9 – Saturne

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Saturne est la sixième planète en partant du Soleil et la deuxième du système solaire par sa taille. …

 

 

1) Informations complémentaires :

Saturne est une planète fascinante à bien des égards. Quand on la regarde pour la première fois dans un télescope on n’en croit pas ses yeux. La planète, entourée de ses deux anneaux brillants et accompagnée de quelques uns de ses satellites semble comme un jouet immobile dans l’espace. En fait Saturne n’a pas que ces deux anneaux visibles mais en possède 13. Les 11 autres sont pratiquement invisibles depuis la Terre, sauf à utiliser des télescopes surdimensionnés auxquels nous n’avons pas accès. Le 13ème anneau (l’anneau de Phœbé, gigantesque mais très peu dense) a été découvert par le télescope Spitzer en 2009, qui n’observe que dans les longueurs d’ondes infrarouges et qui est en orbite héliocentrique (il tourne autour du Soleil).

On a longtemps cru que Saturne était la seule planète à posséder des anneaux, car ce sont les seuls qu’on peut voir facilement, même dans un télescope de petit diamètre. Ses deux anneaux brillants sont visibles car ils sont composés à plus de 99% de cristaux de glace, qui reflètent fortement la lumière du Soleil. Ces deux anneaux (A et B) sont séparés par une zone plus sombre mais non vide de matière, qui s’appelle la « division de Cassini » (du nom de l’astronome italo-français qui l’a découverte en 1675). Cette séparation d’environ 5.000 km de large entre les anneaux A et B est également visible dans un télescope. Mais nous savons désormais depuis quelques dizaines d’années que les 4 planètes gazeuses de notre système solaire possèdent toutes des anneaux. Ce sont des anneaux de poussières et de particules très petites et peu denses. Jupiter en possède 3, Saturne 13, Uranus 13 également et Neptune 5.

Le système saturnien est certainement le plus complexe de tout le système solaire, mais également le plus passionnant de tous. Cette complexité est due aux interactions permanentes entre la planète elle-même, ses satellites et ses anneaux.

Cette planète géante gazeuse, d’un diamètre large de 9,5 fois celui de notre Terre est tellement peu dense que, posée sur de l’eau elle flotterait ! Cela nous amène à penser que son probable cœur rocheux et/ou métallique doit être plus petit que celui de Jupiter.

La structure interne de Saturne serait similaire à celle de Jupiter, avec un noyau rocheux de silicates et de fer, entouré d’une couche d’hydrogène métallique, puis d’hydrogène liquide, puis enfin d’hydrogène gazeux. Des traces de glaces diverses seraient également présentes. Les transitions entre ces différentes couches seraient progressives et la planète ne comporterait pas de surface à proprement parler.

Saturne a une température interne très élevée, atteignant probablement 12 000 K dans le noyau, et dégage, à l’instar de Jupiter, plus d’énergie qu’elle n’en reçoit du Soleil. La majeure partie de cette énergie provient d’un effet de compression gravitationnelle (mécanisme de Kelvin-Helmholtz), mais cet effet ne suffit pas à lui seul à expliquer la production thermique. Une explication proposée serait une « pluie » de gouttelettes d’hélium dans les profondeurs de Saturne, dégageant de la chaleur par friction en tombant dans une mer d’hydrogène plus léger.

Bien que Saturne soit composée majoritairement d’hydrogène et d’hélium, les gaz ne représentent qu’une faible partie de sa masse car l’hydrogène devient liquide lorsque la densité dépasse 0,01 g/cm3. Cette frontière est atteinte sur une sphère correspondant à 99,9 % de la masse de Saturne. En s’approchant du cœur de la planète la densité continue de croître jusqu’à transformer l’hydrogène en métal.

Le noyau rocheux est comparable à celui de la Terre si ce n’est qu’il est plus dense. En 2004 la masse de ce noyau a été estimée entre 9 et 22 fois la masse de la Terre par une équipe d’astronomes français. Cette estimation a été effectuée à partir du champ gravitationnel et des modèles géophysiques des planètes gazeuses. De plus on estime que le diamètre du  noyau est de 25 000 km. Ce noyau est entouré d’un épais manteau d’hydrogène liquide puis, à mesure que l’on s’écarte du centre, d’hélium liquide saturé en hydrogène avant que l’hydrogène et l’hélium deviennent gazeux sur environ 1 000 km.

