les anneaux de saturne, d`uranus et de jupiter.

LES ANNEAUX DE SATURNE, D’URANUS ... ET
DE JUPITER.
A. Brahic
To cite this version:
A. Brahic. LES ANNEAUX DE SATURNE, D’URANUS ... ET DE JUPITER.. Journal
de Physique Colloques, 1980, 41 (C3), pp.C3-1-C3-16. <10.1051/jphyscol:1980301>. <jpa00219820>
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Colloque C3, supplément au n 4 , Tome 41, avril 1980, page C3-1
JOURNAL DE PHYSIQUE
LES ANNEAUX DE SATURNE,
O
D'URANUS
,
ET DE J U P I T E R ,
A. Brahic
Observatoire de Paris, Université Paris V I I , 92190 Meudon, France
Fig. 1.-
Les anneaux de Saturne.
L'exploration actuelle du système solaire est une aventure aussi passionnante
que la découverte de l'Amérique il y a
quelques siècles, Grâce aux sondes spatiales et au développement de nouveaux instruments, nous avons la chance de faire partie
de la génération qui assiste et participe
à la naissance d'une nouvelle discipline :
la Planétologie, C'est le type même de
science pluridisciplinaire, elle se trouve
au carrefour de l'astrophysique, de la
géophysique, de la r~inéralogie,de la météorologie, de la climatologie, de la
La Planétologie
chimie, de la biologie,
s'efforce de répondre à de nombreuses questions fondamentales gui préoccupent l'humanité depuis des millénaires telles que
l'origine du système solaire, l'histoire
de la Terre et de la Lune, l'apparition de
la vie, en un mot aux questions "Qui sommes
nous ? D'oïi venons nous ? Où allons nous ?"
La Planétologie permet une étude comparative de phénomènes jusque là observés seulenent sur Terre. On assiste à la naissance
de-la ,g&crïogie -compa&e, de ra méte'orologie comparée, de la climatologie comparée,
La Planétologie présente de nombreuses
...
...
Photo de l'anneau de Saturne prise par
l a sonde Pionner 1 1 .
Fig. 29.-
retombées pratiques concernant unemeilleure
connaissance de notre planète et est une
porte ouverte à l'exploration future.
1. Les anneaux planétaires.- Parmi les
nombreuses découvertes récentes dans le
donaine de la Planétologie, les anneaux des
planètes occupent une place de choix.Depuis
son annonce, le titre de cette conférence
est déjà dépassé. Alors que les anneaux de
Saturne sont connus depuis plus de 3 siècles, ceux d'Uranus n'ont été découverts
qu'en 1 9 7 7 à l'occasion de l'observation
d'une occultation d'étoile et ceux de
Jupiter en mars 1 9 7 9 par lasonde Voyager 1..
La question de savoir si Neptune est-elle
aussi entourée d'anneaux se pose maintenant.
L'occultation d'une étoile pax Neptune le
20 Février 1 9 8 0 sera peut-être l'occasion
d'une nouvelle découverte.
Alors qu'on se denandait, il y a quelques années, pourquoi Saturne était la
seule planète entourée d'anneaux, l'existerr
ce d'anneaux autour des planètes géantes
paraît maintenant naturelle. Ceci n'est en
ef%èt pas étonnant : trës près d'une planète, les forces de marées (c'est-à-dire
l'attractiongravitationnelle différentielle
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1980301
C3-2
JOURNAL DE PHYSIQUE
de la planète en chaque point d'une particule) empêchent la formation de tout satellite et brisent tout corps de grosse taille
(voir figure 2) Par ailleurs les collisions
.
Fig. 2.- Le mathématicien français Reche adémontré
en 1850 qu'il existait autour d'une planète de
rayon R et de densité p une limite d (appelée depuis
limite de Reche) en deçà de laquelle tout satellite
liquide de densité p ' est brisé par l'attraction
différentielle de la planète. d = 2,4554 ~ - P / P ' Cette relation est obtenue en comparant l'attraction différentielle de la planète sur lesdifférents
points du satellite avec l'attraction propre du
satellite. Dans le cas d'un satellite solide, il
faut rajouter les forces de cohésion du satellite,
on trouve qu'à l'intérieur de la limite de Reche,
un corps solide ne peut pas dépasser une certaine
dimension (par exemple 200 km pour du granit autour
de Saturne). Si la Lune était à moins de 18 000 km
de la Terre (au lieu de 400 OOO), elle serait brisée en morceaux.
a
inélastiques entre les particules en orbite
autour d'une planète conduisent rapidement
à l'aplatissement du système et à la formation d'un disque d'épaisseur finie dans
le plan équatorial de la planète. Ce résultat qualitativement pressenti par Poincaré
(voir ci-dessous) a été quantitativement
confirmé récemment par Brahic, Hénon et
Goldreich (voir références). Si on lançait
suffisamment de satellites artificiels
autour de la Terre, par le jeu de leurs
collisions mutuelles, ils formeraient un
anneau autour de la Terre.
