De quoi sont faits les anneaux de Saturne ?
Les anneaux de Saturne sont faits essentiellement de glace d'eau : plus de 95 % de leur masse, et jusqu'à 99 % dans les anneaux A et B. Cette glace forme des milliards de particules indépendantes, de la poussière microscopique à des blocs d'une dizaine de mètres, la plupart de la taille d'un caillou à celle d'une maison. Le reste est un mélange de silicates, de composés organiques et de fines particules riches en fer qui teintent les anneaux de beige et de rose.
Sommaire
Comment sait-on que c'est de la glace ?
La preuve vient de la spectroscopie. Dans les années 1970, des observations au sol dans l'infrarouge proche ont détecté les bandes d'absorption caractéristiques de la glace d'eau à 1,5 et 2 micromètres. Les instruments de Cassini, en particulier le spectromètre VIMS, ont ensuite cartographié ces bandes sur tout le disque : elles sont profondes et nettes, signe d'une glace cristalline et peu contaminée. L'albédo très élevé de l'anneau B, qui réfléchit plus de la moitié de la lumière reçue, va dans le même sens.
Les ondes radio confirment le tableau. Lorsque Cassini émettait un signal vers la Terre à travers les anneaux, l'atténuation à différentes longueurs d'onde (3,6, 9 et 13 cm) a permis d'estimer la taille des particules et de montrer qu'elles sont peu absorbantes, comme une glace presque pure.
Une gamme de tailles immense
Les anneaux ne sont pas faits de grains de taille uniforme. Les particules suivent une distribution en loi de puissance : il y a énormément de petits grains et de moins en moins de gros blocs. Dans les anneaux principaux, la population la plus représentée en masse se situe entre le centimètre et quelques mètres, avec un plafond vers 5 à 10 m.
| Région | Particules dominantes | Remarques |
|---|---|---|
| Anneau D | poussière fine | très peu de matière |
| Anneau C | du centimètre au mètre | glace plus sale, plus sombre |
| Anneau B | du centimètre à plusieurs mètres | le plus dense et le plus pur |
| Division de Cassini | petites particules | composition proche de l'anneau C |
| Anneau A | du centimètre à environ 10 m | agrégats temporaires (« sillages ») |
| Anneau F | poussière et quelques corps kilométriques | annelet étroit et changeant |
| Anneaux G et E | grains du micromètre | presque uniquement de la poussière |
Les plus gros fragments ne sont pas des rochers compacts. Ce sont plutôt des agrégats poreux, comparables à des boules de neige, qui se collent les uns aux autres puis se séparent au gré des collisions. Dans l'anneau A, la gravité mutuelle des particules les rassemble en structures allongées et éphémères, les « sillages d'autogravitation », qui se défont et se reforment à chaque orbite. Les plus grosses masses agrégées, des lunes minuscules d'une centaine de mètres à un kilomètre, trahissent leur présence par des perturbations en hélice (voir les satellites bergers).
Les impuretés : silicates et organiques
Si les anneaux étaient de la glace absolument pure, ils seraient blancs. Or ils présentent une légère teinte rougeâtre, plus marquée dans l'anneau B et l'anneau A. Les modèles spectraux l'attribuent à une petite fraction de matière non glacée, probablement des composés organiques de type tholins et des particules contenant du fer, peut-être des oxydes à l'échelle nanométrique.
L'anneau C et la division de Cassini sont plus sombres et plus contaminés. L'explication la plus courante : ces régions contiennent moins de matière, si bien que la pluie continue de micrométéorites venues de l'extérieur du système saturnien y laisse une proportion plus élevée de poussière silicatée et carbonée. Ce « noircissement » progressif est au cœur du débat sur l'âge des anneaux.
Ce qu'a révélé le Grand Final de Cassini
En 2017, lors de son Grand Final, Cassini a plongé 22 fois entre la planète et l'anneau D. Pour la première fois, des instruments ont échantillonné directement la matière qui s'échappe des anneaux. L'analyseur de poussières CDA a recueilli de minuscules grains riches en silicates, plus riches en matière non glacée que la surface des anneaux. Le spectromètre de masse INMS a mesuré dans cette zone de l'eau, mais aussi du méthane, de l'ammoniac, du monoxyde et du dioxyde de carbone, de l'azote moléculaire et des molécules organiques plus lourdes. Ces résultats, publiés dans Science en 2018, montrent que la pluie des anneaux n'est pas faite que de glace.
Différences avec les autres anneaux
La composition des anneaux de Saturne les distingue de ceux des autres planètes géantes. Les anneaux de Jupiter sont formés de poussière sombre arrachée à ses petites lunes ; ceux d'Uranus et de Neptune sont noirs, probablement couverts de matière organique altérée par le rayonnement. Seuls les anneaux de Saturne combinent une masse importante et une glace aussi propre. L'anneau E, lui, fait exception au sein même du système saturnien : il est constitué de microcristaux de glace éjectés par les geysers d'Encelade, et contient des traces de sels et de silice provenant de son océan souterrain.
Pourquoi tant de glace ?
À 1,4 milliard de km du Soleil, la glace d'eau est stable et abondante : c'est le matériau principal des lunes de Saturne. Mais une telle pureté reste surprenante, car même un objet initialement mixte, comme une lune faite de roche et de glace, aurait dû laisser beaucoup de roche dans les anneaux. Plusieurs scénarios d'origine tentent de l'expliquer, par exemple le dépouillement du manteau glacé d'une grosse lune qui aurait migré vers Saturne, son noyau rocheux finissant englouti par la planète.
Questions fréquentes
Les anneaux de Saturne sont-ils faits de roche ?
Très peu. Plus de 95 % de leur masse est de la glace d'eau ; la roche, sous forme de silicates, ne représente qu'une faible fraction, plus importante dans l'anneau C et la division de Cassini.
Quelle est la taille des morceaux des anneaux ?
Elle va du grain de poussière d'un micromètre à des blocs d'environ 10 m. La plupart des particules mesurent entre un centimètre et quelques mètres.
Pourquoi les anneaux de Saturne brillent-ils autant ?
Parce que la glace d'eau presque pure réfléchit très bien la lumière du Soleil. L'anneau B renvoie plus de la moitié de la lumière qu'il reçoit.
Y a-t-il de la matière organique dans les anneaux ?
Oui, en faible quantité. Les spectres suggèrent des composés organiques responsables de la teinte rougeâtre, et Cassini a détecté des molécules organiques dans la matière qui tombe des anneaux vers Saturne.
Sources
- NASA Science, Saturn
- H.-W. Hsu et al., « In situ collection of dust grains falling from Saturn's rings into its atmosphere », Science, 2018
- J. H. Waite et al., « Chemical interactions between Saturn's atmosphere and its rings », Science, 2018
- P. D. Nicholson et al., « A close look at Saturn's rings with Cassini VIMS », Icarus, 2008