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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 XVIIeme 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.
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 tantôt pour des anses, tantôt pour des satellites (théorie de Fabri-Divini, 1660) ou des trouées dans un corps elliptique formaient en réalité un anneau autour de la planète. Pour départager les deux théories, en 1660 les astronomes italiens de l'Académie de Cimento confectionnèrent un modèle annelé de Saturne qu'ils placèrent respectivement à 21 et 74m 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. 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
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. Si vous l'observez après Jupiter, le globe de Saturne vous paraîtra tout petit. A cette distance il est en effet dix fois plus petit que celui de Jupiter (5" contre 48") ou 4.5 fois plus petit (10") si on tient compte des anneaux. 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. Tous les 15 ans environ, la Terre traverse le plan de ses anneaux, nous donnant l'impression qu'ils disparaissent tellement ils sont minces. Avec un axe de rotation incliné de 26°44' sur le plan de l'orbite, à intervalles réguliers 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.
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 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. 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. Saturne est constituée de 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'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). L'atmosphère supérieure de Saturne est 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. Ses bandes sont plus pâles que celles de Jupiter et sont également plus larges au niveau de l'équateur. A l'inverse de Jupiter, aucun détail atmosphérique n'apparaît 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. Au sommet de la couche nuageuse, la sonde spatiale Voyager 2 a relevé une température 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. Cette énergie porte le noyau de Saturne à une température de 12000 K légèrement inférieure à celle de Jupiter (20000 K). Ce mécanisme compresse gravitationnellement la planète mais ne pourra jamais provoquer une fusion nucléaire car sa masse et sa température sont 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 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 contre 150 m/s). La couche nuageuse s'étend sur une épaisseur de 300 km environ (jusque 1300 km jusqu'à l'exosphère), dans laquelle la température diminue régulièrement, d'un maximum de 20°C dans les couches les plus profondes jusque -160°C au sommet des nuages (niveau 100 mb). A cette altitude, comme sur Jupiter, la température croît à nouveau mais l'atmosphère se raréfie. Les gros plans 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 (voir photographie ci-dessus à droite). Aucun éclair n'a été détecté dans l'hémisphère plongée dans la nuit, comme ce fut le cas sur Jupiter. Mais les détecteurs ont malgré tout enregistré des décharges électriques dont l'origine n'a pu être établie, peut-être proviennent-ils des anneaux de Saturne. A l'inverse de Jupiter, l'activité des aurores polaires est plus
intense. 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 a détecté 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
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