Dans l'univers beaucoup d'objets, bien
différents quant à leur nature et à leurs
dimensions, se présentent sous forme d'un
disque plat autour d'un corps ou d'un renflement central.. Ces anneaux planétaires
sont non seulement fort intéressants en
eux-mêmes, ils sont aussi les systèmes en
forme de disque les plus proches de nous
et devraient nous révéler d'importantes
informations sur la dynamique de systèmes
aplatis moins accessibles tels que les
galaxies spirales, les disques d'accrétion
autour des objets compacts (trous noirs,
étoiles à neutrons ou encore noyaux de
galaxies), la nébuleuse protosolaire avant
la formation des planètes ou encore le
disque des protosatellites autour des
protoplanètes. Par ailleurs, ces anneaux
sont constitués de particules en mouvement
autour de la planète centrale qui subissent
de collisions inélastiques mutuelles.
b
Fig. 3.- 2 disques dans l1Uriivers : la galaxie NGC 4565 et la galaxie dite du "Sombrero".
Fig. 4.- Exemple de collisions dans le système solaire. Ces cratères respectivement sur Mercure (a), la
Terre (b), la Lune (c) et le satellite de Mars ~ h o b o s (d) ont été créés par l'impact de corps d'une
grosseur voisine du kilomètre.
c3-4
JOURNAL DE PHYSIQUE
Leur étude devrait nous permettre de mieux
comprendre ces collisions encore peu étudiées bien CU' elles soient fréquentes dans
l'univers, qu'il s'agisse d'inmenses
nuages interstellaires ou de petits corps
solides au moment de la formation du
système solaire.
Fig. 5.- Tableaux de l'astronome W.K. Hartmann représentant respectivement une collision très inélastique
(a) et l'accrétion de deux corps à l'issue d'une collision moins violente (b)..
Après la dScouverte des anneaux de
Jupiter par les sondes Voyager 1 (5 Mars
1979) et Voyager 2 (9 juillet 1979), les
anneaux de Saturne seront visités ces 3
prochaines années par 3 sondes spatiales :
Pionner 11 (le ler septembre 1979),Voyagerl
(le 13 novembre 1980) et Voyager 2 (le 27
août 1981). Voyager 2 devrait passer au
voisinaqe d'Uranus le 30 Janvier 1986. Parallèlement à l'observation optique, radio,
infra-rouge et radar depuis la Terre ainsi
qu'à de nombreux travaux théoriques qui
commencent à se développer, cette exploration devrait nous ~ermettrede beaucoun
mieux comprendre :1 physique des anneaix
planétaires au cours des années 80.
Nous nous contenterons ici d'une brève
description non exhaustive et d'un niveau
élémentaire des principales propriétés et
des principaux problèmes relatifs aux 3
familles connues d'anneaux. Le lecteur
curieux est renvoyé à la bibliographie cidessous.
2. Les anneaux de Saturne.- L'anneau de
Saturne, le plus bel objet qu'on puisse
voir dans le ciel, est encore très na1
connu. Galilée l'observa en 1610, mais
c'est Huyghens, en 1654, qui le premier
comprit qu'il s'agissait d'un anneau autour
de la planète (voir figures 6, 7, et 8)
.
1
Fig. 6.- Dessins de Saturne observés en 1610 et
1664. La mauvaiçe qualité des lunettes de l'époque
rendait très difficile l'observation des anneaux
et, comme toujours lorsqu'on est à la limite de
révolution, certains astronomes se querellaient
sur la nature du matériau qui entoura.it Saturne.
qui s'étend jusqu'à la planète). Les anneaux
s'étendent à 139 0 0 0 km du centre de la
planète. Depuis la Terre,, Saturne et ses
anneaux sont donc vus sous un angle apparent
de 48". En raison de la turbulence de l'atmosphère terrestre il est difficile de
distinguer toute structure plus petite que
quelques milliers de kilomètres.
Fig. 7.- Photographies de l'anneau de Saturne
correspondant à différentes inclinaisons de leur
plan par rapport à la Terre. En dégradant fortement ces images (pour se retrouver dans une situation semblable à l'observation du XVIIe siècle),
on retrouve les dessins de la figure 6.
En 1675, Cassini, premier directeur de
l'Observatoire de Paris nouvellement créé,
découvrait une division sombre au sein de
cet anneau. En 1802, Laplace étudiait sa
stabilité et montrait qu'un anneau solide
serait instable. En 1859, Maxwelldémontrait
que l'anneau était composé de particules
solides en rcouvement autour de la planète.
Fig. 8.- Dessin original de Huyghens expliquant
l'aspect des anneaux vus de la Terre au cours de
la révolution de Saturne autour du Soleil.
Les anneaux apparaissent comme un
système de zones concentriques de différentes luminosités séparées par des divisions
sombres. On distingue ainsi successivement
de l'extérieur vers l'intérieur l'anneau A
( à l'exterieur), l'anneau B (le plus brillant), l'anneau C (fortement transparent)
et l'anneau D (de très faible luminosité et
Fig. 9.- L'anneau A (de largeur 17 000 km) s'étend
de 139 000 km à 122 000 km du centre de la planète,
la division de Cassini a environ 5 000 km de largeur, l'anneau B (de largeur 28 000 km) s'étend
de 117 000 km à 89 000 km, l'anneau C (de largeur
17 000 km) s'étend jusqu'à 72 000 km, l'anneau D
s'étend jusqu'à la planète qui a 60 000 km de
rayon.