Certains de ses satellites sont assez exceptionnels, notamment Titan et Encelade. Titan est le 2° plus gros satellite du système solaire, après Ganymède autour de Jupiter; ils sont tous deux plus gros que la planète Mercure. Titan a la particularité d’être le seul satellite à posséder une atmosphère substantielle, avec une densité supérieure de 50% à celle de la Terre. Seul Triton, principal satellite de Neptune, possède aussi une atmosphère, mais extrêmement faible (1/70.000ème de celle de la Terre). L’atmosphère de Titan est surtout composée d’azote (98,4%) et de méthane.

↑  Vidéo montrant la descente et l’atterrissage de Huygens sur Titan

La sonde Cassini, partie de la Terre en 1997 et arrivée autour de Saturne en juillet 2004 a déposé en janvier 2005 un atterrisseur, Huygens, conçu par l’agence spatiale européenne qui s’est posé sur Titan. Il n’a pu émettre que quelque temps mais a pu faire quelques photos et faire des mesures de température et des analyses de l’atmosphère de Titan. Tout comme les satellites Europe et Ganymède autour de Jupiter et Encelade autour de Saturne, les astrophysiciens pensent qu’un océan d’eau liquide pourrait probablement exister sous la croûte de Titan.

La surface de Titan photographiée par l’atterrisseur Huygens en janvier 2005. ↑ Les blocs que l’on voit ne sont pas des rochers, mais des blocs de glace d’eau. La surface de Titan recèle de nombreux lacs de méthane et d’éthane liquides.

Encelade est un « petit » satellite de Saturne avec ses 504 km de diamètre, mais c’est un satellite exceptionnel. On a beaucoup de raisons de penser que cette lune, sous sa croûte glacée, possède un océan souterrain (d’eau) de plusieurs dizaines de kilomètres de profondeur. Cet océan possède une pression suffisante pour que l’on puisse observer à la surface d’Encelade des geysers d’eau qui jaillissent périodiquement au-dessus de sa surface (voir photos en fin de cette page). Les endroits où se produisent ces geysers sont beaucoup plus chauds (70° C de plus) que la température moyenne de la surface de ce satellite. L’eau, en sortant dans le vide, se sublime et retombe en particules de glace sur le sol d’Encelade, ce qui fait de cette lune l’objet le plus brillant de tout le système solaire avec un albédo de 0,81.

En 13 ans autour de la planète, l’apport de la sonde Cassini dans notre connaissance de Saturne, de ses satellites et de ses anneaux est considérable. On connaît, à ce jour, 62 satellites référencés et nommés qui gravitent autour de Saturne. Mais on sait également qu’au moins 150 satellites supplémentaires existent, d’un diamètre de 5 km ou plus. Le problème dans ce compte est que des satellites sont nichés dans des anneaux (ou à proximité) et qu’ils échangent en permanence de la matière avec les anneaux. Certains de ces objets vont « naître » de l’agglomération de matière et, eux ou d’autres, peuvent disparaître aussi vite par dispersion de cette matière vers les anneaux. De ce fait on ne saura probablement jamais le décompte exact des satellites de Saturne, car c’est un nombre qui change constamment ! Les interactions gravitationnelles entre Saturne, ses satellites et ses anneaux sont très complexes. Un seul exemple : tous les gros satellites des planètes du système solaire sont en rotation « synchrone » autour de leurs planètes respectives. C’est vrai aussi pour Saturne mais, ce qui est totalement inhabituel et/ou apparemment anormal c’est qu’une bonne dizaine de très petits satellites de Saturne sont également en rotation synchrone. Il est vraisemblable que le confinement dans (ou à proximité) des anneaux, associé aux forces de marée de Saturne, contribuent à cette stabilité jamais vue ailleurs avec des satellites de moins de 300 km de diamètre. Ces mini-satellites synchrones ne sont absolument pas sphériques (plutôt « patatoïdes ») et ont des dimensions extrêmes allant de 179  et 113 km de long pour les 2 plus grands (Janus et Épiméthée) jusqu’à 500 mètres de largeur pour le plus petit (Égéon).

Le voyage de Cassini a pris fin le 15 septembre 2017 quand, à court de carburant, la sonde est allée volontairement se désintégrer dans la haute atmosphère de Saturne. 20 ans dans l’espace dont treize autour de Saturne. Une moisson extraordinaire d’informations, de mesures, de photos a été réalisée au long de ces 13 ans. Parmi toutes les données que nous connaissons à ce jour sur cette planète, on en doit au moins 95% à Cassini et Huygens.

Ci-dessous, 2 vidéos de la NASA préfigurant les derniers instants de Cassini autour de Saturne. Le premier montre un passage de Cassini entre la planète et l’anneau D (le plus proche de la surface de Saturne) le 26 avril 2017. Ce passage sera répété 22 fois avant le plongeon final du 15 septembre 2017. Le second, un peu plus long, montre l’odyssée de Cassini de son lancement à sa fin programmée.

