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Pendant plus d’une décennie, la sonde Cassini a eu peut-être la vue la plus spectaculaire du système solaire.

Très souvent, elle a fait une boucle autour de Saturne, observant les magnifiques anneaux sous de nombreux angles. Elle a tracé des anneaux individuels, repéré des vagues et des ondulations, et découvert des « hélices » et d’autres caractéristiques étranges intégrées dans le système d’anneaux.

Et puis la vue s’est améliorée. Au cours de ses 22 dernières orbites, Cassini a plongé dans l’espace situé entre les sommets des nuages de Saturne et le bord interne des anneaux, passant si près d’eux qu’elle a dû utiliser son antenne radio comme bouclier contre les particules des anneaux.

Cette perspective a produit des données scientifiques impressionnantes ainsi que des vues impressionnantes. Les observations de Cassini ont révélé la masse des anneaux et ont permis de mieux estimer le moment de leur formation et la durée de celle-ci.

« Avant la finale de Cassini, il y avait deux grandes inconnues, et elles ont maintenant été résolues : Quelle est la masse des anneaux, et quel est le taux de perte de masse des anneaux ? », a déclaré Luke Moore, chercheur principal à l’Université de Boston.

D’après ces mesures, les chercheurs ont conclu qu’il se trouve que nous voyons les anneaux de Saturne au milieu d’une durée de vie relativement courte, qui a commencé il y a peut-être 100 millions d’années et pourrait durer 100 millions d’années de plus.

Les découvertes d’anneaux de Cassini ne se sont pas arrêtées là, cependant. L’engin a volé à travers une « pluie d’anneaux » – une pluie de particules provenant des anneaux dans l’atmosphère de Saturne – qui lui a permis de mesurer directement la composition des anneaux. Ses instruments ont également mesuré les effets de la pluie d’anneaux sur l’atmosphère de Saturne. Et les scientifiques ont même utilisé l’apparence des anneaux pour déduire la durée du jour de Saturne, ajoutant un accomplissement de plus à la reconnaissance des anneaux de Saturne par Cassini.

Devenir « Seigneur des anneaux »

Les principaux anneaux de Saturne s’étendent sur environ 275 000 kilomètres – environ deux tiers de la distance entre la Terre et la Lune – bien que leur épaisseur moyenne ne dépasse pas quelques dizaines de mètres. De l’extérieur vers l’intérieur, les anneaux sont étiquetés A, B, C et D, les trois premiers étant constitués de nombreux anneaux individuels plus petits. (Quelques anneaux faibles et de faible masse se cachent à l’extérieur de l’anneau A, mais ils sont insignifiants par rapport aux bandes principales). A et B sont larges et denses, et ils contiennent la majeure partie de la masse du système d’anneaux.

L’anneau C a aidé les astronomes à résoudre un mystère perplexe sur Saturne : la durée de son jour, qui avait été difficile à cerner.

Chris Mankovich, un étudiant diplômé de l’Université de Californie à Santa Cruz, a étudié les ondes dans l’anneau C pour sa thèse de doctorat. Ces ondes sont générées par les mouvements des couches situées à plusieurs milliers de kilomètres sous les sommets des nuages de Saturne.

« La masse à l’intérieur de la planète s’agite d’avant en arrière, et les anneaux « ressentent » cela par la gravité », a-t-il expliqué.

Cassini a détecté les ondes en mesurant les occultations stellaires par les particules de l’anneau C, qui est beaucoup moins dense que les anneaux A et B. Le schéma exact des ondes révèle les mouvements de la planète, que Mankovich a ensuite utilisé pour calculer la vitesse de rotation de Saturne : 10 heures, 33 minutes, 38 secondes.

La plupart des recherches sur les anneaux, cependant, ont porté sur les anneaux eux-mêmes et sur leurs interactions avec l’atmosphère de Saturne. Cassini est passée à l’intérieur de l’anneau fantôme D, qui s’approche à environ 6 500 kilomètres des nuages de Saturne – si près qu’il est immergé dans l’atmosphère extérieure ténue de la planète, appelée exosphère.