Certains observateurs pensent cependant
avoir observé d'autres divisions et d'autres
détails. En particulier des asymétries de
brillance ont été détectées dans l'anneau A.
Une meilleure connaissance de la structure
de ces anneaux sera apportée par les sondes
spatiales. A partir de l'observation du
passage de la Terre dans le plan des anneaux
(phénonène qui se produit tous les 13 ans,
par exemple en 1966 et en 1979), on en déduit que l'épaisseur des anneaux est inférieure à 3 km. Les observations montrent
que les particules des anneaux sont en rotation différentielle autour de Saturne en
bon accord avec les lois de Képler. Le bord
extérieur de l'anneau a une période de rotation de 14h.27min., tandis que le hord intérieur a une période de 7h.46min.,la planète
tourne sur elle-même en environ 1 0 heures.
Le spectre de reflexion dans l'infrarouge proche (de 1 2 3p) n:ontre des raies
d'absorption dues à l'eau : les particules
C3-6
JOURNAL DE PHYSIQUE
sont au moins recouvertes de givre contenant quelques impuretés.
période de rotation de Saturne sur elle-même
(10 heures) et de la période de révolution
d'un satellite en orbite képlerienne à
l'extérieur de la limite de Roche ( > 12
heures), montre que, de la même manière que
pour le système Terre-Lune, un satellite
s'éloigne lentement de la planète par effet
de marée. Un corps venu de l'infini serait
brisé à l'intérieur de la limite de Roche
et les morceaux repartiraient à l'irtfini : seule l'intervention d'un hypothétique
troisième corps permettrait la capture.
...
Fig. 10.- Observation des anneaux de Saturne en
1953 par B. Lyot. Dessin de l'observateur.
Le spectre thermique dans l'infra-rouge
lointain (de 10 à 30j.1)donne une température de brillance de l'ordre de 90 K. Les
observations interférométriques à des longueurs d'onde centimétriques montrent que
les anneaux sont des émetteurs radio très
faibles : la température de brillance 3
cette longueur d'onde est inférieure à 10 K.
Les anneaux sont par contre d'excellents
reflecteurs des ondes radars à 3 et à 12cm,
ceci implique que les particules sont de
dimension supérieure à quelques fois la
longueur d'onde. Les ondes radar incidentes
polarisées sont fortement dépolarisées
après reflexion, ce qui est probablement le
résultat de reflexions multiples.
De nombreuses questions restent cependant posées, citons les principales :
1) Quelle est l'origine des anneaux
de Saturne ? S'agit-il d'un protosatellite
"avorté" cogénétique à Saturne ou d'un corps
capturé plus tard par Saturne et brisé à
l'intérieur de la limite de Roche ? Même si
les anneaux sont jeunes, ils présentent un
grand intérêt pour la cosmogonie, leur
dynamique est en beaucoup de points analogue à la dynamique de la nébuleuse protoplanétaire et peut être décrite par des
équations semblables. L'hypothèse d'anneaux
jeunes est cependant plus difficile à soutenir. En effet, la comparaison de la
Fig. 11.- Extrait de la création du monde de
J. Eiffel.
2) Quelle est la nature des particules?
On ignore si les particules sont formées
essentiellement de glace ou d'autres matériaux recouverts superficiellement de givre.
Le spectre infra-rouge, les abondances cosmiques et la faible densité des satellites
de Saturne supportent l'idée que les particules sont, pour l'essentiel, composées de
glaces d'eau. On peut éliminer les silicates
parce que le rapport de leur émissivité
(observation radio) à leur réflectivité
(observations radar) est beaucoup trop élevé pour rendre compte des observationsradio
et radar. L'idée de particules métalliques
recouvertes de glace ne peut pas être rejetée, bien qu' elle soit cosmogoniquement
difficile à expliquer.
3) Quelle est la taille desparticules?
L'effet Poynting-Robertson (force de freinage due à l'intéraction des photons en
provenance du Soleil sur les particules en
mouvement autour de la planète) exclut la
présence de particules de trop petite
taille (moins de 1 cm) ; à moins qu'elles
ne soient constamment renouvelées, de
telles particules s'écraseraient rapidement
sur la planète. Par contre, les effets de
marées à l'intérieur de la limite de Roche
interdisent la présence de particules de
plus de 200 km, sinon elles seraient brisées. La faible émissivité radio et la forte réflectivité radar indiquent que, si
elles sont essentiellement faites de glace,
les particules ont des dimensions de l'ordre de 10 cm à 10 mètres. A. Brahic et
1.1. Hénon ont montré que, si les anneaux
étaient aussi vieux que le système solaire,
la dimension moyenne des particules était
inférieure à 2,5 mètres (voir ci-dessous).
On ne connaît évidemment pas la distribution en taille et en masse des particules.
4) Quelle est l'épaisseur des anneaux ?
L'observation indique une épaisseur inférieure à 3 km. Des considérations théoriques sur l'évolution de particules subissant
des collisions inélastiques mutuelles conduisent à penser que l'épaisseur est en
fait inférieure à quelques centaines de
mètres et peut être même de l'ordre de
quelques dizaines de mètres. Il n'est pas
impossible qu'il existe une "atmosphère"
ou "halo" de poussières autour de l'anneau,
en particulier à cause des bombardements
météoriques, des collisions inélastiques
mutuelles ou de la libération d'atomes à
la surface des particules en raison de
l'intéraction avec le rayonnement solaire.
