Les petites merveilles de Saturne.

Généralement connu pour ses anneaux, le système Saturne abrite également certaines des lunes les plus intrigantes de notre système solaire.

Par Francis Reddy  | Publication: jeudi 01 août 2019

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Cassini a pris cette mosaïque de Saturne le 21 octobre 2013.

NASA / JPL-Caltech

Les bonbons pour les yeux ne manquent pas à Saturne. Pour les visiteurs qui se lassent de regarder l'atmosphère orageuse de la planète ou de regarder dans le système d'anneaux le plus beau et le plus complexe du système solaire, il y a toujours le satellite géant Titan à explorer. Cette lune colossale est plus grande que Mercure et arbore une atmosphère orange brumeuse plus dense que la Terre, produisant des pluies de méthane qui traversent le paysage glacial de Titan et se déversent dans de vastes lacs.

Mais regardez encore. Même les petites lunes de Saturne présentent des relations dynamiques inhabituelles. Par exemple, Pan et Daphnis habitent dans les espaces annulaires Encke et Keeler, respectivement, où leur gravité froisse la limite de l'anneau et balaie les particules pour garder l'espace clair. Il y a Janus et Epimetheus, dont les différences orbitales sont plus petites que leurs diamètres, donc ils devraient entrer en collision, mais pas. Au lieu de cela, ces lunes «co-orbitantes» jouent efficacement le saute-mouton, échangeant les orbites sur un cycle de quatre ans.

D'autres petits satellites orbitent dans les zones gravitationnelles sûres - appelées points lagrangiens - des lunes de taille moyenne Dioné et Téthys. Les points lagrangiens sont des emplacements à 60 ° devant et derrière l'orbite d'un objet plus grand où un corps moins massif peut se déplacer sur une orbite stable identique. Dione voyage avec Hélène et Polydeuces, tandis que Telesto et Calypso orbitent avec Téthys - un arrangement jusqu'ici invisible parmi toutes les autres lunes du système solaire.

Et c'est juste pour les débutants. «Le système Saturne est plein de surprises», explique Paul Schenk, géologue planétaire au Lunar and Planetary Institute de Houston. Il y a un satellite qui a probablement son origine dans la ceinture de Kuiper, l'entrepôt de corps glacés au-delà de l'orbite de Neptune; une lune pie presque entourée par une crête équatoriale contenant certaines des plus hautes montagnes du système solaire; un satellite tumultueux d'aspect spongieux; et une lune qui évacue sa mer souterraine dans l'espace, offrant aux scientifiques une niche potentielle inattendue pour la vie extraterrestre.

La mission Cassini de la NASA a pris des images à l'approche (à gauche) et au départ (à droite) de la lune de Saturne Phoebe pendant le seul survol rapproché du satellite. Cassini est passé à seulement 1 285 miles (2 068 km) au-dessus de la surface le 11 juin 2004. Phoebe serait un centaure qui aurait pu devenir une comète de la famille Jupiter si Saturne ne l'avait pas capturé.

La lune venue du froid

Phoebe a été découverte en 1899 et est le premier satellite photographié. Le vaisseau spatial Cassini de la NASA a effectué son seul survol rapproché de la lune lointaine le 11 juin 2004, environ trois semaines avant de ralentir pour entrer en orbite autour de la planète. À seulement 130 miles (210 kilomètres) de diamètre, Phoebe est environ un seizième de la taille de notre Lune. Sa surface fortement cratérisée est principalement sombre comme de la suie sans aucun signe de resurfaçage dû à l'activité géologique. Mais des falaises lumineuses sur les bords des plus grands cratères, ainsi que des rayons lumineux s'étendant de plus petits, révèlent de la glace sous une couche de matériau sombre jusqu'à environ 1600 pieds (490 mètres) de profondeur. Les télescopes au sol ont détecté la présence d'eau gelée et les instruments de Cassini ont également montré la présence de dioxyde de carbone gelé (glace carbonique) et de matière organique.