Les plongeons de Cassini à l’intérieur de l’anneau D faisaient partie de la grande finale de l’engin, une phase de mission de 5 mois qui s’est terminée par la disparition de Cassini le 15 septembre 2017.

Cassini ayant épuisé ses propergols, les planificateurs de la mission ont décidé de mettre fin à son voyage en l’envoyant dans l’atmosphère de Saturne, où elle brûlerait. Cela éliminerait le risque qu’elle heurte les lunes Titan et Encelade, qui présentent des signes d’habitabilité, et qu’elle les contamine éventuellement avec des microbes terrestres qui auraient pu survivre aux rigueurs de l’espace.

Les ingénieurs ont conçu une trajectoire de vol qui profiterait de la fin de Cassini pour fournir de nouvelles informations sur Saturne et les anneaux. En se rapprochant en spirale de Saturne, Cassini devait sonder l’intérieur de la planète avec une plus grande fidélité, obtenir un aperçu plus détaillé de ses sommets de nuages et étudier les anneaux sous un nouvel angle.

Parmi les découvertes les plus importantes du grand final, cet angle « inside-out » a permis aux scientifiques d’effectuer la meilleure mesure à ce jour de la masse des anneaux de Saturne.

Lorsqu’elle est restée à l’extérieur des anneaux, Cassini a été tirée par la gravité combinée de Saturne et du système d’anneaux, il était donc difficile d’isoler la traction des seuls anneaux. En revanche, lorsque Cassini est passée à l’intérieur des anneaux, Saturne a tiré l’engin dans une direction tandis que les anneaux tiraient dans une autre.

Un suivi radio précis a révélé l’effet gravitationnel des anneaux sur la trajectoire de Cassini, ce qui a permis aux scientifiques de calculer leur masse : 41 % de la masse de la petite lune de Saturne, Mimas (plus ou moins 13 %), ou 0,05 % de la masse de la lune terrestre – soit environ la moitié de la valeur de nombreuses estimations antérieures à la grande finale.

Avec d’autres paramètres, la masse a permis aux scientifiques d’estimer également l’âge des anneaux.

Dans un article de Science, publié en janvier, les membres de l’équipe scientifique de la radio ont supposé que les anneaux étaient au départ de la glace d’eau presque pure et qu’ils ont été assombris par des matériaux météoriques provenant de l’extérieur du système de Saturne, qui tombent sur les anneaux à un rythme bien connu. L’obscurité des anneaux révèle le rapport entre la glace et la roche, qui révèle à son tour leur âge : entre 10 millions et 100 millions d’années.

« Ils ne peuvent pas être plus vieux qu’une centaine de millions d’années parce qu’ils seraient plus sombres », a déclaré Burkhard Militzer, professeur associé de sciences de la Terre et des planètes à l’Université de Californie, Berkeley, et auteur de l’article. « Cela nous indique de manière concluante que les anneaux sont très jeunes. Mon commentaire préféré à propos de cette recherche est venu d’un site web russe, qui a dit en gros que nous avons trouvé quand Saturne est devenue « Le Seigneur des anneaux ». »

« L’âge n’est pas un problème résolu, mais il réduit les barres d’erreur », a déclaré Moore. « Il est cohérent avec les anneaux des autres planètes géantes. Ce sont des environnements très différents, mais le fait que nous ne voyons pas de systèmes de taille similaire à Jupiter ou aux autres planètes serait cohérent avec un jeune âge pour les anneaux de Saturne, qui, avec le temps, s’évaporeraient en quelque sorte. »

Ringing in the Rain

Les observations de Cassini peuvent également aider les scientifiques à déterminer comment les anneaux se sont formés. Une idée dit qu’ils sont nés lorsque la gravité de Saturne a écarté une comète qui passait et que les restes ont encerclé la planète, tandis qu’une autre dit qu’ils se sont formés à partir d’une ou plusieurs collisions entre de petites lunes ou entre une lune et une comète.

Des indices sur l’origine peuvent provenir des mesures directes de Cassini sur la matière des anneaux. En plongeant dans le plan des anneaux, l’engin spatial a détecté une « pluie » étonnamment forte de particules neutres riches en matières organiques sur l’équateur – assez pour drainer les anneaux en un rien de temps.

