Une « rencontre rasante » a peut-être réduit la Lune en morceaux pour former les anneaux de Saturne, selon une nouvelle étude –


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  • Tourbillonnant autour de l’équateur de la planète, les anneaux de Saturne sont un signe mort que la planète tourne à une inclinaison. Le géant ceinturé tourne à un angle de 26,7 degrés par rapport au plan dans lequel il orbite autour du soleil. Les astronomes soupçonnent depuis longtemps que cette inclinaison provient d’interactions gravitationnelles avec son voisin Neptune, car l’inclinaison de Saturne précède, comme une toupie, à peu près au même rythme que l’orbite de Neptune.

    Mais une nouvelle étude de modélisation menée par des astronomes du MIT et d’ailleurs a révélé que, bien que les deux planètes aient pu être synchronisées autrefois, Saturne a depuis échappé à l’attraction de Neptune. Qu’est-ce qui était responsable de ce réalignement planétaire ? L’équipe a une hypothèse méticuleusement testée : une lune manquante.

    Dans une étude parue dans La science, l’équipe propose que Saturne, qui abrite aujourd’hui 83 lunes, en abritait autrefois au moins une de plus, un satellite supplémentaire qu’ils nomment Chrysalis. Avec ses frères et sœurs, les chercheurs suggèrent que Chrysalis a tourné autour de Saturne pendant plusieurs milliards d’années, tirant et tirant sur la planète d’une manière qui a maintenu son inclinaison, ou « obliquité », en résonance avec Neptune.

    Mais il y a environ 160 millions d’années, estime l’équipe, Chrysalis est devenue instable et s’est trop rapprochée de sa planète lors d’une rencontre rasante qui a séparé le satellite. La perte de la lune a suffi à retirer Saturne de l’emprise de Neptune et à lui laisser l’inclinaison actuelle.

    De plus, les chercheurs supposent que si la majeure partie du corps brisé de Chrysalis a pu avoir un impact sur Saturne, une fraction de ses fragments aurait pu rester suspendue en orbite, se brisant finalement en petits morceaux de glace pour former les anneaux emblématiques de la planète.

    Le satellite manquant pourrait donc expliquer deux mystères de longue date : l’inclinaison actuelle de Saturne et l’âge de ses anneaux, qui étaient auparavant estimés à environ 100 millions d’années, bien plus jeunes que la planète elle-même.

    « Tout comme la chrysalide d’un papillon, ce satellite a longtemps dormi et est soudainement devenu actif, et les anneaux ont émergé », explique Jack Wisdom, professeur de sciences planétaires au MIT et auteur principal de la nouvelle étude.

    Les co-auteurs de l’étude sont Rola Dbouk du MIT, Burkhard Militzer de l’Université de Californie à Berkeley, William Hubbard de l’Université d’Arizona, Francis Nimmo et Brynna Downey de l’Université de Californie à Santa Cruz, et Richard French du Wellesley College.

    Un moment de progrès

    Au début des années 2000, les scientifiques ont avancé l’idée que l’axe incliné de Saturne résultait du fait que la planète était piégée dans une résonance, ou association gravitationnelle, avec Neptune. Mais les observations prises par le vaisseau spatial Cassini de la NASA, qui a orbité autour de Saturne de 2004 à 2017, ont donné une nouvelle tournure au problème. Les scientifiques ont découvert que Titan, le plus gros satellite de Saturne, s’éloignait de Saturne à un rythme plus rapide que prévu, à un rythme d’environ 11 centimètres par an. La migration rapide de Titan et son attraction gravitationnelle ont conduit les scientifiques à conclure que la lune était probablement responsable de l’inclinaison et du maintien de Saturne en résonance avec Neptune.

    Mais cette explication repose sur une inconnue majeure : le moment d’inertie de Saturne, qui correspond à la répartition de la masse à l’intérieur de la planète. L’inclinaison de Saturne pourrait se comporter différemment selon que la matière est plus concentrée en son cœur ou vers la surface.

    « Pour avancer sur le problème, nous avons dû déterminer le moment d’inertie de Saturne », explique Wisdom.

    L’élément perdu

    Dans leur nouvelle étude, Wisdom et ses collègues ont cherché à déterminer le moment d’inertie de Saturne en utilisant certaines des dernières observations prises par Cassini dans sa « Grande Finale », une phase de la mission au cours de laquelle le vaisseau spatial a fait une approche extrêmement proche pour cartographier précisément le champ gravitationnel autour de la planète entière. Le champ gravitationnel peut être utilisé pour déterminer la répartition de la masse dans la planète.

    Wisdom et ses collègues ont modélisé l’intérieur de Saturne et identifié une distribution de masse qui correspondait au champ gravitationnel observé par Cassini. Étonnamment, ils ont découvert que ce moment d’inertie nouvellement identifié plaçait Saturne près de, mais juste en dehors de la résonance avec Neptune. Les planètes ont peut-être été synchronisées, mais ne le sont plus.

    « Ensuite, nous sommes allés à la recherche de moyens de sortir Saturne de la résonance de Neptune », explique Wisdom.

    L’équipe a d’abord effectué des simulations pour faire évoluer la dynamique orbitale de Saturne et de ses lunes dans le temps, pour voir si des instabilités naturelles parmi les satellites existants auraient pu influencer l’inclinaison de la planète. Cette recherche est restée vide.

    Ainsi, les chercheurs ont réexaminé les équations mathématiques qui décrivent la précession d’une planète, c’est-à-dire la façon dont l’axe de rotation d’une planète change au fil du temps. Un terme de cette équation a des contributions de tous les satellites. L’équipe a estimé que si un satellite était retiré de cette somme, cela pourrait affecter la précession de la planète.

    La question était de savoir quelle masse devait avoir ce satellite et quelle dynamique devait-il subir pour sortir Saturne de la résonance de Neptune ?

    Wisdom et ses collègues ont effectué des simulations pour déterminer les propriétés d’un satellite, telles que sa masse et son rayon orbital, ainsi que la dynamique orbitale qui serait nécessaire pour faire sortir Saturne de la résonance.

    Ils concluent que l’inclinaison actuelle de Saturne est le résultat de la résonance avec Neptune et que la perte du satellite, Chrysalis, qui avait à peu près la taille d’Iapetus, la troisième plus grande lune de Saturne, lui a permis d’échapper à la résonance.

    Il y a entre 200 et 100 millions d’années, Chrysalis est entrée dans une zone orbitale chaotique, a connu un certain nombre de rencontres rapprochées avec Japet et Titan, et s’est finalement approchée trop près de Saturne, dans une rencontre rasante qui a déchiré le satellite en morceaux, laissant une petite fraction faire le tour de la planète comme un anneau jonché de débris.

    La perte de Chrysalis, ont-ils découvert, explique la précession de Saturne et son inclinaison actuelle, ainsi que la formation tardive de ses anneaux.

    « C’est une assez bonne histoire, mais comme tout autre résultat, elle devra être examinée par d’autres », déclare Wisdom. « Mais il semble que ce satellite perdu n’était qu’une chrysalide, attendant d’avoir son instabilité. »

    Cette recherche a été soutenue, en partie, par la NASA et la National Science Foundation.

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