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Saturne, père de Jupiter

Le seigneur des anneaux (I)

Saturne est la dernière planète connue de l'Antiquité, reconnue parmi les "étoiles errantes" depuis les temps préhistoriques. C'est en revanche la première planète par la réputation de son anneau qui devient un véritable joyau quand on l'observe dans un télescope, même de petite ouverture (60 mm).

Au XVIIe siècle, Galilée équipé d'une modeste lunette qui grossissait à peine 30 fois et de qualité médiocre, n'était pas parvenu à résoudre son image. Il resta confronté à une planète composée de 3 éléments : un globe et 2 objets latéraux dont le comportement était capricieux, apparaissant et disparaissant au fil des années.

Avant de quitter définitivement le système solaire, la sonde Voyager 1 se retourna une dernière fois vers Saturne le 16 novembre 1980 à 5.3 millions de kilomètres de distance pour nous la présenter sous cet angle inhabituel. Magnifique ! Document NASA/JPL.

Il faudra attendre les observations du Hollandais Christian Huygens en 1656 pour résoudre l'énigme de celle qu'on surnommait "la trijumelle" : ces appendices que l'on prenait pour des anses, des satellites (théorie de Pierre Gassendi, Giovanni Riccioli, Honoré Fabri et Eustachio Divini soutenue jusqu'en 1660 et sur laquelle nous reviendrons à propos du choix d'un télescope) ou des trouées dans un corps elliptique formaient en réalité un anneau autour de la planète. Notons qu'Huygens observa Saturne avec des lunettes à objectif plan-convexe d'abord de 57 mm de diamètre et de 3.3 m de focale (f/59) et plus tard avec des modèles gigantesques jusqu'à 230 mm de diamètre et 67 m de focale soit f/283 ! C'est également Huygens qui découvrit la première "Luna Saturni" qu'il ne nomme pas et qu'on appellera plus tard Titan. Notons qu'aujourd'hui quelques unes des lentilles et des instruments utilisés par Huygens sont exposés au Musée de Boerhaave aux Pays-Bas.

Mais comme beaucoup d'astronomes (à part Galilée notamment) s'opposaient à la théorie d'Huygens, pour les départager, en 1660 les astronomes italiens de l'Académie de Cimento confectionnèrent un modèle annelé de Saturne qu'ils placèrent respectivement à 21 et 74 mètres de distance et l'observèrent au moyen de deux lunettes de qualité différente (plus vraisemblablement à travers deux tubes sans lentilles simulant un grossissement de plusieurs dizaines de fois). Pour éviter toute discussion, ils demandèrent également l'opinion d'un public n'ayant jamais observé Saturne. Et de fait ils observèrent un objet constitué de trois sphères... Cette expérience confirma la théorie d'Huygens. Honoré Fabri reconnut son erreur et supporta par la suite la théorie d'Huygens. Plus tard, vers 1675 Jean-Dominique Cassini découvrit que l'anneau n'était pas unique mais était séparé en deux parties par une division sombre, qui portera son nom. Nous y reviendrons.

A lire : La découverte des anneaux de Saturne, par Dominique Caudron

Systema Saturnia, par Christian Huygens, 1659 (Yale U.)

A gauche, le modèle très réaliste de Saturne proposé par Christian Huygens en 1656. Au centre, la théorie fantaisiste d'Honoré Fabri proposée en 1660 qui imaginait une planète entourée de 4 satellites, dont deux sombres éclipsant deux brillants mais sans projection sur le globe. A droite, le modèle mis au point par les académiciens de Cimento en 1660 pour trancher la question. Documents IMSS.

Données physiques

La sixième planète du système solaire gravite autour du Soleil à une distance d'environ 1.5 milliard de kilomètres soit 9.54 UA ce qui représente le double de la distance de Jupiter au Soleil. 

Par ses dimensions Saturne est la deuxième planète du système solaire après Jupiter, avec lequel elle a de nombreux points communs. Son diamètre équatorial atteint 120536 km (~360000 km en comptant les anneaux) et accuse comme Jupiter mais en plus prononcé, un aplatissement considérable des régions polaires de 9.12 % (108728 km) provoqué par sa rotation très rapide et son état fluide. Une autre particularité de Saturne est sa densité : 0.69, elle flotte sur l'eau ! Son volume représente 766 fois celui de la Terre mais seulement 95 fois sa masse, ce qui explique sa densité plus faible que celle de l'eau.

