La pluie des anneaux de Saturne
La « pluie des anneaux » désigne la chute continue de matière des anneaux de Saturne vers l'atmosphère de la planète. Des grains de glace et des molécules d'eau, chargés électriquement, suivent les lignes du champ magnétique et tombent sur les latitudes moyennes de Saturne, au rythme d'environ 400 à 2 900 kg par seconde selon les mesures du télescope Keck. Lors de son Grand Final en 2017, la sonde Cassini a découvert un second flux, encore plus important, tombant directement vers l'équateur. Ensemble, ces pertes suggèrent que les anneaux pourraient disparaître en quelques centaines de millions d'années, voire moins.
Sommaire
Une idée née des sondes Voyager
Au début des années 1980, les mesures radio des sondes Pioneer et Voyager ont révélé une ionosphère de Saturne étonnamment pauvre en électrons. En 1984, John Connerney et J. Hunter Waite ont proposé une explication : de l'eau venue des anneaux tomberait dans la haute atmosphère et neutraliserait une partie des ions. Peu après, Connerney a remarqué sur des images de Voyager des bandes sombres à certaines latitudes, précisément celles qui sont reliées aux anneaux par les lignes du champ magnétique.
La confirmation par le télescope Keck
En 2011, James O'Donoghue et ses collègues ont observé Saturne avec le télescope Keck, à Hawaï, en ciblant l'émission infrarouge de l'ion H3+, très sensible à la présence d'eau. Ils ont découvert un motif de bandes claires et sombres dans les deux hémisphères. Projetées le long du champ magnétique, ces bandes correspondaient à des régions précises des anneaux, avec un déficit d'émission là où l'eau tombe. Publiés dans Nature en 2013, ces résultats ont confirmé la pluie des anneaux.
Des observations de 2017, publiées dans Icarus fin 2018, ont permis d'estimer le débit : entre environ 430 et 2 870 kg par seconde. À ce rythme, on remplirait une piscine olympique de glace en un quart d'heure à une heure et demie. Une équipe de la NASA en a déduit que la pluie des anneaux pourrait à elle seule vider les anneaux en environ 300 millions d'années.
Comment les anneaux « pleuvent »
Le mécanisme repose sur l'électricité et le magnétisme :
- Le rayonnement ultraviolet du Soleil, les impacts de micrométéorites et le plasma environnant arrachent de minuscules grains de glace et des molécules d'eau aux anneaux, et les chargent électriquement.
- Une fois chargées, ces particules ne suivent plus seulement la gravité : elles sont captées par le champ magnétique de Saturne.
- Selon leur distance à la planète, l'équilibre entre gravité, force centrifuge et force magnétique les entraîne le long des lignes de champ vers le nord ou le sud.
- Elles atteignent la haute atmosphère entre environ 25° et 60° de latitude, où l'eau modifie la chimie de l'ionosphère.
C'est pourquoi la pluie ne tombe pas à l'équateur, sous les anneaux, mais sur deux bandes de latitudes moyennes dans chaque hémisphère.
La surprise du Grand Final
En 2017, lors du Grand Final, Cassini a effectué 22 passages entre le sommet des nuages et le bord interne de l'anneau D, une région jamais explorée. Ses instruments ont mesuré directement la matière présente.
- Le spectromètre de masse INMS a détecté de l'eau, du méthane, de l'ammoniac, du monoxyde et du dioxyde de carbone, de l'azote moléculaire et des composés organiques, à des concentrations bien plus élevées que prévu.
- L'analyseur de poussières CDA a recueilli des nanograins et des grains riches en silicates (voir la composition des anneaux).
- L'instrument MIMI a observé des grains chargés précipitant vers la planète.
D'après ces mesures, publiées dans Science en 2018, entre 4 800 et 45 000 kg de matière par seconde tomberaient près de l'équateur, principalement depuis l'anneau D. Ce flux, qualifié de « chute équatoriale » plutôt que de pluie au sens strict, dépasse largement la pluie des anneaux. Beaucoup de chercheurs pensent cependant qu'il pourrait être temporaire, lié à des changements récents dans l'anneau D, et qu'il ne représente pas forcément une moyenne sur des millions d'années.
Quelles conséquences pour Saturne et ses anneaux ?
Pour l'atmosphère, cet apport d'eau et de carbone modifie la chimie de la haute atmosphère et de l'ionosphère, et pourrait contribuer au chauffage énigmatique de la thermosphère (voir la température de Saturne). Pour les anneaux, c'est une perte nette : en combinant pluie et chute équatoriale, la NASA évoquait en 2018 une durée de vie de moins de 100 millions d'années. Ces calculs alimentent le débat sur l'âge des anneaux : un système qui s'érode aussi vite a peu de chances d'être resté inchangé depuis 4,5 milliards d'années. Pour l'aspect visuel des changements, voir la disparition des anneaux.
Questions fréquentes
Qu'est-ce que la pluie des anneaux ?
C'est la chute de grains de glace et de molécules d'eau chargés électriquement depuis les anneaux vers l'atmosphère de Saturne, guidés par le champ magnétique jusqu'aux latitudes moyennes.
Quelle quantité de matière tombe des anneaux ?
La pluie des anneaux proprement dite représente environ 430 à 2 870 kg par seconde. Cassini a mesuré en 2017 un flux équatorial supplémentaire de 4 800 à 45 000 kg par seconde, peut-être temporaire.
La pluie des anneaux est-elle visible ?
Pas à l'œil nu. On la détecte par ses effets sur l'émission infrarouge de l'ion H3+ dans l'ionosphère, observée avec de grands télescopes comme le Keck.
Les anneaux vont-ils disparaître à cause de cette pluie ?
À très long terme, probablement. Les estimations vont de moins de 100 à environ 300 millions d'années, avec de fortes incertitudes sur la constance de ces débits.
Sources
- J. O'Donoghue et al., « The domination of Saturn's low-latitude ionosphere by ring 'rain' », Nature, 2013
- J. O'Donoghue et al., « Observations of the chemical and thermal response of 'ring rain' on Saturn's ionosphere », Icarus, 2019
- J. H. Waite et al., « Chemical interactions between Saturn's atmosphere and its rings », Science, 2018
- J. E. P. Connerney et J. H. Waite, « New model of Saturn's ionosphere with an influx of water from the rings », Nature, 1984