Les scientifiques avaient déjà détecté une retombée des anneaux aux latitudes moyennes de la planète, que Moore qualifie de « pluie d’anneaux classique » parce que c’est la première pluie d’anneaux à avoir été décrite. Elle a été prédite pour la première fois dans les années 1980 sur la base des mesures de l’ionosphère effectuées par Voyager. Les scientifiques ont noté une baisse inattendue de la charge de l’ionosphère à certaines latitudes, ainsi que des zones sombres dans les nuages.

Des micrométéorites pourraient frapper la partie interne de l’anneau B, créant un plasma. Certaines des particules de plasma suivent les lignes du champ magnétique de Saturne vers la planète, tombant dans l’atmosphère le long des bandes de latitude observées. Ces particules se combinent avec les électrons de l’ionosphère, réduisant la densité électronique à ces latitudes. La pluie élimine également la brume de haute altitude, ce qui nous permet de voir plus profondément dans l’atmosphère, produisant les zones sombres.

Une étude publiée plus tôt cette année dans Icarus, basée sur une réanalyse des observations du télescope Keck de 2011, a confirmé la chute dans les bandes autour des latitudes 45°N et 39°S. Selon l’étude, ce processus fournit environ 432 à 2 870 kilogrammes d’eau aux latitudes moyennes de Saturne chaque seconde, ce qui est suffisant pour drainer les anneaux en environ 300 millions d’années.

Cassini a confirmé les résultats obtenus au sol. Mais il a également découvert que cette pluie pourrait n’être qu’une simple averse comparée à l’afflux à l’équateur de Saturne.

L’analyseur de poussière cosmique a par exemple constaté que la région entre l’anneau D et l’atmosphère extérieure est remplie d’une population assez constante de grains de glace d’eau et de silicates de quelques dizaines de nanomètres de diamètre.

L’instrument d’imagerie magnétosphérique (MIMI), qui a été conçu pour mesurer les atomes, ions et électrons neutres énergétiques, a détecté des grains encore plus petits (comparables à la taille des particules de fumée) à des altitudes d’environ 1 700 à 3 000 kilomètres au-dessus de l’équateur de la planète.

« On ne s’attendait pas à trouver de la poussière juste à l’équateur, donc le fait que Cassini ait trouvé une population concentrée à cet endroit a été une sacrée surprise », a déclaré Don Mitchell, un physicien du personnel du laboratoire de recherche appliquée de l’Université Johns Hopkins à Baltimore, Md…, et chercheur principal de MIMI. « Nous avons parlé aux spécialistes de la poussière, et ils ne nous ont pas crus les trois ou quatre premières fois que nous leur avons dit. Ils ont fini par se raviser et réaliser que cela se produit. »

Les grains proviennent probablement de D68, l’anneau le plus interne de l’anneau D. Les collisions avec les atomes d’hydrogène dans l’exosphère de Saturne frappent les grains de poussière, qui entrent ensuite en spirale dans l’atmosphère de la planète en quelques heures seulement. La population observée suggère qu’environ 5 kilogrammes de ces particules entrent dans l’atmosphère de Saturne par seconde.

La rupture n’est pas difficile à faire

Peut-être que les résultats les plus intrigants, cependant, proviennent du spectromètre de masse ionique et neutre (INMS), un instrument qui a déterminé la composition et la structure des ions et des particules neutres. Il a été conçu pour étudier Titan et la magnétosphère de Saturne, où les particules se heurtent à des vitesses d’environ 6 kilomètres par seconde. Pour le grand final, cependant, Cassini a atteint des vitesses maximales de plus de 30 kilomètres par seconde, poussant les instruments d’une manière que les scientifiques n’avaient jamais prévue.

Les particules provenant de la haute atmosphère de Saturne sont entrées dans une antichambre, puis ont voyagé jusqu’à des détecteurs où elles ont été filtrées et comptées. À des vitesses élevées, les plus grosses particules ont été réduites en miettes à l’intérieur de l’instrument, de sorte que les molécules plus complexes ont probablement été brisées, les divisant en molécules plus petites.