Phoebe orbite dans la direction opposée au spin de Saturne, sur une trajectoire à la fois plus excentrique et plus inclinée que les lunes intérieures de la planète. Sur la base de ces caractéristiques orbitales, les astronomes soupçonnent depuis longtemps Phoebe d'être un intrus pris au piège par la gravité de la planète, plutôt qu'un natif du système de Saturne. La composition chimique de Phoebe ressemble aux astéroïdes de type C que l'on trouve couramment dans les régions les plus éloignées de la ceinture d'astéroïdes principale, tandis que sa densité suggère un mélange de glace et de roche similaire au Triton de Neptune (lui-même considéré comme un objet capturé) et à Pluton. 

Phoebe aurait pu être un centaure. Les centaures sont des corps semblables à des comètes qui suivent des orbites traversant la planète entre Jupiter et Neptune. Les interactions gravitationnelles avec les planètes géantes finiront par déstabiliser leurs orbites. On pense que les centaures sont originaires de la ceinture de Kuiper et ont été perturbés dans leurs orbites actuelles par Neptune. Une fois qu'ils commencent à traverser les orbites des planètes géantes, les centaures peuvent entrer en collision avec eux ou être capturés par eux, être projetés hors du système solaire ou être redirigés par Jupiter vers des orbites les rapprochant beaucoup plus du Soleil, où ils deviennent des comètes de la famille Jupiter . L'idée que Phoebe aurait pu être un centaure avant d'être capturé par Saturne est cohérente avec sa composition de surface, mais il est difficile d'en dire plus avec les observations disponibles.

En 2009, des observations infrarouges du télescope spatial Spitzer de la NASA ont montré que Phoebe réside dans un anneau ténu et ténu de particules de glace et de poussière qui n'avaient pas été détectées auparavant. «Si vous pouviez voir l'anneau, il couvrirait la largeur de deux lunes de ciel, une de chaque côté de Saturne», explique Anne Verbiscer, astronome à l'Université de Virginie, Charlottesville, qui a dirigé la recherche. Une étude de 2015 utilisant des données de la NASA Wide-Field Infrared Survey Explorer a révélé que ce roi des anneaux s'étend encore plus loin, commençant à 3,7 millions de milles (5,9 millions de kilomètres) de la planète et atteignant au moins 10 millions de milles (16 millions de kilomètres). De petits impacts continus sur Phoebe éjectent régulièrement de la poussière qui maintient l'anneau, tandis que des particules plus petites que quelques pouces migrent progressivement vers l'intérieur,

Un noyer et un gobelet

En 1671, l'astronome italien Giovanni Domenico Cassini a découvert Iapetus, la prochaine lune de Saturne alors que nous nous rapprochons de Phoebe. Il a remarqué que lorsque Japet était d'un côté de Saturne, il était très lumineux, mais de l'autre côté, il a presque disparu de la vue. Il a correctement proposé que Iapetus soit verrouillé par les marées - ce qui signifie qu'il tourne toujours le même visage vers Saturne - tout comme notre Lune est vers la Terre, et que l'hémisphère centré sur la direction du mouvement est recouvert d'un matériau sombre. Les scientifiques planétaires ont nommé plus tard cette caractéristique sombre Cassini Regio en son honneur, ainsi que la mission Cassini.

À 927 miles (1492 km), Iapetus est la troisième plus grande lune de Saturne, et le seul grand satellite de la planète sur une orbite très inclinée, qui porte la lune dans la même direction que Saturne, contrairement à Phoebe. Parmi les lunes du système solaire qui présentent une rotation bloquée par les marées, Iapetus est de loin la plus éloignée de sa planète. La densité de la lune n'est que légèrement supérieure à celle de l'eau gelée, ce qui indique que la roche ne constitue peut-être qu'un quart de sa composition.

Lorsque Iapetus fait le tour de Saturne, la poussière migrant dans la direction opposée de l'anneau Phoebe sent dans Cassini Regio comme des insectes sur un pare-brise, mais la forme de la tache sombre ne peut pas être entièrement expliquée par cette simple accumulation de matière. D'une part, le côté obscur d'Iapetus est beaucoup plus rouge que Phoebe.

