Quand Voyager nous a donné les premières images en gros plan des anneaux de Saturne

Les sondes ont non seulement renvoyé des images époustouflantes de Saturne et de ses anneaux, mais elles ont également préparé le terrain pour la mission extrêmement réussie de Cassini.

De Liz Kruesi  | Publié: Lundi, 12 août 2019

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Bien que Pioneer 11 ait la particularité de prendre la première image rapprochée de Saturne (à gauche, Titan avec sa plus grande lune également dans le cadre), la résolution supérieure offerte par les sondes Voyager (à droite, vue avec les lunes Tethys, Dione et Rhea en bas à droite, tandis que Mimas apparaît comme une ombre sombre juste au-dessous des anneaux sur la gauche) dévoile des détails jamais vus auparavant par les scientifiques planétaires. 

NASA Ames

Certains appellent Saturne le joyau du système solaire, avec ses anneaux distinctifs, sa variété de lunes et ses vents atmosphériques rapides. Les premiers regards de la planète à travers un télescope forment certainement un souvenir qui reste gravé dans l'esprit des gens. Que vous soyez observateur de jardin ou scientifique planétaire, Saturne est un monde fascinant.

Pendant des siècles, les astronomes utilisant des télescopes ont aperçu un anneau de matière entourant l'équateur de la planète. Des pics de lumière, les lunes de la planète, flottaient à proximité. Les progrès techniques ont conduit à de meilleures vues, jusqu'à ce que les scientifiques puissent voir des lacunes ou des divisions dans le matériau qui sonne Saturne. Ils ont également vu des bizarreries sur ses lunes: l'une semblait contenir une atmosphère de méthane entremêlée de nuages, tandis qu'une autre avait deux visages, brillante sur une moitié mais sombre comme de l'asphalte sur l'autre.

Mais il faudrait à Voyager 1 et 2, une paire de vaisseaux spatiaux en visite, pour révéler pleinement le monde fascinant et intriguant ainsi que son système tout aussi fascinant de lunes. La planète héberge un large éventail de processus et de structures astronomiques, et les sondes Voyager ont été les premières à montrer aux scientifiques à quel point le système de Saturne est incroyable. Le système qu'ils ont découvert était trop intriguant pour ne pas être revisité, jetant les bases de la mission révolutionnaire Cassini des décennies plus tard.

Le Voyager a été le premier à décrire les anneaux de Saturne avec suffisamment de détails pour distinguer des caractéristiques telles que les «rayons» visibles ici dans l'anneau B le 22 août 1981, à une distance de 4 millions de kilomètres. Ces éléments poussiéreux, d’une longueur pouvant aller jusqu’à 20 000 km (20 000 km), varient en fonction du temps et n’ont pas d’origine convenue. NASA / JPL-Caltech

NASA / JPL-Caltech

Vers le monde bagué

Le vaisseau spatial double Voyager a été lancé à 16 jours d'intervalle en 1977, débutant le Grand Tour du système solaire extérieur. Ils ont fait des voyages séparés sur la planète aux anneaux et ses diverses lunes. Voyager 1 est arrivé en novembre 1980 et a ensuite utilisé la gravité de la planète pour se lancer en fronde hors du plan du système solaire. Voyager 2 a basculé en août 1981, puis sur Uranus et Neptune.

La paire de sondes a révélé de nombreux détails inattendus sur le système Saturn, mais Voyager 1 n’a pas été la première mission à prendre une vue rapprochée de la planète. Ce titre appartient à Pioneer 11, qui a survolé le monde aux anneaux en 1979. Ses photographies, combinées à des détections au sol, ont aidé les scientifiques planétaires à mieux planifier les itinéraires de survol de Saturne des Voyagers, ainsi qu'à choisir les cibles sur lesquelles se concentrer.

Chaque approche la plus proche était une rencontre rapide - après tout, les sondes voyageaient à une vitesse supérieure à 15 km / s. Mais l’équipe de la mission a commencé à recueillir des observations détaillées de chaque cible plusieurs semaines à l’avance. Et pendant les deux semaines entourant chaque rencontre de Saturne la plus proche, toutes les équipes scientifiques se réuniraient au Jet Propulsion Laboratory de Pasadena, en Californie, pour une session d’observation intense.

