LES ANNEAUX DES PLANETES

1. DÉCOUVERTE ET OBSERVATION

Les anneaux de Saturne sont observés depuis le 17^èmesiècle et sont restés les seuls anneaux connus jusqu'aux dernières années du 20^ème siècle. Nous savons maintenant que toutes les planètes géantes du système solaire possèdent un système d'anneaux.

Quand Galilée observe Saturne en 1610, il ne comprend pas pourquoi la planète apparaît aplatie. C'est Huygens, qui suggérera que " la planète est entourée d'un anneau plat qui ne touche pas la planète ". Il pensait que l'anneau de Saturne était un objet solide. Cassini découvre la division qui porte son nom et Laplace propose que la planète soit entourée d'un grand nombre d'anneaux solides, mais les travaux de Roche en 1849, puis de Maxwell, en 1857, montrèrent que seul, un anneau constitué de particules isolées, pouvait être stable.

Les anneaux d'Uranus sont découverts de la Terre grâce à une technique qui révèlera aussi les anneaux de Neptune : les occultations stellaires. Le passage de la planète devant une étoile est observé pour étudier la haute atmosphère. L'enregistrement en photométrie rapide du flux de l'étoile fournit une coupe très précise dans le système. Le 10 mars 1977, la courbe de lumière montre neuf brèves extinctions de l'étoile avant et après la disparition de l'étoile derrière la planète. De plus, la courbe de lumière, portée en fonction de la distance au centre de l'étoile, montre que ces baisses de signal correspondent à des rayons semblables : donc Uranus est entourée d'un système de neuf anneaux très étroits et presque circulaires.

Les anneaux de Jupiter furent les seuls à être découverts par une sonde spatiale, Pioneer 10, qui, en décembre 1974, enregistra une baisse inattendue du flux de particules à l'intérieur de l'orbite d'Amalthée. L'hypothèse faite alors de la présence d'un anneau ne fut confirmée qu'en 1979 par une image de Voyager 1. L'anneau, constitué de poussières, n'est bien visible qu'en diffusion vers l'avant et sur des images à longue pause.

C'est une occultation stellaire qui permettra en 1984, d'identifier les anneaux de Neptune. En 1981, une étoile très brillante avait traversé tout le plan équatorial de la planète sans être interrompue et l'on en conclut que Neptune n'avait pas d'anneaux. Mais le 22 juillet 1984, une étoile, venue visiter le voisinage de Neptune, montre une brève extinction d'un côté de la planète sans être interrompue de l'autre côté, là où elle aurait dû recouper un éventuel anneau. De plus, deux observatoires proches annoncèrent avoir vu la même chose, presque simultanément. Cela montrait qu'il ne s'agissait pas d'un artefact et que Neptune possédait des anneaux qui ne faisaient pas le tour de la planète. On appela ces anneaux incomplets des arcs.

La plupart des connaissances que nous avons sur les anneaux de Saturne et Jupiter vient des sondes Pionner et Voyager. Les anneaux d'Uranus et de Neptune ont été étudiés par Voyager 2 mais ont aussi été explorés du sol grâce aux occultations stellaires : les deux approches sont complémentaires. Les occultations, en donnant des coupes précises dans le système, ont permis de connaître les orbites, largeurs et profondeurs optiques avec une très grande précision. Les images des sondes ont donné une vision globale des systèmes d'anneaux et ont découvert les anneaux de poussière indétectables par occultation. La sonde Voyager 2 n'aurait pas vu les anneaux de Neptune, si elle n'avait pas été reprogrammée à la suite des observations d'occultations.

Les grands télescopes, associés à l'optique adaptative et le Télescope Spatial Hubble permettent maintenant de détecter les anneaux d'Uranus, de Jupiter et les arcs de Neptune du sol. La sonde Cassini, qui sera en orbite autour de Saturne de 2004 à 2008, permettra une avancée décisive dans notre connaissance des anneaux et nous permettra, en particulier de " voir " à quoi ressemble une particule de ces anneaux.

2. COMPOSITION, TAILLE ET NATURE DES PARTICULES

Les particules des anneaux de Saturne sont brillantes et composées à plus de 90 pour cent de glace d'eau. Les données obtenues concernant la nature des particules des anneaux concernent les particules dans leur ensemble et aucune particule individuelle n'a encore été observée. Les mesures radar montrent que leur taille va du centimètre au mètre mais des particules de quelques microns sont aussi présentes. Cependant il se pourrait que ces particules soient à la surface d'agrégats beaucoup plus gros qui seraient poreux et instables. Des petits satellites, de quelques centaines de mètres à quelques kilomètres pourraient aussi être présents dans les anneaux, comme Pan, satellite de10 km, découvert dans la division de Encke de l'anneau A de Saturne.