En 2010, John Spencer au Southwest Research Institute à Boulder, Colorado, et Tilmann Denk à l'Université libre de Berlin ont proposé que les dépôts sombres, qui reflètent aussi peu de soleil que l'asphalte frais, réchauffent l'hémisphère principal juste assez pour que les molécules de glace d'eau puissent sublimer, se tournant directement vers un gaz. Ces molécules migrent de l'hémisphère principal plus chaud vers l'hémisphère arrière plus froid, où elles gèlent à nouveau à la surface. La rotation lente et bloquée des marées d'Iapetus produit des températures diurnes inhabituellement élevées et des taux de sublimation de la glace d'eau pour une réflectance donnée, donc une fois que cette migration thermique commence (grâce aux dépôts initiaux de Phoebe), elle peut être maintenue. Alors que la glace de surface s'écarte de Cassini Regio, ce qui reste est un résidu originaire d'Iapetus mélangé avec du matériel de l'anneau Phoebe.

Le soir du Nouvel An 2004, le vaisseau spatial Cassini s'est approché d'Iapetus pour la première fois, et les scientifiques planétaires ont été fascinés par les images qu'il a renvoyées.

Le corps fortement cratère montrait de nombreux grands bassins d'impact - le plus grand du système Saturne - mais sa caractéristique la plus remarquable était une crête visible qui courait presque exactement le long de l'équateur, donnant à la lune glacée l'apparence d'une noix. La crête s'étend sur 800 miles (1300 km) et traverse complètement Cassini Regio. Par endroits, il se divise en sommets de montagnes isolés qui peuvent atteindre 12 miles (19 km) de haut, rivalisant avec le volcan martien géant Olympus Mons mais situé sur un monde cinq fois plus petit.

Cette vue rehaussée de couleurs de la lune de Saturne Hyperion, imagée par Cassini en 2005, révèle des détails nets à travers la surface étrange et tumultueuse de la lune. La teinte naturellement rougeâtre d'Hyperion a été réduite et les autres couleurs ont été accentuées pour mieux montrer les variations de couleur subtiles à travers la surface. La faible densité et la faible gravité d'Hyperion se combinent pour conserver les formes originales de ses cratères. Les impacts ont tendance à comprimer la surface poreuse plutôt qu'à la faire exploser, et le peu d'éjecta produit est plus susceptible de quitter la lune que de couvrir les cratères plus anciens.

NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute

Il n'y a rien de semblable ailleurs dans le système solaire, et une explication entièrement satisfaisante de son origine échappe aux scientifiques. A-t-elle éclaté ou poussé de l'intérieur, lorsque Iapetus était jeune et que son intérieur était encore chaud? Ou est-ce les restes accrétés d'un anneau qui ont été soulevés par un impact ou formés lorsqu'un petit satellite est passé trop près et s'est écrasé dans les marées de Japet?

Une étude menée en 2014 par Erica Lopez Garcia à l'Université Brown a examiné la topographie de la crête et a trouvé des pentes principalement triangulaires, un peu comme ce que vous obtiendriez en versant lentement du sucre dans un tas, suggérant une source externe. Mais de nouveaux modèles explorant les mécanismes de formation interne possibles continuent d'apparaître. «Je pense que plus de gens sont en faveur de l'explication de l'anneau, mais le débat est toujours en cours», explique Francis Nimmo, planétologue à l'Université de Californie à Santa Cruz.

L'interprétation de l'anneau est soutenue par des renflements équatoriaux sur d'autres lunes du système, en particulier Atlas, Pan et Daphnis, qui accumulent des particules en orbite dans et près de l'anneau A de Saturne. Et puis il y a Rhea, la deuxième plus grande lune de Saturne, qui peut ou non conserver un anneau ténu aujourd'hui. "Sur Rhea, nous avons trouvé des taches bleuâtres très inhabituelles le long de son équateur, qui sont maintenant interprétées comme des preuves de la ré-accrétion d'un très mince anneau de débris entourant cette lune dans un passé pas si éloigné", explique Schenk.