Caractéristiques remarquables des bagues 

Avant que le Voyager n'arrive à Saturne, les scientifiques connaissaient deux chemins vides séparant les anneaux de Saturne: la division Cassini et l'Encke Gap. Mais sur la base d'observations faites à la fois par les télescopes Pioneer et au sol, «nous pensions pouvoir trouver des feuilles de matériau fades et sans traits séparées par des espaces», explique Linda Spilker, qui a étudié les anneaux dans le cadre de l'équipe Voyager et fait maintenant partie du projet Cassini. scientifique. Au lieu de cela, le double vaisseau spatial a révélé que les anneaux étaient tout sauf fades.

L'anneau maigre F de Saturne, reproduit le 12 novembre 1980 à 750 000 km (466 000 milles), est une structure complexe composée de deux anneaux brillants entourant un troisième anneau plus faible. Des amas, des déformations et d'autres structures dans ces anneaux leur donnent un aspect tressé.

NASA / JPL-Caltech

Le 6 octobre 1980, alors que Voyager 1 se trouvait encore à 30 millions de kilomètres de Saturne, les chercheurs ont tout d'abord découvert des traînées sombres dans les anneaux. Les stries ne faisaient pas le tour de la planète, mais semblaient plutôt s'en éloigner. Ces «rayons» étaient le premier des nombreux détails inattendus du système de sonnerie.

Alors que le Voyager 1 approchait et que la résolution s'améliorait, l'équipe pourrait préciser davantage de détails. «Cela ressemblait à des sillons sur un disque phonographique», dit Spilker des anneaux. Des centaines d'anneaux concentriques entouraient Saturne. Les scientifiques ont observé des vagues le long des espaces vides entre ces anneaux, ainsi que des entités tressées et des structures en spirale à l'intérieur des anneaux, le tout en raison de l'influence gravitationnelle de petites lunes encastrées à l'intérieur et situées juste à l'extérieur des anneaux. Ils ont même vu des motifs qui ressemblaient à des ailes d'hélice en spirale à partir des lunes, ce qui montre à quel point de gros blocs nettoient le matériau le long des trous de leur orbite. L'étude du comportement des clairons dans un «disque de débris», tel que les anneaux de Saturne, a permis aux scientifiques d'étudier indirectement la formation des planètes autour des étoiles dans les disques protostellaires. «Les bagues étaient bien plus que ce que j'avais imaginé», ajoute Spilker.

Mais ce ne sont pas uniquement les belles images du système d'anneaux photogéniques qui ont surpris les scientifiques. Lorsque Voyager 2 s'est approché de Saturne en août, il a observé la lumière des étoiles de Delta Scorpii alors que les anneaux passaient entre cette étoile et le vaisseau spatial. Appelée occultation, cette vue filtrée permettait aux chercheurs de voir des détails encore plus fins dans les anneaux. En fait, ils ont vu les particules dans les anneaux avec une résolution 10 à 20 fois supérieure à celle obtenue en photographiant directement les anneaux.

Plus de 30 ans après le dernier aperçu de Titan par le Voyager, Cassini a finalement révélé la surface de la Lune par imagerie infrarouge le 13 novembre 2015. La surface est étonnamment semblable à la Terre, avec des caractéristiques telles que des dunes de sable, des montagnes et des mers d'hydrocarbures liquides. 

NASA / JPL / Université de l'Arizona / Université de l'Idaho

Le soir de l'approche la plus proche, alors que Voyager 2 se trouvait à un peu plus de 161 000 km de Saturne, le photopolarimètre (un instrument qui enregistre la dispersion de la lumière par les particules de lumière) a observé les anneaux pendant deux heures et demie. Ces données ont été imprimées sur un rouleau de papier à l'aide d'un traceur à stylos. «Je me souviens de l'avoir déroulée dans le couloir, d'avoir placé un livre à une extrémité et un livre à l'autre extrémité, en parcourant et en regardant les données», se souvient Spilker. "C'était comme marcher dans les anneaux."

Avec ces données, les scientifiques pourraient estimer l’épaisseur au bord de chaque anneau: entre 33 et 656 pieds (10–200 m). Ils ont vu des structures plus petites dans les anneaux: touffes, torsions et vagues - tout cela en raison de la gravité des satellites de Saturne. Cette occultation à l’aide de Delta Scorpii a été l’une des observations les plus cruciales faites par le Voyager à Saturne. Et avec un seul événement de ce type, les données étaient extrêmement précieuses, explique Spilker.

Quelle différence une génération de technologies de conception fait-elle aujourd'hui? Aujourd'hui, les scientifiques ont effectué des centaines d'observations d'occultation dans le vaisseau spatial Cassini, qui a étudié le système Saturne de 2004 à septembre de cette année. Les 13 années d'observations de Cassini ont fourni des réponses sur la manière dont les lunes et Saturne elles-mêmes façonnent les anneaux.