↑  La toute dernière photo faite par Cassini avant son ultime plongeon dans l’atmosphère de Saturne

Vous pouvez aussi consulter nos documents pdf :
Saturne (160 pages)
The Saturn System [par la NASA] en anglais (110 pages)
ainsi que notre document Powerpoint :
• Saturne et la complexité du système saturnien (Nuits de l’Astro 2017)

 

 

2) Localisation :

Maquette parcours : Vous êtes à 507,56 mètres de notre Soleil de 50 cm de diamètre. La planète Saturne a un diamètre de 43,05 mm (sans ses anneaux).

Réalité cosmique : Vous êtes à 1,42 milliard de km (9,53 UA) du Soleil de 1.392.684 km de diamètre. La planète Saturne a un diamètre de 120.536 km (sans ses anneaux).

Allez vers la septième planète…

 

 

3) Illustrations :

L’incroyable finesse des anneaux de Saturne, vus ici par la « tranche »  ↓

Saturne, vue par la sonde Cassini  ↓

La dernière photo par Cassini de la globalité des anneaux, prise le 12/9/2017, 3 jours avant son auto-destruction ↓

Les principaux anneaux de Saturne en partant de la planète. Ils ne sont pas nommés dans l’ordre alphabétique, mais dans l’ordre chronologique de leur découverte ↓

L’ouverture des anneaux de Saturne : Il faut presque 30 ans à Saturne pour réaliser une orbite autour du Soleil. Vus de notre observatoire mobile (la Terre), les anneaux nous apparaissent sous un angle variable.

↑   Le montage photographique de Damian Peach débute en haut à gauche en 2004 et s’achève en bas à droite en 2029. En 2004 la face sud des anneaux est parfaitement visible, le maximum d’ouverture s’étant produit l’année précédente. L’inclinaison des anneaux n’a cessé de diminuer jusqu’au mois de septembre 2009, période pendant laquelle on voyait les anneaux par la tranche. Ensuite l’inclinaison des anneaux a repris dans l’autre sens, nous dévoilant leur face nord. L’ouverture des anneaux se poursuit jusqu’en 2017, puis va se remettre à décroître jusqu’au mois de mars 2025 où nous reverrons les anneaux par la tranche (donc on ne les verra pas !!).

 

Le satellite Japet, dont la face avant est noircie par les poussières qu’il reçoit dans l’anneau de Phœbé ↓

Le satellite Mimas, environ 400 km de diamètre et son énorme cratère Herschel, fruit d’une collision passée avec un très gros astéroïde ↓

Le satellite Hypérion, ovoïde, spongieux, avec une rotation sur lui-même très chaotique lors de sa révolution autour de Saturne ↓

Le satellite Pan, 30 km de large et 20 d’épaisseur, dans la division d’Encke, elle-même dans l’anneau A. On voit la finesse de l’anneau A grâce à l’ombre que Pan projette sur l’anneau en lumière rasante ↓

Titan, le plus gros satellite de Saturne et le second de tout le système solaire (après Ganymède, satellite de Jupiter). Il est plus gros que la planète Mercure ! On distingue bien sur cette photo de Cassini l’atmosphère dense de Titan, essentiellement composée d’azote, d’argon et de méthane ↓

Légendes de la « coupe » de Titan ↑
Sous le titre : Modèle d’un océan dense totalement différencié – À l’échelle
A partir du haut, dans le sens des aiguilles d’une montre :
Glace compressée (cristaux tétragonaux) – Océan d’eau liquide – Glace normale (cristaux hexagonaux) – Surface – Atmosphère : Basse atmosphère – Épaisses brumes de tholins – Haute atmosphère.
Au centre : Cœur rocheux (silicates hydratés).

↑ Le satellite Encelade, environ 500 km de diamètre. C’est l’objet le plus lumineux du système solaire (hors le Soleil lui-même). Il est couvert de glace. Sous cette croûte se trouverait un océan liquide profond (environ 10 km de profondeur) qui produit à la surface des « geysers froids » qui envoient de l’eau qui se sublime immédiatement en glace et retombe à la surface de cette lune ↓

L’extraordinaire et gigantesque anneau de Phœbé (environ 24 millions de km de diamètre et 2,4 millions de km d’épaisseur). Il n’est pas dans le plan équatorial des autres anneaux de Saturne, mais incliné à 27° par rapport à eux. Par contre il est presque aligné sur le plan de l’écliptique. Presque invisible sauf en infrarouge. S’il était visible depuis la Terre, il aurait dans notre ciel (malgré la distance) une taille double de celle de la pleine lune ↓

 

 

4) Données chiffrées concernant Saturne :