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Saturne

Les éléments en gras sont tirés du livre Allen’s astrophysical quantities, quatrième édition

Particularités

Saturne est particulière à plus d’un titre : tout d’abord, avec la première lunette fabriquée, elle montrait des oreilles ! Bien sûr, le pouvoir séparateur de cet instrument étant médiocre, il était impossible de voir l’espace entre l’anneau et la planète, et cet aspect aberrant a disparu avec des moyens meilleurs. Ceci pour l’aspect visuel. Mais si on étudie maintenant la densité de la planète, on la trouve de 0,7. Pardon ? 0,7 est inférieur à 1, donc sa masse volumique est inférieure à celle de l’eau… Un litre de la matière de Saturne ne pèserait que 700 grammes ! Il s’ensuit que si l’on disposait d’une grande baignoire (vraiment très grande) on pourrait y faire flotter Saturne…

Atmosphère composée essentiellement d’hydrogène (89 %), d’hélium, d’ammoniac et de méthane.

Le niveau zéro des altitudes est défini par l’endroit où la température s’inverse. La température, comme sur Terre, diminue avec l’altitude. Et comme sur Terre également, elle recommence à croître à partir d’une certaine hauteur : sur Terre, c’est vers 30 km d’altitude dans la stratosphère. Normalement, la température devrait continuer à chuter en se diluant dans l’espace, mais les gaz de la très haute atmosphère absorbent l’utraviolet du Soleil (et nous protègent), ce qui les chauffe. Plus bas, il n’y a plus d’UV, donc plus de chauffage et la température baisse, jusqu’à ce que l’effet de serre la fasse croître à nouveau.

Sur Saturne, c’est le méthane qui fait augmenter la température dans la stratosphère. Il produit également des brumes d’hydrocarbures.

Le méthane est à l’état gazeux, car la température est trop élevée pour qu’il soit liquide.

NASA/JPL/Space Science Institute

Les nuages sont composés de cristaux d’ammoniac, qui lui donnent sa teinte jaunâtre. Son atmosphère est en rotation rapide en 10 h 40 mn, donc elle montre un aplatissement très marqué. On y voit des bandes parallèles à l’équateur. Le Mistral est violent sur Saturne, puisque les vents atteignent 1.800 km/h à l’équateur ! La circulation s’étendrait jusqu’à 1.000 ou 2.000 km de profondeur.

Saturne tournant autour du Soleil à la distance respectable de 1.400 millions de km, il lui faut 30 ans pour en faire un tour, donc 30 ans pour parcourir 360° sur le ciel. Elle parcours donc 360/30 = 12° à peu près chaque année. Ceci correspond grossièrement à la taille d’une constellation, ce qui fait que Saturne en visite ainsi une par an. Elle reçoit (1.400 / 150)² = 9,33² = 87 fois moins d’énergie que la Terre. Sa température moyenne est de -125°.

De magnitude 1, on peut envisager de la photographier de la même manière que Jupiter.

Saturne émet 2 fois plus d’énergie qu’elle n’en reçoit du Soleil, et elle brille en infrarouge. L’origine de cette énergie n’est pas connue précisément à l’heure actuelle.

Schéma de l’intérieur de Saturne

Dans la zone d’hydrogène métallique, des goutelettes d’hélium se forment, et tombent en pluie ! Ceci est sans doute une source d'énergie, mais est-elle suffisante ?

L’axe de rotation de la planète est incliné de 27° sur le plan orbital ; elle nous présente donc les anneaux sous des aspects changeants ; ils sont parfois vus de dessus, parfois de dessous, et tous les quinze ans, la Terre passe par le plan des anneaux, qui disparaissent alors à notre vue pendant quelques temps. Ceci prouve que les anneaux sont très minces. Ce sont de véritables lames de rasoir : ils s’étendent de 12.000 à plus de 300.000 km de la surface de la planète, mais n’ont que 200 mètres d’épaisseur !

Les aurores

Saturne présente une magnétosphère importante, car elle a un champ magnétique important (un peu moins que celui de la Terre). Le vent solaire interagit avec cette magnétosphère, exactement comme avec celle de la Terre, et produit également des aurores polaires. Les sondes spatiales qui voyagent dans le secteur sont capables de les enregistrer :

Crédit : NASA/JPL/University of Colorado

Les anneaux

L’anneau de Saturne est divisé en 8 régions. Cassini a observé deux anneaux distincts, séparés par un espace vide nommé par la suite division de Cassini. L’anneau le plus externe est désigné par la lettre A, le plus interne par B. Ensuite, on a découvert un anneau plus interne encore, qui a été désigné anneau C. Puis les sondes spatiales ont montré un anneau plus interne encore, qui a tout naturellement été désigné par D. Enfin, des anneaux extérieurs ont été mis en évidence, et nommés F, G et E, dans l ’ordre de leur éloignement croissant. L’histoire de la découverte explique une incohérence apparente dans les noms des anneaux.