Les particules des anneaux de Jupiter sont plus sombres que celles des anneaux de Saturne, et sont composées probablement de silicates. Les anneaux de Jupiter et les anneaux diffus de Saturne sont composés principalement de particules microscopiques. Les arcs de Neptune sont aussi faits de poussière issue de collisions entre des corps parents plus gros et invisibles. Les anneaux d'Uranus sont constitués de particules de plusieurs centimètres très sombres et d'une toute petite proportion de poussières.

Les paramètres physiques des anneaux sont donnés dans les pages encyclopédiques. Cliquez ci-après pour y accéder directement : anneaux de Jupiter, de Saturne, d'Uranus et de Neptune.

3. POURQUOI LES ANNEAUX EXISTENT-ILS ?

Le premier mécanisme à prendre en compte pour comprendre les anneaux est l'effet de marée dû à l'attraction différentielle de la planète.

Dans un anneau qui serait situé loin de la planète, les collisions amèneraient les particules à s'accréter et l'anneau formerait très rapidement un satellite : certains satellites, comme Miranda, ont une surface semblable à un patchwork, ce qui montre qu'ils ont été détruits puis se sont reformés après être passés par un état intermédiaire d'anneau.

Si l'anneau est à proximité de la planète, la différence entre les forces d'attraction de la planète sur deux particules proches est supérieure à l'attraction gravitationnelle mutuelle entre les deux particules, ce qui empêche l'accrétion des particules.

La distance à laquelle ces deux effets s'annulent s'appelle la limite de Roche. Le rayon de Roche vaut approximativement (4M/ρ) puissance (1/3), où M est la masse de la planète et rho la densité de l'objet. Un anneau n'est stable qu'à l'intérieur de cette limite. Les quatre systèmes d'anneaux se trouvent à l'intérieur de la limite de Roche. L'anneau F de Saturne, qui se trouve juste à l'extérieur de cette limite, présente des accumulations de matière qui pourraient être l'état intermédiaire entre un anneau et un satellite.

4. POURQUOI SONT-ILS PLATS ?

Les anneaux de Saturne ont moins d'un kilomètre d'épaisseur et peuvent localement, être beaucoup plus minces. Les anneaux d'Uranus ne font que quelques dizaines de mètres d'épaisseur.

Les disques et les anneaux sont la conséquence naturelle de la dissipation de l'énergie par collisions dans les systèmes en rotation. Les collisions vont tendre à réduire les mouvements perpendiculaires au plan équatorial et un nuage de corps autour d'une planète aplatie va très rapidement former un anneau dans le plan équatorial de la planète.

Si une particule s'éloigne du disque, elle aura des collisions à chaque traversée du disque qui la ramèneront dans le plan du disque.

Si l'anneau s'éloigne du plan équatorial, les orbites des particules vont précesser à cause de l'aplatissement de la planète, c'est-à-dire qu'elles vont se décaler les unes par rapport aux autres, et les collisions qui vont en résulter vont ramener les particules dans le plan équatorial.

Après s'être aplati, l'anneau va s'étaler, sur une échelle de temps beaucoup plus longue. L'état naturel d'un anneau est donc d'être plat large, régulier et de s'étaler jusqu'à la limite de Roche, puis de se transformer en satellite en sortant de la limite de Roche.

5. POURQUOI Y-A-T-IL DES ANNEAUX ETROITS ? DES ARCS ?

Si les anneaux de Saturne sont, à première approximation, proches de l'anneau " idéal ", les observations montrent qu'ils sont en réalité composés d'une multitude de structures fines, anneaux étroits, ondulations verticales, anneaux vides aux bords très nets et localement ondulés ou ondes spirales. Les anneaux d'Uranus sont très étroits et les arcs de Neptune sont incomplets. Toutes ces structures sont instables et disparaîtraient très rapidement si aucun mécanisme ne les maintenait en place.

Un anneau incomplet isolé est aussi une structure hautement instable puisque des particules dont les demi grands axes sont différents vont tourner à des vitesses différentes autour de la planète et très rapidement reformer un anneau.

Le rôle de sculpteur et de gardien de ces structures est principalement joué par des satellites. Les outils utilisés sont la gravité et les résonances. Il y a résonance quand la période orbitale de la particule est commensurable avec la période du satellite, c'est-à-dire quand la particule fait n+/-p révolutions pendant que le satellite en fait n, avec n et p entiers.

La perturbation due au passage d'un satellite se traduit pour la particule par une orbite légèrement excentrique et légèrement éloignée du satellite. Si des collisions recircularisent son orbite, l'effet net pour la particule sera un léger éloignement du satellite.

