Combien de temps dure un jour sur Saturne ?
La durée du jour sur Saturne est d'environ 10 heures 33 minutes et 38 secondes, selon la meilleure estimation actuelle, publiée en 2019 à partir des ondes observées par Cassini dans les anneaux. Pendant des décennies, la valeur de référence était de 10 h 39 min, tirée des signaux radio enregistrés par Voyager, mais ces signaux ne reflétaient pas la rotation de l'intérieur profond. Faute de surface solide à suivre, la rotation de Saturne est l'une des plus difficiles à mesurer du Système solaire.
Sommaire
Pourquoi la journée de Saturne est si difficile à mesurer
Sur une planète rocheuse, rien de plus simple : on attend qu'un cratère ou une montagne revienne à la même place. Saturne n'offre aucun repère fixe. On n'y voit que des nuages, qui dérivent au gré de vents très variables selon la latitude. Près de l'équateur, les formations nuageuses font le tour en 10 h 14 min environ, emportées par un courant-jet qui souffle jusqu'à 1 800 km/h ; plus au nord ou au sud, elles prennent du retard. Suivre les nuages, c'est mesurer la rotation de la météo, pas celle de la planète.
Pour Jupiter, les astronomes ont tourné la difficulté grâce au champ magnétique. Incliné d'environ 10° sur l'axe de rotation, il balaie l'espace comme le faisceau d'un phare et module les émissions radio qu'il piège, ce qui révèle la rotation de l'intérieur conducteur où il naît. Le champ de Saturne, lui, est presque parfaitement symétrique autour de l'axe : moins de 0,01° d'écart d'après les dernières orbites de Cassini. Un champ identique sous tous les angles ne fournit aucun phare tournant. Voir la magnétosphère.
La valeur de Voyager : 10 h 39 min
En survolant Saturne en 1980 et 1981, Voyager 1 et 2 ont capté des bouffées de rayonnement kilométrique, des émissions radio naturelles venues des régions aurorales, pulsant avec une période de 10 h 39 min 22 s. Faute de meilleure horloge, l'Union astronomique internationale l'a adoptée comme période de rotation officielle, dite Système III, et elle a servi pendant un quart de siècle. Voir Voyager.
Les ennuis ont commencé dans les années 1990 et 2000. La sonde Ulysses puis Cassini ont montré que la période radio était plus longue d'environ 6 minutes qu'à l'époque de Voyager, et qu'elle continuait de varier. Cassini a ensuite découvert deux périodes radio distinctes, l'une issue de l'hémisphère Nord, l'autre du Sud, qui se sont lentement rapprochées puis croisées autour de l'équinoxe de 2009. Une planète entière ne peut ni modifier sa rotation de 1 % en vingt ans, ni tourner à deux vitesses à la fois. Ces signaux étaient manifestement liés à des processus de la magnétosphère et de la haute atmosphère, peut-être modulés par les saisons et par le plasma d'Encelade, et non à l'intérieur profond.
Des estimations indirectes
L'horloge radio discréditée, les chercheurs ont exploré d'autres voies :
- La forme et la gravité. L'aplatissement d'une planète et son champ de gravité dépendent de sa vitesse de rotation. En ajustant des modèles de l'intérieur à la forme mesurée, on a obtenu des périodes d'environ 10 h 32 min, notamment dans une étude de Helled, Galanti et Kaspi en 2015.
- La dynamique atmosphérique. En retenant la période qui rend le régime des vents le plus stable physiquement, Read et ses collègues ont obtenu environ 10 h 34 min en 2009.
Ces estimations s'accordaient sur une journée plus courte de plusieurs minutes que celle de Voyager, mais chacune reposait sur des hypothèses de modélisation.
La réponse des anneaux : la sismologie annulaire
La percée est venue des anneaux. En 1993, Mark Marley et Carolyn Porco avaient suggéré que les oscillations internes de Saturne, des ondes acoustiques et de gravité qui ballottent dans la planète, perturberaient légèrement son champ de gravité et pourraient lancer des ondes spirales dans les anneaux, comme le font les lunes. En 2013, Matthew Hedman et Philip Nicholson l'ont confirmé : en observant des étoiles à travers l'anneau C, Cassini a révélé des ondes de densité dont les motifs ne pouvaient provenir que des vibrations de Saturne elle-même.