Si vous l'observez après Jupiter, le globe de Saturne vous paraîtra tout petit. A cette distance il est en effet au moins deux fois plus petit que celui de Jupiter (19.5" contre 46.9" lors des oppositions) mais Saturne est presque aussi large que Jupiter si on tient compte des anneaux (42"). Saturne présente une masse estimée à 5.68x1026 kg, le tiers de celle de Jupiter. Si ce dernier boucle sa révolution autour du Soleil en quelque 12 ans, Saturne accomplit une révolution complète en 29 ans et demi.

Images amateurs

A gauche, un compositage couleur d'environ 1800 images individuelles prises sous chaque filtre R, G et B réalisé par Paul Haese depuis Adelaïde en Australie le 2 juin 2017 avec un télescope Schmidt-Cassegrain Celestron C14 de 356 mm f/11 dont le tube optique était refroidi et équipé d'une caméra CCD ZWO 174MM. La turbulence était particulièrement faible. Au centre, un compositage LRGB sous filtres Trutek (L=rouge) réalisé par David Tyler le 20 décembre 2005 avec un télescope Schmidt-Cassegrain C14 de 356 mm f/40 muni d'une CCD Lumenera 075. A droite, un compositage RGB de 529 images représentant un temps d'intégration total de 12 minutes réalisé par Jacques-André Régnier le 22 novembre 2002 avec un télescope Schmidt-Cassegrain Celestron NexStar 5 de 127 mm f/10 équipé d'une Barlow Tele Vue 3x et d'une webcam Philips Vesta Pro. L'image du centre et celle de droite sont inversées de haut en bas car entre 1997-2009, Saturne nous présentait son pôle Sud. Voir aussi la galerie des chefs-d'oeuvre.

Avec un axe de rotation incliné de 26°44' sur le plan de l'orbite, tous les 15 ans environ Saturne nous présente alternativement son pôle Nord puis son pôle Sud, nous offrant l'opportunité d'observer le spectaculaire phénomène des anneaux ouverts au maximum. En revanche, en 1995 et 2009 et la prochaine fois en 2025, la Terre traversera le plan des anneaux qui seront invisibles pendant 15 jours à un mois selon la puissance des télescopes. On y reviendra

Structure de l'atmosphère

 La période de rotation de l'atmosphère de Saturne présence un régime différentiel comme Jupiter, avec une période de 10h14 min à l'équateur et de 10h39m aux pôles, entraînant les courants équatoriaux à 1800 km/h !

Dans les grandes lignes l'atmosphère de Saturne est semblable à celle de Jupiter bien que ces composants soient distribués différemment. Elle est constituée de 75 % d'hydrogène et de 25 % d'hélium (proportion par masse) et présente des traces d'eau, de méthane, d'ammoniac et quelques poussières, à l'image de la composition de la nébuleuse protosolaire qui lui donna naissance.

Grâce aux analyses des mesures relevées par les sondes spatiales Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2 et Cassini, le Dr Hubbard a pu reconstituer un modèle de la planète géante aux anneaux.

Ci-dessus, la structure des ceintures et zones de Saturne ainsi que le profil de son atmosphère supérieure sont similaires à ceux de Jupiter à la différence que dans les couches supérieures de nuages la pression est moins forte sur Saturne mais la force des vents est plus élevée. Ci-dessous, structure et composition intérieures de Saturne comparées à celles de Jupiter. Documents NASA/Prentice Hall et NASA/U.Edimbourg adaptés par l'auteur.

La structure de Saturne se divise en 4 parties : un noyau de roche ou de glace de 15000 km de rayon (il est 2.5 fois plus grand que la Terre !); un noyau externe composé d'hydrogène métallique d'abord solide puis liquide d'un rayon de 20000 km; un manteau liquide composé d'hydrogène moléculaire et d'hélium dans un rapport He/H de 6 % qui s'étend sur 25000 km et enfin une zone de transition jusqu'à l'atmosphère nuageuse qui s'étend sur 1300 km d'altitude (contre moins de 30 km sur Terre). Cette couche nuageuse troposphérique est divisée en 3 couches.