Les anneaux sont constitués de milliards de petits satellites, dont la taille est très variable : les plus petits sont de minuscules poussières, comparables à de la fumée de cigarette, alors que les plus gros atteignent les 10 mètres. Tous ces fragments constituent la matière dont sont formées les planètes, ils auraient donc pu s’agglomérer pour former un corps plus gros. Ceci n’a pas été le cas, à cause des forces de marées : nous avons vu que la vitesse de rotation autour du Soleil ou d’une planète est d’autant plus élevée que l’on tourne plus près, ceci pour équilibrer une gravité plus intense. Prenez un corps (satellite) de 100 km de diamètre, et considérez son point le plus proche de Saturne, et son point le plus lointain (au centre de la face opposée à Saturne) ; entre ces deux points, la différence de distance à la planète est donc de 100 km, et par conséquent ils ne devraient pas tourner à la même vitesse. Il s’ensuit une force qui tend à les séparer ; si cette force est plus importante que la force de cohésion du matériau, il va se briser. La distance minimale à laquelle un corps de taille importante peut exister autour d’un astre central est nommée limite de Roche, du nom de celui qui a compris ce mécanisme au 19^ème siècle.

NASA/JPL/Space Science Institute

Des travaux très importants ont été faits au début du siècle par de grands mathématiciens (Poincaré…) pour définir théoriquement la forme des anneaux de Saturne. Mais lorsque la sonde Voyager 1 est arrivée à proximité de la planète, on a vu que les formes prévues n’étaient pas les bonnes ; il a donc fallu expliquer pourquoi, et c’est la présence de satellites proches ou au sein même des anneaux qui a donné la réponse à ce problème : par leur attraction, les satellites provoquent des résonances dans les orbites des poussières, et les obligent à suivre certaines trajectoires particulières.

Les désignations indiquées plus haut se rapportent à l’aspect global des anneaux, mais vus de plus près, les anneaux ne sont pas 8, mais des milliers, séparés par des lacunes, espaces vides où un objet ne peut se maintenir, étant rapidement chassé par les perturbations dues aux satellites.

Les anneaux A et B sont contitués essentiellement de glace d’eau. Les glaçons vont de la taille d’une poussière (1mm), jusqu’à celle d’une maison, mais la plupart sont de taille centimétrique. On connait mal la taille des particules qui circulent dans les anneaux C, D et F. Les anneaux G et E sont faits de particules micrométriques, de composition inconnue.

Les anneaux A et B présentent, de près, une riche structure radiale, probablement d’origine gravitationnelle, due aux satellites proches. Mais on y observe aussi des ombres en forme de doigt, évanescentes, et alignées à peu près radialement. L’analyse de ces structures dans le temps montre qu’elles sont plus stables que la rotation des anneaux ne le permettrait. La partie d’un doigt proche de Saturne tourne beaucoup plus rapidement autour de la planète que la partie la plus éloignée. Il devrait en résulter un effilochement du doigt, qui se déformerait rapidement en s’allongeant en spirale. Ce n’est pas le cas. Donc, les doigts ne sont pas des concentrations de matière, mais une transformation provisoire qui s’applique lorsque les particules passent dans cette région. Il s’agit donc sans aucun doute d’une perturbation magnétique des poussières. Il reste à savoir quelle est l’origine de ce champ. On est tout de même à l’intérieur de la magnétosphère de la planète, mais la compréhension des phénomènes n’atteint pas encore ce niveau de finesse.

Les satellites de Saturne

Saturne compte plus de 60 satellites, allant de Titan, le plus gros, à Télesto, qui ne fait que 28 km de diamètre. Ce nombre est susceptible d’évoluer encore, car des structures présentées par les anneaux s’expliqueraient bien par la présence de petits satellites non encore observés. Quelques tout petits satellites ont été vus une fois ou deux, mais pas suffisamment pour en produire une orbite. De ce fait, ils ne sont pas référencés.

schéma NASA

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