5) Quelle est la masse des anneaux ?
Le fait que le mouvement des particules
dans l'anneau est képlérien et le fait que
les perturbations de l'anneau sur le mouvement des satellites (dont il est difficile
de séparer l'effet de celui de l'aplatissement de Saturne) semblent faibles conduisent 2 penser que la masse de l'anneau est
non seulement négligeable par rapport à
celle de Saturne, mais faible par rapport
à celle de la Lune par exemple.
5 ) Quelle est l'étendue de l'anneau ?
Certains observateurs pensent avoir détecté
la présence de matière au-delà delranneauA.
L'observation du passage de la Terre dans
le plan des anneaux (27 octobre 1979, 12
mars 1980 et juillet 1980) et le survol des
sondes devrait nous permettre de trancher
ce problème.
Perturbation du plan des anneaux par
un satellite (d'après J. Burns).
Fig. 12.-
7) Quelle est l'origine des divisions?
L'anneau de Saturne contient quelques divisions sombres (ce qui fait qu'on parle
aussi bien des anneaux de Saturne), en particulier la division de Cassini. L'origine
de ces divisions est encore mal comprise.
Certains pensent que, de même que dans la
ceinture des astéroïdes, elles sont dues à
un effet de résonance avec les satellites
de Saturne. Contrairement au cas des astéroïdes, la physique de ce phénomène de résonance est encore totalement obscurs. Un
mécanisme ingénieux a été proposé en 1978
par Goldreich pour la division de Cassini :
le satellite Mimas exciterait à la place de
la division de Cassini une onde spirale
(comme dans les galaxies spirales) qui se
déplacerait vers l'extérieur de l'anneau
en s'amortissant et en transférant aux
particules du moment angulaire. Celles-ci
C3-8
JOURNAL DE PHYSIQUE
spiraleraient vers l'intérieur en ouvrant
une division.
8) Quelle est l'origine des asymétries
de brillance ? Une étude photométrique soigneusede plusieurs centaines de clichés de
l'anneau de Saturne montre que la brillance
de l'anneau extérieur A varie avec l'angle
azimutal : lesquadrants arrière-gauche et'
avant-droit sont 15% plus brillants que les
Fig, 13.-
quadrants arrière-croit 'etavarit-gauche
(voir figure 13) quelle que soit la période
d'observation, c'est-à-dire quelle que soit
l'inclinaison des anneaux vus de la Terre.
Un tel phénomène qui indique que cet anneau
extérieur évolue encore n'est pas encore
expliqué : il est probablement dQ à l'action
combinée de l'attraction mutuelle des particules et des collisions.
Asymétrie de brillance de l'anneau A.
Fig. 14.- Dessins d'artiste des anneaux de Saturne. Il sera intéressant de les comparer avec les photos
prises par les sondes entre 1979 et 1981,
3. Collisions inélastiques et théorie des
anneaux planétaires.- Malgré son importance
quant à l'évolution des disques dans l'Univers, le problème de l'évolution dynamique
d'un système de particules autogravitantes
ou évoluant dans un chanp de gravitation
donné et sounises à des collisions inélas-,
tiques mutuelles est pour l'instant loin
d'être complètement résolu. Poincaré a qualitativement montré en 1911 que, dans une
nébuleuse constituée de corps soumis à des
chocs inélastiques et dont les positions et
les vitesses sont initialement réparties au
hasard :
1) Une concentration centrale se forme,
en raison des pertes d'énergie à chaque choc
et les parties extérieures du système se
dilatent, de manière à conserver le moment
angulaire total.
2) Le système dans son ensemble s'aplatit pour former, en première approximation,
une figure plane, perpendiculairement au
moment angulaire initial. La probabilité et
la "violence' d'un choc est en effet moins
grande pour un corps se déplaçant dans un
plan perpendiculaire au moment angulaire
que pour un corps se déplaçant dans un plan
méridien.
3) Les orbites des corps deviennent de
plus en plus circulaires et l'excentricité
moyenne diminue.
Le rôle des collisions inélastiques qui
avait été pressenti par Descartes en 1 6 6 4
commence à être systématiquement étudié, en
particulier par Brahic, Hénon, Goldreich et
Tremaine. Deux approches sont possibles,
analytiques ou numériques. L'étude analytique consiste à résoudre une équation de
Boltzmann décrivant l'évolution du système,
ce qui ne peut être fait qu'après de nombreuses approximations qui restreignent la
généralité du problème. Nous présentons cidessous quelques résultats relatifs à un
modèle numérique simple.
Dans le domaine très différent de la
dynamique moléculaire, des expériences numériques similaires ont conduit depuis 1 9 5 9
à des résultats importants dans l'établissement d'équations d'état et dans l'étude
des transitions de phase liquide-solide et
ont permis de tester diverses théories analytiques. Le problème est plus compliqué en
astrophysique, dans la mesure où la loi de
la gravitation a des effets à grandedistance et 06 on ne peut pas exprimer analytiquement la distance de deux particules en
fonction du temps.