L'atmosphère supérieure de Saturne est délimitée à son sommet par la tropopause considérée comme le niveau 0 de référence. Selon les relevés de la sonde Cassini effectués en 2004, comme sur Terre et sur les autres planètes gazeuses mais à une autre échelle, la température au niveau de la tropopause de Saturne est plus froide que celle la stratosphère avec un minimum de -183°C entre l'équateur et 70° de latitude sud. Elle augmente ensuite dans la stratosphère, au-dessus de la couche nuageuse, pour atteindre un maximum de -113°C vers 180 km d'altitude et 75° de latitude sud. Enfin, la température dépasse -20°C vers 250 km d'atitude mais le milieu se raréfie.

Illustration de l'atmosphère supérieure de Saturne par Joe Bergeron. S'il y a bien des nuages sur Saturne, leur structure cumiliforme est très peu développée en raison de la vitesse élevée des vents.

Au niveau de la tropopause se trouve une brume photochimique épaisse d'environ 30 à 50 km. Juste en-dessous et sur une épaisseur d'environ 100 km mais semée d'éclaircies se trouve la première couche nuageuse principalement constituée de cristaux de méthane et d'ammoniac, auxquels s'ajoutent en plus faibles proportions des éléments organiques tels que l'éthane, l'acétylène ou la phosphine, donnant à Saturne une coloration jaunâtre marquée de zones rouges et brunes. Dans cette première couche nuageuse, la température est d'environ -130°C puis augmente graduellement de même que la pression à mesure qu'on s'enfonce dans l'atmosphère.

La deuxième couche nuageuse commence vers 150-170 km de profondeur et présente une température moyenne de -70°C. Elle se compose priuncipalemet de nuages d'hyposulfite d'ammonium (également appelé thiosulfate d'ammonium, de formule chimique (NH4)2S2O3). Notons que c'est un réducteur et un solvant chimique que les photographes utilisaient jadis comme produit de blanchiment, en particulier comme fixateur rapide car il permet de dissoudre le chlorure d'argent.

Enfin, la troisième couche nuageuse se situe vers 200-220 km de profondeur et se compose principalement de nuages d'eau glacée comme sur Terre et présente une température voisine de 0°C. Juste en-dessous commence véritablement l'atmosphère d'hydrogène.

C'est dans les trois couches nuageuses supérieures que se forment les bandes colorées de Saturne. Ses bandes "sombres" sont plus pâles que celles de Jupiter et sont également plus larges au niveau de l'équateur. A l'inverse de Jupiter, aucun sinon très peu de détails atmosphériques apparaissent depuis la Terre. Aussi l'arrivée des sondes Voyager et Cassini près de Saturne fut très appréciée par la communauté scientifique qui put enfin étudier la circulation atmosphérique de Saturne en détails.

Lors de son survol de Saturne, la sonde spatiale Voyager 2 avait relevé une température au sommet de la première couche nuageuse( (niveau 100 mb) de -160°C, soit 30° plus chaude que la température d'équilibre à cette distance du Soleil. Cela signifie que Saturne, comme Jupiter, émet 3 fois plus d'énergie qu'elle n'en reçoit du Soleil. Ce phénomène pour le moins inattendu pour une planète s'explique par le mécanisme de Kelvin-Helmholtz et est lié à la libération d'énergie du noyau : en traversant le manteau constitué d'hydrogène moléculaire, l'hélium se transforme en hydrogène métallique, en libérant de la chaleur. Plus bas, toute cette énergie porte le noyau de Saturne à une température de 12000°C, légèrement inférieure à celle de Jupiter (20000°C).

Cette énorme pression engendrée par la masse de Saturne compresse gravitationnellement la planète mais ne pourra jamais provoquer une fusion nucléaire car sa masse et sa température sont encore bien trop faibles. Toutefois la compression gravitationnelle du noyau ne peut seule expliquer la luminosité de Saturne. Il est probable que les "pluies" d'hélium en interaction près du noyau jouent ici un second rôle important.