Tethys, imagée par Voyager 2, montrait des zones de vieille croûte (plus brillante, plus fortement cratérisée) et nouvelle (plus sombre), ainsi qu'un vaste système de canyons qui encerclaient presque la petite lune de haut en bas.

NASA / JPL-Caltech

Satellites de Saturne

Avant que l'un ou l'autre des Voyager n'arrive à Saturne, la plupart des lunes de la planète n'étaient rien d'autre que des piqûres de lumière. Les télescopes au sol ne pouvaient pas résoudre leurs surfaces, aussi les scientifiques n’ont-ils que peu d’informations sur l’immense variation de ces mondes.

Titan, la plus grande lune de la planète, a été le premier à monter. Le 1 er novembre 1980, Voyager 1 s'est approché le plus près de la sphère orange vers la fin du 11 novembre 1980, alors qu'il volait à moins de 500 000 km de la Lune. Les scientifiques espéraient voir à travers l’épaisse atmosphère pour en apprendre davantage sur la surface, mais les mystères de Titan n’étaient pas si faciles à résoudre. Les caméras visibles et infrarouges ne pouvaient pas pénétrer dans les nuages. Heureusement, les chercheurs ont pu obtenir un signal radio à la surface et en revenir, et l'utiliser pour calculer la densité de l'atmosphère: 1,6 fois celle de la Terre.

Lors de l'analyse des données radio, une rumeur feutrée s'est répandue parmi les dizaines de scientifiques de Voyager en poste au JPL, rappelle la spécialiste des planètes Carolyn Porco, selon laquelle de l'azote liquide pourrait exister à la surface de Titan. «Il s'est avéré que l'analyse initiale était incorrecte», dit-elle. «Mais je n'oublierai jamais le frisson indescriptible d'entendre cette rumeur. Cela nous a semblé un instant comme nous tous. . . étaient des membres d’équipage sur le vaisseau Enterprise, et nous venions de tomber sur le plus étrange des mondes jamais vus. Nous étions en effet des explorateurs planétaires. »Par la suite, Porco a exploré le système saturnien en tant que membre de l'équipe Cassini.

Cependant, ce que Voyager a révélé à propos de Titan - connaissance de la densité et de la composition de son atmosphère, possibilité d'hydrocarbures éventuellement sous forme liquide à la surface - a rendu Titan encore plus intriguant pour des études ultérieures. En fait, dit Spilker, «c’est vraiment le survol de Voyager par Titan, et ce que nous avons appris et ce que nous n’apprenons pas, a conduit à ce vif désir de revenir». mission.

Des images en fausses couleurs, telles que celle prise le 23 août 1981 sur 1,7 million de miles (2,7 millions de km), mettent en évidence la composition chimique variable des anneaux, représentés par des couleurs différentes. L'anneau C apparaît en bleu dans ce composite, tandis que l'anneau B apparaît en jaune-orange.

Archive coordonnée des données de la science spatiale de la NASA

Les découvertes du Titan n'étaient que le début de la révélation des satellites saturniens. De loin, deux des lunes les plus proches de la planète, Mimas et Enceladus, avaient été considérées comme des jumeaux en raison de leur taille similaire. Mais le 12 novembre 1980, le Voyager découvrit que leurs surfaces étaient très différentes. Bien que Mimas ait été frappé par l'évidence de milliards de années de collisions causées par des débris spatiaux, Encelade, étrangement, ne l'était pas. Les scientifiques s'attendaient à une surface fortement encombrée de cratères. «Pourtant, certaines parties d'Enceladus étaient lisses», explique Andrew Ingersoll de Caltech, membre de l'équipe d'imagerie Voyager. Le monde était également très réfléchissant, semblable à la luminosité de la neige fraîchement tombée.

Les observations depuis la Terre d'un anneau autour de Saturne à la distance de l'orbite d'Encelade ont déjà laissé entendre que peut-être cette petite lune alimenterait l'anneau. Pourrait-il y avoir des volcans de glace sur Enceladus, fournissant le matériau mou qui remplirait les cratères d’impact? Si tel est le cas, une partie de ce matériau jaillissant pourrait peut-être échapper à la surface et graviter autour de Saturne comme faisant partie de l’anneau E. Ces premières observations détaillées de Voyager ont déclenché une fascination permanente pour cette petite lune réfléchissante, ajoute Ingersoll.