En vue de comprendre tout d'abord la
dynamique de base d'un système de particules de dimensions non nulles, gravitant
dans un champ de force donné et subissant
des collisions inélastiques mutuelles,
A. Brahic et El. Hénon ont considéré en prenier lieu les modèles les plus simples, bien
que non triviaux, sans fragmentation ni
coalescence au cours de la collision etdans
lesquels on peut négliger l'intéraction
gravitationnelle mutuelle des particules.
Les orbites sont donc képlérienne autour du
corps central et toutes les particules sont
des sphères identiques dures, indestructibles et sans friction. Le moment cinétique
de rotation de chaque particule sur ellemême est négligé. Après chaque collision
les composantes normales et tangentielles
de la vitesse relative des deux corps sont
respectivement multipliées par deux coefficients k et k g(-1 < k < O et O < k g < + 1 ) .
Les résultats peuvent être très schématiquement résumés : à partir d'une configuration
initiale quelconque, un disque est formé en
moins de 20 collisions par particule et,
contrairement à ce qu'on croyait précédemment, les collisions ne réduisent pas en
général l'épaisseur du disque à une seule
couche de particules. Après l'aplatissement
rapide, le système tend vers un *at de
quasi-équilibre dans lequel l'épaisseur du
disque est finie et égale à quelques fois
la dimension moyenne d'uneparticule (voir
figure 15). Dans cette seconde phase, le
A
2600 collisions
1
Fig. 15.- Projection dans un plan méridien contenant
le vecteur moment angulaire initial d'un ensemble
de 100 particules en orbite autour d'une masse
centrale initialement (en haut) et après avoir subi
2 500 collisions mutuelles (en bas). (Expérience
numérique de A. Brahic).
disque s ' étale lentement vers 1 ' intérieur et
l'extérieur. Une partie des particules s'écrase au centre du système et le moment angulaire est transféré vers l'extérieur. Ce
phénomène est analogue à 1a.viscosité.
L'énergie perdue au cours des collisions est
obtenue aux dépens de l'énergie du disque
qui s'élargit sous l'effet de la rotation
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JOURNAL DE PHYSIQUE
différentielle et des collisions inélastiques. L'énergie perdue par les particules
se rapprochant est en effet légèrement plus
grande que l'énergie gagnée par les particules s'en éloignant. Dans le cas de collisions très inélastiques, le disque peut
être complètement aplati. Dans le cas de
collisions presque élastiques, le disque
peut au contraire être très épais.
D'autres modèles sont actuellement
étudiés, en particulier :
- le cas de particules de masses et
de dimensions différentes ;
- le cas où les particules ont un mouvement de rotation sur elles-mêmes ;
- l'introduction de différentes lois
de collision ;
- le cas où la planète centrale est
aplatie ;
- l'introduction de la fragmentation
et de la coalescence aucours descollisions ;
- l'adjonction d'un satellite dans le
plan des anneaux en vue d'observer l'apparition d'éventuelles divisions ou hors du
plan en vue d'étudier les perturbations du
disque ;
etc..
Il pourrait sembler a priori que le
petit nonbre de corps considéré (quelques
centaines au maximum, en raison de la capacité réduite des ordinateurs) par rapport
à la réalité ne permette pas d'appliquer
les résultats obtenus à des cas physiques
réels. En fait, l'échelle de temps d'évolution du système est de l'ordre de grandeur
du temps moyen entre deux collisions pour
une particule, il est donc inversement
proportionnel au nombre de corps et à leur
section de choc. Changer le nombre ou la
dimension des corps revient simplement à
rendre l'évolution plus lente ou plus rapide et le modèle homologique traité nous
permet d'extrapoler les résultats à des
modèles physiques réels.
La grande luminosité des anneaux de
Saturne montre que la densité de particules
est grande et que l'ordre de grandeur du
temps entre deux collisions pour une particule est actuellement de l'ordre de la journée. La première phase (l'aplatissement de
.
l'anneau) a probablement duré quelques
semaines tandis que la seconde phase d'élargissement de l'anneau a encore lieu à
l'heure actuelle. L'échelle de temps de
cette seconde phase est en effet très longue (plus longue que l'âge de l'univers),
ce résultat remet en question un certain
nombre d'idées reçues au cours du XXe s+ècle sur la dynamique des anneaux. En calculant une limite supérieure de l'énergie
obtenue par élargissement du disque, on
trouve une relation entre l'âge a de l'anneau (en années) et la dimension r des parr2 < 3 x 10lO. Si
ticules (en mètres) : a
l'anneau est aussi vieux que le système
solaire (4,56 milliards d'années), la taille
moyenne maximum des particules est de 2,5
mètres. Si, par contre, l'anneau était
constitué par une couche unique de particules de lkm, son âge serait alors inférieur
à 30 000 ans.
Un tel modèle permet aussi de rejeter
l'hypothèse d'Alfvén selon laquelle les
planètes se seraient formées à partir d'un
"courant de particules" focalisé par les
collisions inélastiques (voir Science du
10 février 1978, vol. 199, p. 692 et 693).