Lors du survol de Saturne les sondes spatiales ont détecté des éclairs très puissants dont certains semblaient corrélés avec une grande tempête visible en surface dont la gigantesque perturbation apparue en mars 2011 (voir plus bas) ainsi que des décharges électriques dont l'origine n'a pu être établie, provenant peut-être des anneaux de Saturne. En revanche, aucun éclair n'a été détecté dans l'hémisphère plongée dans la nuit, comme ce fut le cas sur Jupiter.

Des pluies de diamants

Récolte de diamants par des robots dans les abysses de Saturne. Document Michael Carroll (2013) pour "Nature".

Nous savons que les atmosphères planétaires comme exoplanétaires sont parfois surprenantes avec des températures, des pressions et des vents extrêmes ou des compositions extraordinaires dignes du laboratoire d'un chimiste excentrique ou des chaudrons de l'enfer. Si nous avions les moyens techniques de plonger dans les abysses de Saturne sans être écrasés et pyrolisés par les conditions infernales qu'il y règne, on découvrirait qu'à une certaine profondeur équivalente à celle qui règne à 30 km sous Terre ou dans une presse hydraulique servant à fabriquer des diamants (10000-58000 atm et 1400-2000°C), l'atmosphère de Saturne scintille littéralement comme des diamants ! Et la comparaison est justifiée.

Au cours du 45e meeting annuel de l'AAS consacré aux Sciences Planétaires qui s'est tenu en 2013 à Denver, au Colorado, Kevin Baines du JPL, spécialiste scientifique auprès de la mission Cassini et professeur à l'Université du Wisconsin à Madison expliqua que vers 6000 km de profondeur l'atmosphère de Saturne présente une température supérieure à 2000°C et une pression supérieure à 10000 atmosphères. Elle abriterait également une activité orageuse avec des éclairs 1000 fois plus intenses que sur Terre accompagnés de pluies de méthane puis de carbone noir (suie) un peu plus bas. Selon les modèles, grâce à ces éclairs extrêmement intenses associés à une pression titanesque, la suie en suspension se transforme en pluie de diamants dont certains pourraient atteindre un centimètre de diamètre (à peine moins que le plus gros diamant de synthèse de 10.07 carats) ! 

A partir de 30000 km de profondeur, la pression hydrostatique et la température deviennent tellement élevées que même les diamants les plus purs se désagrègent. A partir de là, on ignore qu'elle forme prend le carbone. Selon Baines, il est possible qu'il forme une mer de carbone liquide.

Ceci dit, Saturne n'a pas le monopole des diamants car les mêmes conditions existent sur toutes les planètes géantes gazeuses. En revanche, selon Raymond Jeanloz, coéquipier de Baines qui publia une étude sur le sujet en 1999, ils ont plus de chances de subsister sur Uranus et Neptune car leur noyau est plus froid.

Selon Baines, Saturne pourrait ainsi produire 1000 tonnes de diamants chaque année ! Mais en l'état actuel de nos connaissances il est peu probable qu'on puisse un jour récolter ces diamants car aucun matériau connu ne résisterait à ces pressions. Mais qui sait dans mille ans. A cette époque, nos descendants pourront peut-être également s'approvisionner en hélium-3 sur Saturne pour alimenter des réacteurs propres et ainsi fournir à l'humanité une énergie quasiment illimitée.

Mais comme l'expliqua Maggie McKee dans la revue "Nature" en 2013, plusieurs chercheurs dont le planétologue David Stevenson du Caltech et le physicien Luca Ghiringhelli de l'Institut Freitz Haber de Berlin ne sont pas convaincus que les "mixtures aromatiques thermodynamiques" des planètes gazeuses géantes contiennent suffisamment de méthane pour fabriquer du carbone, encore moins Uranus et Neptune. Selon Ghiringhelli, ce sont des "conclusions très optimistes par rapport au peu de données que nous possédons et fondées sur un modèle qui n'est pas convaincant".

Des tempêtes d'ampleur planétaire

D'apparence très calme, l'atmosphère de Saturne est pourtant plus perturbée que celle de Jupiter. Les vents les plus violents apparaissent non pas à l'intersection des bandes et des zones mais au milieu de celles-ci. Les courants atmosphériques circulent horizontalement dans une direction Est-Ouest et de sens contraire, à une vitesse trois fois plus importante que sur Jupiter (500 m/s soit 1800 km/h contre 150 m/s).

