient de mesurer à quelle vitesse le satellite Titan s’éloigne de sa planète Saturne. Et c’est 100 fois plus vite que prévu ! Obtenue en recoupant les observations les plus récentes avec d'autres menées voici plus d’un siècle, cette mesure impose de revisiter l’histoire du système saturnien.

Onze centimètres par an. C’est la vitesse à laquelle Titan, le plus grand satellite de Saturne, s’éloigne de la planète géante. Publiée aujourd’hui dans Nature Astronomy, cette valeur peut sembler insignifiante. Mais c’est en réalité près de 100 fois supérieur à ce que prédisaient les modèles de mécanique céleste. « Ce sont les forces de marées qui provoquent l'éloignement des satellites vers une orbite plus élevée, sur laquelle ils tourneront plus lentement. La Lune s’éloigne par exemple de 3,8 cm par an de la Terre » explique Valéry Lainey, premier auteur de l’étude.

« Pour prédire la vitesse d'éloignement des satellites de Saturne, on appliquait depuis les années 1960 des modèles déduits des planètes telluriques comme la nôtre. Tout en sachant, que ce ne pouvait pas être aussi simple car Saturne est gazeuse », décrit l’astronome de l’Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (IMCCE). D’après le modèle tellurique, la vitesse à laquelle s’éloigne un satellite naturel doit chuter, voire presque s’annuler, au-delà d’une certaine distance. À terme, la distance Terre-Lune ne dépassera pas 600 000 km, contre 380 000 km actuellement. Or, c’est vraisemblablement tout le contraire autour de Saturne. Les lunes s’éloignent de plus en plus vite. Parmi les huit satellites étudiés depuis près d’une décennie par Valéry Lainey, Titan est celui qui fuit le plus vite car il est… le plus éloigné.

Plus d’un siècle de mesures

Devant le million de kilomètres qui sépare Titan de Saturne, quelques centimètres par an sont bien peu. « Oui mais en s’éloignant, les satellites tournent moins vite autour de Saturne. Et de petites différences de distance engendrent de grandes différences le long de leur orbite. En un siècle, Titan a pris plusieurs centaines de kilomètres de retard sur son orbite. C’est ça que l’on regarde », explique Valéry Lainey. Et pour s’assurer une période d’observation la plus longue possible, le chercheur s’est appuyé sur certaines archives datant… du XIXe siècle ! « Des mesures micrométriques de 1886 pour les plus anciennes ainsi que des plaques photographiques comme celles publiées en 1913 par Edward Barnard (celui qui a laissé son nom à l'étoile éponyme) », précise le spécialiste.

Plus de 130 années de mesures dites « astrométriques », rassemblées et confirmées par les données de la sonde Cassini, unique engin à s’être mis en orbite autour de Saturne, de 2004 à 2017. Profitant de dix rencontres au plus proche de Titan, Cassini a également mesuré un éloignement de 11 cm par an. Un gage de robustesse pour cette mesure, apporté par les astronomes de l’université de Bologne, coauteurs de l’étude.

Titan dans les anneaux ?

« En remontant le fil du temps, on peut dorénavant faire migrer Titan jusqu’à devenir très proche de Saturne. Cela ouvre la possibilité que, comme d’autres satellites, il se soit formé dans les anneaux de la planète. Ces derniers devant être à l’époque très massifs pour contenir tout le matériau nécessaire », développe Valéry Lainey. En novembre 2012 dans la revue Science, les planétologues Aurélien Crida et Sébastien Charnoz avaient d’ailleurs envisagé ce scénario. « Personne n’y croyait, car les anciens modèles de marée n’autorisaient pas Titan à s’éloigner si vite de Saturne », se souvient Valéry Lainey. On imaginait alors Titan se trouvant depuis toujours ou presque sur son orbite actuelle, tournant en 16 jours autour de Saturne comme il le fait aujourd’hui. Une période orbitale dorénavant vouée à croître à mesure que Titan s’éloigne.

La vitesse actuelle d'éloignement de Titan ouvre la possibilité de sa formation dans les anneaux. © Nasa/JPL

Une histoire à réécrire

Mais au-delà de retracer le passé, ou prédire le futur d’un satellite, c’est tout un modèle qui est validé par les mesures de Valéry Lainey. Un modèle permettant de calculer les forces de marées que Saturne échange avec ses satellites. Publié en 2016 par l’astrophysicien Jim Fuller, spécialement pour la planète aux anneaux, il permet de s’affranchir de l’ancien modèle tellurique, manifestement désuet. « Jim Fuller a incorporé des aspects de mécanique des fluides qui interviennent dans l’enveloppe de gaz de Saturne, bien différents de ce qui se produit dans le manteau terrestre », détaille Valéry Lainey. Les forces de marées n’étant plus les mêmes, les conséquences sont nombreuses. « Le modèle impose de recalculer toute l’évolution du système saturnien ! » Autrement dit, quand et où se trouvaient les satellites dans l’histoire de la géante gazeuse.

Dans une autre publication parue conjointement dans Nature Astronomy, Aurélien Crida envisage aussi des conséquences qu’il qualifie de « cruciales ». Outre la formation possible de Titan dans les anneaux, ce nouveau modèle d’expansion orbitale implique que les trajectoires des satellites ne peuvent plus se croiser. Impossible alors pour deux d’entre eux de se percuter il y a 100 millions d’années, comme d’autres équipes de recherche l’ont suggéré en 2016. Les forces de marée ainsi décrites devraient en outre s’appliquer au-delà de Saturne. Autour de Jupiter par exemple. « La formation d’océans internes et de volcans à la surface de certains satellites est influencée par des phénomènes orbitaux. Changer la pierre angulaire que sont les forces de marées, c’est revisiter toute cette histoire », entrevoit Valéry Lainey.

 

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