Appliqué aux protogalaxies, un tel modèle
donne un temps d'aplatissement d'une galaxie de l'ordre du milliard d'années, bien
supérieur au temps de chute libre.
4. Les anneaux d'Uranus.- Uranus, 2,5 fois
plus petite que Saturne, est située deux
fois plus loin et n'occupe que 4" dans le
ciel. L'observation d'un objet faible en
son voisinage est délicate. Les anneaux
d'Uranus ont été déc'suverts ont été découverts à l'occasion de l'occultation d'une
étoile le 10 mars 1977 (voir La Recherche
juin 1977 et février 1979 par le nêne auteu9.
Le dépouillement de l'observation du 10
mars ainsi que trois nouvelles occultations
observées le 23 décembre 1977, le 4 avril
1978 et le 10 avril 1978 permettent maintenant d'affirmer qu'Uranus est entourée
par au moins 9 anneaux étroits. Les 8 anneaux intérieurs ont environ une dizaine
de kilonètresde largeur et sont séparés
par de larges intervalles. L'anneau
.
extérieur paraît le plus étrange : il est
elliptique (sic), sa largeur varie linéairement avec la distance au centredrUranus:
1
'
1
~
1
'
1
~
~
~
11
'
~1
~
OBSERVE0 OCCULTATION POINTS IN THE SKY PLANE AT URANUS
60
N
Fig. 16.- Photographies de la planète Uranus et
de ses cinq satellites connus (clichés Observatoire Mc Donald). La forme en croix de la planèteest
due à la diffusion de la lumière sur le support
du miroir secondaire du télescope après cettepose
suffisamment longue pour que la lumière provenant
des satellites impressionne la plaque photographique
O
20km lorsqu'il est proche du centre, 85km
lorsqu'il en est éloigné. Il est de plus
animé d'un mouvement de précession (son
grand axe se déplace par rapport à Uranus)
de 1,37O par jour. Le profil de cet anneau
est à bords nets et semblable en tous
points de l'anneau.
4 5 m km
'distance du centre d'Uranus (km)
km
,,
' 1
Fig. 17.- Courbes de lumière montrant les occultations observées par J - C . Elliot, E. Dunham et
D. Mink à bord de l'avion C 141 de la NASA le 10
mars 1977 avant et après l'occultation de l'étoile
SA0 158687 par Uranus.
Fig. 18.- Uranus et ses 9 anneaux.
Vus de la Terre, les anneaux d'Uranus
sont contenus à l'intérieur d'un cercle de
8" de diamètre apparent autour d'Uranus
angulaire).
(elle-même de 4" de diar~~ètre
Ils sont difficilement discernables de la
planète, d'autant plus qu'ils sont environ
un million de fois moins brillants qu'elle.
Le problème est le nême que la détection
d'une bougie située à côté d'un puissant
phare de marine. Uranus est couverte de
méthane, elle est donc très sombre en infrarouge où se situent les longueurs d'onde
des bandes d'absorption du méthane. On a en
conséquence intérêt à tenter la détection
des anneaux à ces longueurs d'onde, de manière à augmenter le rapport luminosité
anneaux/luminosité planète. En mai 1978,
rlatthews et Neugebauer ont réalisé un balayage du ciel au voisinage de la planète
avec un photomètre sensible à 2 , 2 raicrons
installé sur le télescope de 5 mètres du
mont Palomar. Ils ont réussi la première
détection directe de ces anneaux : on peut
considérer qu'il s'agit de leur première
"photographie" (voir figure 19).
Cette expérience ainsi que des tentatives
de détection dans le visible indiquent que
moins de 3% de la lumière du Soleil est
1
1
~
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JOURNAL DE PHYSIQUE
-
nèlre
iumiere
lame dichroide
-
4
-
Fig. 19.- Matthews et Neugebauer ont réalisé un balayage du ciel au voisinage d'Uranus (a), Ils ont utilisé un diaphragme de 4" d'ouverture, une lame dichroide (b) permet d'isoler deux faisceaux respectivement
de 1,6 micron et de 2,2 microns de longueur d'onde. Le faisceau à 1,6 micron permet de déterminer la
position de la planète brillante à cette longueur d'onde. A 2,2 microns, la planète est plus sombre que
les anneaux, le photomètre recueille essentiellement la lumière venue des anneaux. Une succession de
balayages permet de reconstituer une image des anneaux (cl.
réfléchie par ces anneaux. Ils senblent
co~xposésdes particules les plus 'noires"
du système solaire c0mrc.e la surface des
satellites sombres de Flars : Phobos et
Deimos ou encore celle de certaines mers
lunaires.
Les anneaux d'Uranus apparaissent comne un véritable "négatif" des anneaux de
Saturne. Alors que l'anneau de Saturne est
un disque concinu de particules brillantes
entrecoupé de minces divisions sombres,
l'anneau d'Uranus est composé d'un ensemble
de minces couronnes sombres et distantes
les unes des autres de plusieurs milliers
de kilomètres.
On a vu ci-dessus que des anneaux
étroits tendent à se disperser sous l'effet
des collisions inélastiques. L'application
de la relation utilisée dans le cas de
Saturne entre la taille des particules et
l'âge du système conduit à une estimation
d'une taille maxi~~um
de 5 millimètres pour
un système de l'âge du système solaire. Par
ailleurs, à cause de l'effet Poynting
Robertson, les particules plus petites que
5mm sont éliminées. Il est donc probable
qu'un mécanisme de confinement maintient
ces anneaux stables contre la diffusion due
aux collisions et l'effet Poynting-Robertson.
