Un nouveau scénario pour l’origine des anneaux de Saturne

Les anneaux de Saturne sont-ils nés de la collision d’une comète ? © J. Dubinski
Depuis que les anneaux de Saturne sont mieux connus, grâce notamment à la sonde Cassini, les astronomes multiplient les modèles pour décrire leur formation. Un chercheur de l’université de Toronto s’y essaie cette fois avec, au départ de tout, une collision entre un satellite de Saturne et une comète.

Les anneaux de Saturne font tourner les astronomes en bourrique. Et ce, dès leur découverte, au début du XVIIe siècle : Galilée les voit, mais ne parvient pas à comprendre ce qu’il observe. Un demi-siècle plus tard, Christiaan Huygens se demande s’ils sont d’un seul bloc… On aurait pu croire qu’avec la sonde Cassini, qui entre 2004 et 2017 a passé treize ans autour de Saturne, des réponses auraient enfin vu le jour concernant l’origine de cette structure originale dans le Système solaire.

De fait, notre connaissance des anneaux a progressé. En plongeant vers la planète à la fin de sa mission, la sonde a récupéré à leur sujet une donnée précieuse, jusque-là inconnue : leur masse, équivalant à 0,4 fois celle du satellite Mimas. Par ailleurs, les observations menées à la fois depuis la Terre et avec Cassini ont confirmé leur composition : de la glace d’eau, à plus de 90 %. Et même à 99 % pour les deux anneaux les plus denses, le A et le B.

Les anneaux de Saturne et ses satellites les plus proches. DR

Mais ces mesures ont surtout eu pour effet de poser de nouvelles énigmes. Quel âge ont les anneaux ? Et comment justifier leur énorme proportion de glace ? Après plusieurs propositions faites au cours de ces dernières années, John Dubinski, de l’université de Toronto (Canada), vient de publier un modèle censé expliquer tout cela.

Une comète aurait percuté un satellite

Dans sa théorie, résumée dans la vidéo ci-dessous, John Dubinski propose qu’un satellite ayant le double de la masse de Mimas (le gros satellite le plus proche des anneaux) ait été percuté par une comète de 20 km de diamètre. Le choc aurait projeté dans l’espace une grande partie du manteau glacé de ce satellite primordial, épargnant son cœur majoritairement rocheux qui aurait continué son bonhomme de chemin sur son orbite. En 18 jours, une partie des débris auraient formé les anneaux, qui auraient eu, peu ou prou, l’aspect qu’on leur connaît aujourd’hui (mais en plus étroits). Le reste se serait réagrégé sur le cœur du satellite et aurait formé un nouveau satellite : Mimas.

« Ce scénario présente des aspects intéressants, notamment pour la composition des anneaux », commente Sébastien Charnoz, de l’Institut de physique du globe (Paris), spécialiste des anneaux de Saturne. « Il est plausible, il semble marcher », estime pour sa part Aurélien Crida, maître de conférences à l’observatoire de la Côte d’Azur, lui aussi auteur de nombreux travaux sur les anneaux.

Une destruction obligatoire à l’origine

L’idée que la désintégration d’un petit corps donne naissance aux anneaux n’est pas nouvelle. C’est en effet le meilleur moyen d’obtenir cette structure plate d’un peu plus de 140 000 km de rayon pour seulement quelques kilomètres d’épaisseur composée de petits fragments de quelques micromètres à quelques mètres de diamètre. Pour cela, il existe deux solutions : soit un satellite s’approche trop de Saturne et est désintégré par ses forces de marées engendrées par la puissante gravité de la planète géante ; soit un satellite est percuté par un autre corps qui disperse dans l’espace une grande quantité de débris.

Notons que le premier cas ne peut survenir que peu de temps après la formation de Saturne, car la planète doit être encore entourée d’un disque de gaz et de poussière qui pousse des satellites à migrer vers elle. Le cataclysme se produit en deçà de ce que les astronomes appellent la limite de Roche (qui correspond approximativement au bord extérieur des anneaux actuels).

Dans le second cas — la collision —, l’événement doit impérativement se produire non loin de la limite de Roche. En effet, en deçà de cette limite, tout gros satellite est détruit par les forces de marées et aucun satellite ne pourra se constituer à partir de petits fragments ; en revanche, une multitude de petits corps vont former un anneau. Et si le cataclysme s’était produit bien plus loin, l’anneau transitoire de débris se serait rapidement assemblé en un nouveau satellite… et il n’y aurait pas d’anneaux autour de Saturne.

Quel que soit le modèle, une autre contrainte existe : les anneaux sont faits quasi exclusivement de glace. Dans le cas de la désintégration d’un satellite par les forces de marées, il faut que celui-ci soit presque entièrement constitué de glace. Ou que seul son manteau glacé soit vaporisé. Idem, dans le cas d’une collision avec un corps extérieur.

Des anneaux trop propres…

L’abondante glace des anneaux pose une autre question : celle de leur âge. En effet, au fil des centaines de millions d’années, des météorites et des micrométéorites pleuvent en permanence sur les anneaux (Cassini a d’ailleurs mesuré la quantité de matière qui leur tombe ainsi dessus chaque seconde, mais il n’y a pas encore eu de publications à ce sujet). Ces petits bolides, composés en grande partie de roche, doivent donc « polluer » les anneaux. Et si ces derniers sont anciens (par exemple, plus de 4 milliards d’années), ils devraient afficher une proportion nettement plus importante de roche… Cela a amené plusieurs astronomes à postuler que les anneaux étaient peut-être très jeunes. C’est le cas de Jeff Cuzzi, du centre Ames de la Nasa, qui a récemment proposé un âge maximal de 200 millions d’années (lire Ciel & Espace 557, p. 14).