Ttrois photos des tempêtes de saturne en couleurs accentuées. A gauche, de petits cyclones (mais mesurant tout de même plus de 5000 km) photographiés par Voyager 1 le 5 novembre 1980. Au centre, une photo de la tempête "du dragon" photographiée par Cassini en septembre 2004. A droite, l'hexagone polaire et des vortex au pôle Nord de Saturne photographiés par Cassini en proche infrarouge en 2013 à 419000 km de distance. La résolution est de 22 km/pixel. Documents JPL PhotoJournal, NASA/JPL/SSI et NASA/Ciclops.

Comme on le voit ci-dessus, les photos rapprochées de l'atmosphère de Saturne révèlent une série de petits vortex clairs, de tourbillons et de taches dont la coloration varie selon la profondeur, passant d'une teinte rouge ou blanche en altitude, au brun puis au bleu à mesure que l'on s'enfonce dans les nuages. En moyenne ces cyclones et autres "hurricanes" mesurent entre 5000 et 10000 km de diamètre et sont donc environ 20 fois plus grands que les cyclones de catégorie F5 terrestres avec des effets évidemment démultipliés.

L'une des plus grandes perturbations fut suivie pendant plus d'un an et demi entre fin 2009 et 2011 par la sonde Cassini. Comme on le voit ci-dessous à droite, tout commença par une tache claire apparue fin 2009 rapidement suivie par 4 ou 5 festons dans son sillage en 2010. Au fil des mois, en raison de la grande vitesse des vents, elle finit par se transformer en une perturbation gigantesque de 300000 km de longueur qui encercla toute la planète à l'été 2011 et s'étendit sur 4 milliards de kilomètres carrés. Elle fut 500 fois plus grande que les premiers vortex observés en 2009.

A gauche, le cyclone apparut le 1 décembre 1994. En comptant ses extensions, il mesure 12700 km. A droite, une série de tempêtes spectaculaires photographiées par Cassini en mars 2011. Apparue fin 2009, elle devint finalement 500 fois plus grande que les premiers vortex.  Documents NASA/ESA/STScI/R.Beebe et al. et NASA/JPL/SSI.

Enfin, à l'inverse de Jupiter, les aurores polaires sont plus intenses sur Saturne. Elles apparaissent de façon continue aux alentours de 80° de latitude, sans lien avec l'activité solaire. Des émissions ultraviolettes naissent aussi près du limbe et se propagent vers l'équateur. L'origine de ces phénomènes n'est pas encore établie. Enfin, Voyager 1 détecta autour de Saturne un immense nuage d'hydrogène neutre qui s'étend jusqu'à peu de distance de l'orbite de Titan (800000 km), probablement alimenté par les particules qui se libèrent de la haute atmosphère du satellite.

Structure magnétique

Sans commune mesure avec l'intensité du champ magnétique de Jupiter, celui de Saturne atteint la moitié de celui de la Terre, 0.2 gauss. Il présente une structure bipolaire qui se confond pratiquement avec l'axe de rotation de la planète, accusant un écart de 0.7° et légèrement décalé de 1200 km par rapport au centre géométrique de Saturne.

La magnétosphère est formée d'une onde de choc à l'endroit où les particules piégées rencontrent la pression du vent solaire, à 1800000 km de Saturne, déformée vers l'avant, tandis qu'elle s'étend pour former une longue queue dans la direction opposée au Soleil. La magnétopause, 3 fois moins étendue que celle de Jupiter, se situe à environ 500000 km du centre de la planète. Mais contrairement à Jupiter ou la Terre, l'imposant anneau de Saturne empêche la formation de ceintures de radiations près de la planète. Selon les derniers relevés effectués par la sonde Cassini en 2004, cette magnétosphère tourne comme la planète, avec une période de 10h45m45s, soit avec la même période que le noyau. Les anneaux ont surpris les radioastronomes car ils semblent à l'origine de plusieurs émissions radioélectriques détectées par Voyager. Ils émettent un rayonnement de basse fréquence (20 kHz) ainsi que des impulsions périodiques entre 20 et 40 MHz qui perturbent la magnétosphère.

Prochain chapitre

Le système d'anneaux

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