Les anneaux devenaient ainsi un sismographe. Les fréquences de ces ondes dépendent de la structure interne de la planète et de sa vitesse de rotation. En 2019, Christopher Mankovich et ses collègues les ont modélisées et en ont tiré une période de 10 h 33 min 38 s, à environ deux minutes près. Les mêmes données ont ensuite révélé un vaste noyau diffus, présenté à la page structure interne. La matière annulaire qui porte ces ondes est décrite dans les anneaux de Saturne.
Cette valeur de 10 h 33 min 38 s est aujourd'hui largement adoptée, même si elle reste une estimation fondée sur des modèles et non une mesure directe ; les données de gravité du Grand Final de Cassini nourrissent encore des affinements.
Pourquoi quelques minutes comptent
Six minutes semblent une correction dérisoire ; elles ont pourtant des conséquences réelles. Les vitesses des vents sur Saturne sont mesurées par rapport à la rotation supposée de la planète. Raccourcir la journée d'environ 1 % modifie la vitesse de référence à l'équateur d'une centaine de mètres par seconde, plus de 300 km/h. Avec la nouvelle période, le jet équatorial est un peu moins rapide qu'on ne le pensait, et l'alternance des jets vers l'est et vers l'ouest devient plus équilibrée, plus proche de ce qu'on observe sur Jupiter. Voir l'atmosphère.
La période intervient aussi dans les modèles de l'intérieur, dans le calcul de l'aplatissement et dans la définition des longitudes, essentielle pour suivre des structures comme l'hexagone. Fait curieux, l'hexagone dérive très peu par rapport à l'ancienne période radio de Voyager, une coïncidence encore mal expliquée.
La journée saturnienne en perspective
La journée de Saturne est la deuxième plus courte des planètes, après les 9 h 56 min de Jupiter. Au niveau de 1 bar, à l'équateur, la rotation entraîne la matière à environ 10 km/s, quelque 36 000 km/h, plus de vingt fois la vitesse de l'équateur terrestre. Conséquence visible dans n'importe quel télescope : Saturne est la planète la plus aplatie, avec un diamètre polaire inférieur de près de 10 % au diamètre équatorial. Voir taille et masse. Et comme son année dure 29,46 ans, Saturne tourne environ 24 000 fois sur elle-même à chaque tour du Soleil.
Questions fréquentes
Combien d'heures dure un jour sur Saturne ?
Environ 10,56 heures, soit 10 h 33 min 38 s, d'après une analyse des ondes des anneaux publiée en 2019.
Pourquoi existe-t-il plusieurs valeurs pour la rotation de Saturne ?
Les anciennes valeurs, comme les 10 h 39 min de Voyager, provenaient d'émissions radio qui se sont révélées variables dans le temps et selon l'hémisphère. Le suivi des nuages donne des périodes différentes selon la latitude. L'estimation par sismologie des anneaux est considérée comme la meilleure mesure de l'intérieur profond.
Saturne tourne-t-elle plus vite que la Terre ?
Oui, bien plus vite. Une journée saturnienne dure moins de la moitié d'une journée terrestre, et comme Saturne est très large, son équateur file à environ 36 000 km/h, contre 1 670 km/h environ pour celui de la Terre.
Quelle planète a le jour le plus court ?
Jupiter, avec environ 9 h 56 min. Saturne arrive deuxième avec environ 10 h 33 min.
Sources
- Mankovich, C., Marley, M. S., Fortney, J. J., Movshovitz, N. (2019), « Cassini Ring Seismology as a Probe of Saturn's Interior. I. Rigid Rotation », The Astrophysical Journal 871:1
- Hedman, M. M., Nicholson, P. D. (2013), « Kronoseismology: using density waves in Saturn's C ring to probe the planet's interior », The Astronomical Journal 146
- Helled, R., Galanti, E., Kaspi, Y. (2015), « Saturn's fast spin determined from its gravitational field and oblateness », Nature 520
- NASA Science : Saturn