« Nous étions inquiets de la fragmentation, mais cela a semblé bien fonctionner d’une manière que nous ne comprenons pas encore complètement », a déclaré J. Hunter Waite, directeur de programme au Southwest Research Institute de San Antonio, au Texas, et chercheur principal de l’INMS. « Cela a compliqué les choses à certains égards, mais à d’autres, c’était notre meilleur ami, car cela nous a permis de voir certaines grosses molécules que nous n’aurions pas pu voir si elles ne s’étaient pas brisées. »

L’INMS a détecté un mélange d’éléments et de composés, dont beaucoup étaient inattendus, notamment le méthane (16% de l’échantillon en masse), l’ammoniac, le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, l’azote moléculaire et les fragments de composés organiques plus lourds (37%). Presque tous tombaient de l’anneau D interne à une bande de 8° centrée sur l’équateur.

« L’eau est présente, mais elle ne semble pas dominer », a déclaré Moore. « C’était une grande surprise parce que lorsque vous regardez les anneaux de manière spectroscopique, ils sont constitués à 90 et quelques pour cent de glace d’eau. »

La matière entrante peut modifier la chimie atmosphérique de Saturne. Une étude, par exemple, a révélé qu’une étrange surabondance de méthane observée dans l’atmosphère de Saturne pourrait s’expliquer si le taux actuel d’infallation s’était maintenu pendant toute la durée de vie des anneaux. Le méthane entrerait à l’équateur et serait ensuite distribué autour du reste de la planète pendant des millions d’années.

Une centaine de millions d’années à venir

Les scientifiques de l’instrument ont estimé qu’un total de 4 500 à 48 000 kilogrammes de matériaux pleuvent de l’anneau D dans l’atmosphère chaque seconde. « L’anneau D disparaîtrait dans 10 000 à 70 000 ans au taux d’infallation actuel », a déclaré Waite, l’anneau C ne persistant pas plus de quelques millions d’années.

Mais Cassini a détecté des variations du taux à la fois en fonction de la longitude et du temps, ce qui suggère que le taux n’est pas stable, de sorte que Cassini pourrait avoir étudié les anneaux à un moment où l’infallation était exceptionnellement forte. Au cours des dernières décennies, en effet, de gros météoroïdes ont pu se fracturer lors de leur impact avec les anneaux, fournissant ainsi des matériaux frais.

« Une partie de l’anneau D s’est considérablement éclaircie en 2015 », a déclaré Mitchell. « On pense que deux morceaux de matière d’assez bonne taille sont entrés en collision ou bien qu’un météoroïde est arrivé et a heurté un morceau de matière dans l’anneau D. »

En outre, « il existe des indications claires d’un transfert épisodique de matière de l’anneau C vers l’anneau D », a déclaré Waite. Mais il a ajouté qu’il n’existe aucun moyen connu de transférer de la matière des anneaux A et B, qui contiennent la grande majorité de la masse du système d’anneaux, pour soutenir les anneaux internes plus légers.

Cet équilibre entre la matière des anneaux entrants et les ajouts au système d’anneaux par les comètes et les météoroïdes laisse le sort des anneaux un peu incertain, bien que Mitchell ait déclaré qu’ils ne vivront probablement pas beaucoup plus longtemps – selon les normes astronomiques.

« À l’origine, on estimait que les anneaux étaient nés il y a quatre milliards et demi d’années et qu’ils étaient restés assez stables », a déclaré Mitchell. « Mais il semble qu’ils soient assez récents. Et si vous calculez toutes les pertes des anneaux, ils ne seront probablement plus là pour plus d’une centaine de millions d’années, ce qui est beaucoup plus court que la durée de vie du système solaire. Donc cet argument est à peu près réglé. »

« Peut-être devrions-nous apprécier les anneaux un peu plus la prochaine fois que nous les regarderons dans un télescope », a déclaré Militzer avec un petit rire. « C’est un moment spécial – les anneaux ne seront pas là pour toujours. »

Damond Benningfield (), rédacteur scientifique

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