Ce confinement ainsi que l'excentricité de l'anneau extérieur, son mouvement de
précession et ses bords nets pourraient
être expliqués par la présence de petits
satellites non encore observés.. Logtude du
rôle de tels satellites est en train d'être
faite. Peut-être voyons nous se dérouler
-
sous nos yeux un mécanisme de confinement
qui a joué un rôle important lors de la
formation des planètes et des satellites.
Connus depuis plus de 3 siècles, les
anneaux de Saturne sont encore bien mal
compris, il ne faut pas espérer avoir fait
toute la lumière sur ceux d'Uranus deux
ans après leur découverte. L'observation de
nouvelles occultations d'étoiles seulmoven
de reconstituer point par point la géométrie des anne'aux, la visite par des sondes
spatiales (Voyager 2 le 30 janvier 1986 si
tout se passe bien!) et le développement
des modèles théoriques (en particulier
l'étude du rôle des satellites sur les anneaux planétaires) devraient nous permettre
d'y voir un peu plus clair au cours de ces
àix prochaines années.
5. Les anneaux de Jupiter.- Les anneaux de
Jupiter ont été découverts le 5 mars 1979
à l'aide de la caméra à haute résolution
de la Sonde Voyager 1 dirigée vers une région à mi-chemin du bord de la planète et
du satellite Amalthée au moment où la sonde
spatiale traversait le plan équatorial de
Jupiter (voir figure 22).
-- -
Fig. 20.- Vue d'artiste des anneaux d'Uranus. Ils
sont en fait beaucoup plus sombres que ne l'indique ce dessin.
QU'IL Y AVAIT DES
Fig. 21
Fig. 22.- Découverte de l'anneau de Jupiter. Cette
pose longue (11 minutes 12 secondes) a permis
d'enregistrer la composition de 6 images du même
anneau, à cause des mouvements combinés de la sonde
sur sa trajectoire, de la caméra par rapport à la
sonde et d'oscillation de la sonde elle-même. Les
lignes ondulées qui ont permis de reconstituer ces
mouvements correspondent à des étoiles dans le
champ de la caméra. Chaque oscillation correspond
à une image de l'anneau. Ce champ d'étoiles de
l'amas de Praesepe a permis de vérifier que l'anneau était bien dans le plan équatorial de la
planète.
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JOURNAL DE PHYSIQUE
Les scientifiques anéricains ont été assez
heureux pour observer juste le bord des
anneaux après avoir visé "un peu au hasard"
(voir figure 23)
.
semaine plus tard à 2,2 microns de longueur
d'onde (voir figure 25) là 03 les bandes
d'absorption du méthane obscurcissent la
planète.
NARROW ANGLE
CAMERA FRAME
10 arc r
Fig. 23.- Champ de vue de la caméra par rapport
à Jupiter. La caméra avait été orientée de manière
à détecter d'éventuels satellites ou le milieu
d'un éventuel anneau qui aurait eu les mêmes dimensions que celui de Saturne. C'est uniquement
par hasard que les scientifiques ont eu la chance
d'observer du premier coup le bord extérieur des
anneaux.
Le bord des anneaux est situé à 1,8
rayon jupitérien du centre de la planète.
Compte tenu de la résolution de la caméra,
son épaisseur est inférieure à 30km : elle
peut aussi bien être 1 mètre que 29km. La
densité de ces anneaux paraît environ 1
milliard de fois plus faible que ceux de
Saturne.
Fig. 25.- Détection de l'anneau de Jupiter à 2,2
microns par E. Becklin et C. Wynn-Williams à l'aide du télescope de 2,2 mètres de l'université
d'Hawaï au Mauna Kea, Les cercles indiquent les
positions auxquelles la recherche a été effectuée.
Les nombres indiquent la différence des densités
de flux entre les cercles sombres et la moyenne
des densités de flux des cercles blancs immédiatement au nord et au sud.
On ne connaît pour l'instant rien de
la taille et de la nature des particules de
l'anneau de Jupiter. Situées à l'intérieur
de la nagnétosphère interne de Jupiter,
elles sont probablement chargées et l'étude
de leur intéraction avec le champ magnétique
de Jupiter serait probablement fort intéressante.
Depuis la date de cette conférence
(25 juin 1979), Jupiter a été visité par
la sonde Voyager 2 (9 juillet 1979) et
quelques photographies spectaculaires ont
été prises (voir figures 26 et 27).
Fig. 24.- Dessin d'artiste de l'anneau de Jupiter.
Lors du passage de la sonde Pionner 11
près de Jupiter on avait observé desdiscontinuités dans le mouvement des particules
chargées en orbite autour de Jupiter. Parmi
les explications avancées, certains scientifiques avaient émis l'hypothèse que
Jupiter possèdait un anneau ou un satellite
intérieur non encore découvert.