L’apperente jeunesse des anneaux de Saturne, vus ici à contre-jour par la sonde Cassini, complique la tâche des astronomes. © Nasa/JPL

C’est cette jeunesse des anneaux qui a guidé John Dubinski. En effet, il indique que son scénario fonctionne, quel que soit l’âge des anneaux, mais surtout si ceux-ci sont jeunes. Le chercheur canadien dispose d’arguments. En préambule, si les anneaux sont jeunes, le scénario du satellite qui migre jusqu’à la limite de Roche est d’emblée éliminé. D’où la nécessité de se rabattre sur une collision. Dubinski note aussi que cela n’est probablement un hasard si la masse des anneaux est d’environ la moitié de celle de Mimas. Le satellite aurait ainsi été délesté de 60 % de sa masse par l’impact d’une grosse comète dont une part lui serait revenue (l’autre formant les anneaux).

… mais pas forcément jeunes

La principale difficulté d’un scénario « jeune » réside dans le fait qu’en raison des forces de marées — toujours elles ! —, « il est difficile de maintenir un satellite du gabarit de Mimas près des anneaux. Il va s’éloigner très vite », explique Sébastien Charnoz. Aurélien Crida précise : « Le système “explose” en 500 millions d’années. D’autant que les forces de marées de Saturne, mesurées précisément par Valéry Lainey, de l’observatoire de Paris, sont en réalité 10 fois plus intenses que ce que l’on croyait jusque-là. »

Pour conserver un proto-Mimas dans les parages des anneaux actuels pendant plus de 4 milliards d’années (âge de Saturne et de toutes les planètes), John Dubinski fait appel à un processus de résonances engendré par Encelade et Dioné : ces deux autres satellites de Saturne auraient, en conjuguant leurs attractions, bloqué le proto-Mimas à sa position pendant plus longtemps et permis qu’il soit percuté récemment (il y a 500 millions d’années) à une position proche de la limite de Roche. « Avec les mesures de Lainey, cela ne marche pas », martèle Aurélien Crida. Pour Sébastien Charnoz, le blocage par résonance est une possibilité, mais il indique : « L’hypothèse n’est pas suffisamment étayée dans cet article. »

Débat sur la pollution des anneaux

Si aucun satellite relativement massif ne peut demeurer longtemps près de la limite de Roche, tout modèle, celui de Dubinski compris, perd la source nécessaire de matière pour former des anneaux voici moins d’un milliard d’années. Alors, comment expliquer l’apparente jeunesse des anneaux ? Souvenez-vous : ceux-ci devraient contenir une bien moins grande proportion de glace puisqu’avec les centaines de millions d’années, des météorites rocheuses seraient venues les polluer…

« L’aspect jeune des anneaux a conduit à concevoir des modèles dans lesquels ils sont jeunes, dit Aurélien Crida. Mais plutôt que d’âge des anneaux, il faudrait parler de leur âge d’exposition au bombardement météoritique. Car on ne sait pas comment la « pollution » se comporte. En particulier, la sonde Cassini a observé l’existence d’un flux de poussières provenant des anneaux et tombant vers la planète. Cela pourrait signifier que les anneaux s’autonettoient ! De plus, pour postuler des anneaux jeunes, on suppose que toute la « pollution » est gardée et que les anneaux n’évoluent pas. Or, a priori, les deux tiers de leur poussière ont été perdus depuis leur création, entraînés par l’étalement des anneaux qui tombent dans Saturne ou forment de nouveaux satellites au-delà de la limite de Roche. »

L’hypothèse d’anneaux anciens toujours solide

Avant de proposer le mécanisme de résonance, John Dubinski écrit dans son article que les chances pour que l’impact à l’origine des anneaux se soit produit au cours des dernières centaines de millions d’années ne sont que de 2 %.

Cette idée d’anneaux anciens se trouve en outre renforcée par la mesure de leur masse par la sonde Cassini. Contrairement à Jeff Cuzi qui en fait un argument en faveur de la jeunesse (mais visiblement assez discutable), Aurélien Crida y voit une contrainte forte : « Les anneaux ont 0,4 fois la masse de Mimas et c’est exactement la masse qu’ils devraient avoir s’ils avaient 4,5 milliards d’années. Et cela, quelle que soit leur masse initiale, en tenant compte de la matière qu’ils ont pu recevoir dans cette durée. »

La surface très cratérisée de Mimas ne peut pas être récente. © Nasa/JPL

Sébastien Charnoz avance un autre argument contre la jeunesse des anneaux. Et celui-ci concerne Mimas : « Ce satellite est très cratérisé et très froid, donc très ancien. On ne voit pas d’écoulement en surface. » Autrement dit, s’il avait accrété de la masse récemment, on observerait encore les effets de cette accumulation en surface. Et le chercheur de conclure : « Si les anneaux sont jeunes, alors l’explication est forcément subtile. »

Pour Aurélien Crida, le travail de John Dubinski est « le moins mauvais scénario pour avoir des anneaux jeunes ». Sans qu’il suffise pour remettre en cause l’hypothèse d’une formation très ancienne. Pour autant, ce modèle n’est pas remis en cause si les anneaux se sont constitués voici plus de 4 milliards d’années… Les anneaux de Saturne n’ont pas fini de faire tourner en bourrique les astronomes.

Recevez Ciel & Espace pour moins de 6€/mois

Et beaucoup d'autres avantages avec l'offre numérique.

Voir les offres

Nous avons sélectionné pour vous