À l'intérieur d'Iapetus se trouve Hyperion, la plus grande lune de forme irrégulière de Saturne, mesurant 224 miles par 165 miles (360 km par 266 km). Un survol de Cassini en 2005 a révélé une apparence spongieuse bizarre, un seul cratère géant entouré d'une profusion de plus petits, et environ la moitié de la densité moyenne de glace d'eau pure et solide - l'un des matériaux les plus faibles du système solaire externe. Cela signifie que Hyperion doit vraiment être spongélique, plein de minuscules trous qui réduisent considérablement sa masse globale et sa gravité de surface. La fraction élevée de pores d'Hyperion l'aide à préserver les cratères plus anciens, car des impacts plus récents éjectent moins de débris pour les couvrir.

Mais la caractéristique la plus inhabituelle de la lune est sa rotation. La forme irrégulière d'Hypérion, son orbite excentrique et sa proximité avec la grande lune Titan de Saturne créent des conditions qui l'arrachent à tout type de rotation stable et l'empêchent même de se verrouiller de manière ordonnée sur Saturne. Sa période de rotation et la direction de son axe de rotation peuvent changer de façon imprévisible au fil des jours ou des semaines alors que Hyperion dégringole le long de son orbite. Autrefois considéré comme unique, nous savons maintenant que la rotation chaotique d'Hyperion est partagée par au moins deux des lunes de Pluton, Nix et Hydra, grâce aux grands couples générés par Pluton et sa plus grande lune, Charon.

Blanche-neige

En 1981, Voyager 2 a imagé des parties d'Encelade, une lune de taille moyenne, à haute résolution, révélant des creux, des escarpements, des groupes de crêtes et des plaines sans cratère - tous les types de terrain indiquant des forces internes avaient modifié la surface relativement récemment en termes géologiques. «Nous savions qu'il y avait quelque chose de spécial à propos d'Encelade, car il reflète presque toute la lumière du soleil qui le frappe. Il portait des marques indiquant qu'il avait une vie géologique active », explique Ed Stone, scientifique de projet pour les missions Voyager. Cette diversité était surprenante pour un satellite de seulement 314 miles (504 km) de diamètre, ce qui a conduit certains à suggérer qu'Encelade avait besoin d'une source de chaleur interne d'une ampleur inattendue pour alimenter ces changements.

Peu de temps après le survol, les chercheurs ont remarqué qu'Encelade orbite dans le large anneau E diffus de Saturne, qui s'étend d'environ 131000 milles à 298 000 milles (211 000 km à 480 000 km) et s'épaissit loin de la lune. Les grains de glace dans l'anneau E ont des temps de survie limités en raison des collisions avec des ions de haute énergie piégés dans le champ magnétique tournant de Saturne. Ce processus, appelé pulvérisation cathodique, réduit les grains de glace de taille micrométrique en quelques décennies et décompose les particules plus petites en quelques années seulement. Ainsi, pour que l'anneau E existe, un approvisionnement régulier de nouveaux grains doit être éjecté d'Encelade. Au début des années 1980, plusieurs scientifiques ont suggéré des impacts de météorites, des geysers ou des éruptions volcaniques comme mécanismes d'éjection possibles, mais la question est restée spéculative.

«Avant Cassini, personne n'aurait pensé qu'il y avait un océan sous la surface d'Encelade», explique Nimmo. «Je pense que voir de vrais geysers éclater a été l'une des plus grandes surprises de la science planétaire de mémoire récente.»

Des arcs rougeâtres inhabituels traversent la surface de la lune de Téthys riche en glace de Saturne dans cette mosaïque aux couleurs améliorées. Les arcs ne font que quelques kilomètres de large mais s'étendent sur plusieurs centaines de kilomètres. Parmi les caractéristiques les plus étrangement colorées de toutes les lunes vues par Cassini, leur origine reste un mystère.

NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute / Paul Schenk, Lunar and Planetary Institute

Les observations de Cassini en 2005 ont révélé Encelade comme l'un des corps les plus extraordinaires du système solaire. Quatre tranchées chaudes, à peu près parallèles au pôle sud de la lune, surnommées «rayures de tigre», font éruption de panaches de vapeur d'eau, d'hydrogène et d'hydrocarbures qui se renforcent et s'affaiblissent régulièrement à mesure qu'Encelade orbite autour de Saturne. «Le mécanisme d'éruption est compris, au moins dans ses grandes lignes», explique Nimmo. «Les rayures du tigre semblent être des fissures remplies d'eau, reliées à un océan en dessous, qui ouvrent et ferment chaque orbite sous l'influence des marées.» L'eau exposée au vide bout et gèle simultanément, créant la vapeur et les cristaux de glace que nous voyons , dont certains retombent pour peindre le paysage en blanc comme de la neige fraîchement tombée.