Ces anneaux ont été détectés une
Fig. 26.- Mosaïque de 4 photographies de l'anneau
de Jupiter par Voyager 2 au moment du passage du
côté sombre de Jupiter. L'anneau paraît très
brillant sur cette photographie "à contre jour"
en raison de la diffusion de la lumière par les
particules de l'anneau.
Cet anneau semble à la fois différent de
celui de Saturne et de celui d'Uranus : un
anneau brillant d'environ 6 0 0 0 k m de largeur
est entouré à l'intérieur d'un bord très
brillant tandis que du matériau plus dispersé s'étend vers l'intérieur jusqu'à la
planète. Il y a aussi un petit anneau très
Ciffus à l'extérieur.
le programme actuel des agences spatiales,
aucun projet n'est prévu en direction de
Neptune ; seule la sonde Voyager 2 peut
encore atteindre cette planète vers 1989,
il faudrait alors choisir une trajectoire
moins intéressante scientifiquement au voi
sinage de Satwrne et d'Uranus. Le choix
sera fait ces prochaines années. L'observation de l'occultation d'une étoile brillante visible du Pacifique le 1 0 février
1 9 8 0 pourrait fournir l'occasion d'une
découverte.
Fig. 27.- Mosaïque de photographies de l'anneau
de Jupiter permettant de distinguer l'anneau
brillant et du matériau diffus à l'intérieur.
6. Et Neptune?.- On peut maintenant se demander si Neptune est-elle aussi entourée
d'anneaux ? L'observation d'éventuels anneaux est plus difficile que dans le cas
d'Uranus : Neptune est deux fois plus loin
et, contrairement à Uranus qui "roule sur
son orbite' (son axe de rotation est incliné de 98O sur le plan de l'orbite et pour
l'instant les anneaux sont vus "de face"),
son axe de rotation est incliné de 29' sur
son orbite (comparable aux 27O dans le cas
de Saturne). De plus les bandes d'absorption
du méthane sont moins profondes dans le cas
de Neptune,. Une tentative de détection à
2,2 microns n'a d'ailleurs pas donné de résultat positif, on ne peut cependant pas en
conclure que ces anneaux n'existent pas.
Contrairement à Jupiter, Saturne et Uranus,
Neptune ne possède pas un système régulier
de satellites dans son plan équatorial. Le
plus proche Triton a curieusement une orbite rétrograde inclinée de 160°, le second
satellite connu Néréide est très petit et
très loin de la planète sur une orbite inCertains en déduisent que
clinée de 28'.
Neptune n'a peut-être pas d'anneaux. Dans
Fig. 28.- Neptune et ses deux satellites connus :
Triton et Néréide. Depuis la Terre, il est difficile d'obtenir la moindre résolution sur cette
planète de 2" de diamètre apparent.
En nous offrant successivement 3 systèmes d'anneaux fort différents les uns des
autres, la Nature se révèle beaucoup plus
complexe que ne l'imaginent ceux qui ont
tendance à généraliser hâtivement à partir
d'un ou deux objets,. On peut en particulier
se demander si les autres systèmes solaires,
s'ils existent, sont semblables au nôtre.
En conclusion, on peut espérer que
l'exploration de ce merveilleux laboratoire
gratuit que nous offre l'univers continuera
activement et que l'Europe elle aussi lancera ses propres émissions interplanétaires.
Note ajoutée aux épreuves,- Le 1er.septembre
1979, la sonde Pionner 11 est passée au
voisinage de Saturne et ses anneaux ; elle
a pris les clichés ci-dessous. Sur la
figure 29 on distingue le satellite Titan.
La lumière en provenance du Soleil est
diffusée à travers les anneaux de-Saturne
ce qui leur donne cet aspect inhabituel.
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JOURNAL DE PHYS!QIIE
Cook, A.F., Franklin, F.A., et Palluconi,
F.D., "Saturn's rings - A survey",
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(1973) 317-337.
N.A.S.A.
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Saturn", 1974.
Pollack, J.B., : "The rings of Saturn",
Space Science Reviews 2 (1975)3-93.
Cook, A.F., et Franklin, F.A., : "Saturn's
rings : a new survey", in Planetary
Satellites, [University of Arizona
Press) (1977)p. 412-420.
Quelques travaux théoriques sur les collisions et la dynamique des disques :
Fig. 30.la sonde
Photo de l'anneau de Saturne prise par
Pionner 11.
Depuis la Terre, la lumière en provenance
des anneaux est généralement la lumière
réfléchie par les particules quiconstituent
les anneaux. Sur la figure 30, on distingue
des asymétries azimutales dans les anneaux
déjà connus. Un nouvel anneau extérieur
appelé anneau F a été découvert sur ce
cliché ainsi qu'unnouveau satellite. On
les distingue en haut à droite de la photographie.
La çonde Pionner de conception déjà ancienne
(elle avait été lancée en 1973) a permis
de gagner un facteur 10 dans le pouvoir de
résolution par rapport aux observations
faites depuis la Terre. Les sondes Voyager
permettront de gagner un facteur 1000.
Quelques Références
Les anneaux de Saturne : l'histoire de leur
découverte et les recherches jusqu'en 1960 :
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1 (1974) 105-121.
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1962.
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j.
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Anneaux d'Uranus :
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6,
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Jupiter system through the eyes of
Voyager 1".