Les scientifiques savent maintenant grâce à la mission Cassini qu'un océan sous-marin alimente les geysers au pôle sud d'Encelade. Ils ont également découvert une activité hydrothermale probable au fond de l'océan. Sur Terre, les écosystèmes biologiques se développent dans de tels environnements. Pourraient-ils faire la même chose sur Enceladus? C'est une question à laquelle une future mission dédiée à la petite lune pourrait répondre.

Voyager 1 a pris cette image de Saturne au moment de son départ, se détachant de son point de repère de 5,3 millions de km quatre jours après l’approche la plus proche. Les rayons peuvent être vus comme des taches lumineuses dans les anneaux de cette distance.

Archive coordonnée des données de la science spatiale de la NASA

La météo là-bas

Les scientifiques n’ont pas envoyé le Voyager à Saturne pour étudier uniquement ses anneaux et ses lunes. La planète et son atmosphère constituaient également un centre scientifique. Comme celle de sa planète sœur géante, Jupiter, l'atmosphère de Saturne accueille d'incroyables tempêtes et d'énormes jets, et les jumeaux Voyager ont été le premier engin spatial à photographier les détails dans ces nuages ​​de près.

Le traitement amélioré des images couleur augmente la capacité de voir les nuages ​​et les tempêtes dans l'atmosphère de Saturne, tels que les nuages ​​convectifs sur cette image prise le 5 novembre 1980, dans un rayon de 8 millions de kilomètres.

NASA / JPL-Caltech

En réanalysant les images des pôles de Saturne de Voyager, l'astronome David Godfrey a découvert une forme hexagonale entourant le pôle nord. Cette forme surprenante provient des courants de jets qui se déplacent à différentes vitesses. «Ce n'est qu'un courant sinueux qui se dirige vers l'est un peu plus vite que le reste de ses voisins», explique Ingersoll, qui était également à la tête du groupe de travail sur l'atmosphère du Voyager. Cet hexagone était toujours là des décennies plus tard, lorsque Cassini atteignit Saturne.

Et puis il y a les vents de Saturne eux-mêmes. «Je me souviens avoir été étonné par la vitesse des vents», se souvient Ingersoll - bien que sa vitesse ne soit pas encore connue. C'est parce que les scientifiques n'ont pas de référence pour mesurer les vitesses du vent, explique Ingersoll, qui a étudié les atmosphères planétaires pendant des décennies. «Sur Terre, nous mesurons le vent par rapport aux continents», explique Ingersoll, et Saturne, bien sûr, n’a pas de continent. Mais si les scientifiques pouvaient mesurer la vitesse de rotation du noyau solide de la planète, cette vitesse servirait de référence.

Pour atteindre ce taux de rotation pour une planète géante, les chercheurs suivent le champ magnétique de la planète, qui est produit dans le noyau solide. Sur Jupiter, l'axe du champ magnétique est incliné par rapport à l'axe de rotation, ce qui signifie que lorsque le noyau tourne, le champ magnétique vacille. “Vous voyez le champ magnétique vaciller comme un. . . En haut, cela indique la vitesse de rotation de l’intérieur de la planète », explique Ingersoll. Malheureusement, l'axe du champ magnétique et l'axe de rotation de Saturne sont trop similaires pour produire un vacillement mesurable sur les instruments de Voyagers. Mais dans sa dernière phase de mission, juste au-dessus du sommet des nuages, Cassini pourrait enfin s'approcher suffisamment de la planète pour mieux suivre le vacillement.

Le 15 septembre, Cassini mettra fin à son étude de Saturne en fermant la porte aux observations rapprochées de la planète aux anneaux, tout comme le départ du Voyager en 1981. Les deux missions ont également répondu à des questions de longue date concernant le monde des anneaux et son système. comme introduit de nouveaux mystères pour les futurs vaisseaux spatiaux à résoudre.

Ce monde contient de magnifiques anneaux qui imitent certaines caractéristiques des disques entourant de jeunes étoiles, des orages atmosphériques intenses et une variété de lunes, dont l’un avec un système météorologique semblable à la Terre et l’autre avec les ingrédients d’un environnement habitable. «L'étude de Saturne a fourni aux scientifiques les moyens d'étudier les processus qui agissent dans l'ensemble de notre système solaire et qui sont invariants en termes d'échelle dans le cosmos», explique Porco. "Aucune autre planète ne peut prétendre autant."

Grâce à Voyager 1 et 2, nous savons pourquoi le système Saturne continue de tenter les explorateurs planétaires.

Source : http://www.astronomy.com