En raison des interactions gravitationnelles mutuelles, Encelade orbite autour de Saturne deux fois pour chaque orbite de son voisin le plus éloigné, Dioné. Cette résonance orbitale force Encelade dans une orbite légèrement excentrique où les marées chauffent l'intérieur de la lune. «Le chauffage par marée est de toute façon légèrement plus fort aux pôles, donc vous pourriez obtenir une boucle de rétroaction: la région polaire se réchauffe, elle devient plus déformable, donnant lieu à un chauffage par marée plus et ainsi de suite», note Nimmo. "Mais pourquoi cela ne s'est produit qu'au pôle Sud est un mystère."

Il y a certainement des preuves que d'autres parties de la surface étaient plus chaudes dans le passé. Certains cratères d'impact semblent avoir coulé, indiquant de la glace chaude près de la surface, et il semble assez clair que différentes parties d'Encelade ont été chauffées à des moments différents. «Il existe même des fonctionnalités qui ressemblent un peu à d'anciennes rayures de tigre, bien que cela soit controversé», explique Nimmo. "Il est difficile de dire à partir des observations si l'activité était épisodique, mais le fait que vous voyez des zones fortement cratérisées et très légèrement cratérisées, mais pas des zones modérément cratérisées, suggère que l'activité n'était pas continue."

Cassini a survolé les panaches et a échantillonné leur composition, montrant que près de 98 pour cent du gaz dans les panaches est de la vapeur d'eau, environ 1 pour cent est de l'hydrogène et le reste est un mélange d'autres molécules, y compris le dioxyde de carbone, le méthane et l'ammoniac. Le phosphore reste le seul élément essentiel à la vie sur Terre qui n'a pas encore été trouvé dans les panaches d'Encelade, mais il est probablement présent. Avec les ingrédients nécessaires - une mer souterraine chaude, de l'hydrogène abondant que les organismes pourraient potentiellement exploiter comme source d'énergie chimique et des geysers livrant facilement des échantillons dans l'espace - Encelade est sans doute la cible la plus probable et la plus excitante pour la recherche de la vie.
 

Lunes déroutantes

Bien qu'il soit difficile de surpasser Encelade, les lunes voisines de taille moyenne Dione et Tethys séduisent les scientifiques planétaires avec des caractéristiques encore inexpliquées. «Sur Dioné, un magnifique ensemble de fractures tectoniques a été observé, certaines dans un état de conservation très vierge», explique Schenk. Une paire de dépressions murales inhabituelles dans le terrain lisse de la lune pourrait être des évents volcaniques; la moitié de la surface de Dioné est couverte par ce qui est probablement d'anciens dépôts de glace volcanique; et certains proposent que Dioné possède une mer souterraine.

Sur Tethys, une immense zone de faille nommée Ithaca Chasma parcourt près des trois quarts de la circonférence de la lune, et les caméras de Cassini ont détecté un ensemble de mystérieux arcs rouges qui semblent s'être formés très récemment. "Donc, alors qu'Encelade a volé notre attention, ces lunes ont également montré des signes intermittents d'activité", ajoute Schenk.

Le 15 septembre 2017, Cassini a plongé dans l'atmosphère de Saturne, mettant fin à sa mission. Les scientifiques exploiteront les données retournées par Cassini sur ces divers mondes pour les décennies à venir. Même du point de vue de ses petits satellites, Saturne fait signe. Quand reviendrons-nous?

Source: http://www.astronomy.com
Lien: http://www.astronomy.com/magazine/2019/08/saturns-small-wonders?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR2SwzzTd6r5cmMqIntCn9417gK3i3V6aWb67tGNchiGOl9h-mVIwVvu5vM