Pour les particules de l'anneau en résonance avec un satellite, les perturbations du satellite se cumulent. Cet effet paradoxal de répulsion explique l'existence d'anneaux étroits confinés par deux satellites " bergers ", comme c'est le cas pour l'anneau F de Saturne et certains anneaux d'Uranus. Cet effet explique aussi les anneaux vides, comme la division de Encke maintenue par le satellite Pan, qui orbite à l'intérieur.

Cet effet joue si le satellite est proche de l'anneau, mais aussi s'il est loin et massif. Par exemple, le bord intérieur de la division de Cassini est confiné par la résonance 2 : 1 avec Mimas.

Quand la perturbation d'un satellite se propage par autogravitation au voisinage de la résonance, il se crée une onde de densité, ou une ondulation si le satellite est incliné. Plusieurs ondes de ce type sont visibles dans l'anneau A de Saturne, et sont situées à des résonances avec des satellites connus.

La stabilité des arcs comme ceux de Neptune s'explique aussi par la présence d'un satellite berger, Galatéa.

Cependant, si les mécanismes semblent compris, la pièce manque d'acteurs, c'est-à-dire que plusieurs structures sont observées sans que les satellites responsables n'aient été trouvés.

6. ORIGINE ET FORMATION

Les anneaux de Saturne ont, comme les satellites, des orbites progrades, équatoriales et presque circulaires. La question qui apparaît tout de suite est de savoir s'ils sont le résidu du " disque protosatellitaire " gelé par la proximité de la planète, ou s'ils sont dus à la destruction d'un objet préexistant ?

Les anneaux de poussière posent un problème particulier : les particules des anneaux D, E, F, et G de Saturne, et de l'anneau de Jupiter sont sensibles à des forces non-gravitationnelles qui les éliminent rapidement. La poussière observée est donc re-alimentée en permanence par des impacts de météorites sur des corps plus gros, sur des satellites, ou par des collisions entre des corps plus gros et la question de leur origine est reportée sur celle de l'origine des corps parents.

L'étude des forces qui gouvernent les anneaux montre que les échelles de temps d'évolution sont beaucoup plus courtes que 4,5 milliards d'années, l'âge du système solaire.

Les particules des anneaux de Saturne sont brillantes, or le bombardement par des micrométéorites les aurait assombries en moins de 100 millions d'années. De plus l'érosion due à ces micrométéorites les aurait fait disparaître en un temps comparable.

Une autre échelle de temps à considérer est celle de l'évolution des satellites. Si un satellite berger repousse le bord de l'anneau, l'anneau repousse le satellite. Les satellites qui confinent le bord extérieur de l'anneau de Saturne sont en train d'être éjectés. L'échelle de temps est ici aussi de l'ordre de la centaine de millions d'années.

On en conclut que les anneaux ont été détruits et reformés plusieurs fois durant la vie du système solaire.

Les anneaux pourraient être un satellite proche de Saturne, qui aurait été détruit par une collision. Cependant, la probabilité d'une collision destructrice d'un satellite de 200 km de rayon, nécessaire pour former les anneaux, est très faible dans les 100 derniers millions d'années.

Le scénario alternatif d'une comète détruite par effet de marée en passant au voisinage de Saturne est aussi assez difficile à monter. Il reste donc du travail pour comprendre l'origine des anneaux de Saturne.

Les hypothèses ci-dessus s'appliquent cependant plus facilement aux autres systèmes d'anneaux beaucoup moins massifs que le système de Saturne.

7. CONCLUSION

Les quatre planètes géantes possèdent un système d'anneaux, tous très différents les uns des autres, en taille, composition ou masse.

Une constante dans les quatre systèmes est le rôle primordial joué par les interactions entre les anneaux et les satellites. Les satellites sculptent et confinent les anneaux. Les anneaux qui sortent de la limite de Roche se transforment en satellites. Des satellites, détruits par collision, pourraient être à l'origine des anneaux.

Les anneaux sont un remarquable laboratoire d'étude des disques et permettent d'étudier des mécanismes en jeu dans les galaxies, les disques circumstellaires ou les disques d'accrétion. En particulier, les phénomènes visibles au voisinage de la limite de Roche sont certainement à considérer quand on cherche à comprendre la formation des planètes.

Vous pouvez consulter directement d'autres images des anneaux en cliquant ci-après : anneaux de Saturne, division de Cassini, "spokes" dans les anneaux; anneaux de Jupiter et anneaux de Neptune entrelacés.

Crédit : Françoise Roques/Observatoire de Paris