Première détection d'un système d'anneaux autour d'un satellite

Mardi, 18 mars 2008

Une équipe internationale(1) comprenant des chercheurs du CESR de Toulouse (UMR : CNRS / Université Paul Sabatier ; OMP / INSU), vient de mettre en évidence la présence d'un système d'anneaux autour de Rhéa, satellite de Saturne. Ces anneaux, détectés avec la sonde Cassini (NASA - ESA), sont composés de particules solides, d'une taille allant jusqu'à environ 1 mètre. Leur détection a été possible grâce aux signatures d'absorption qu'ils induisent sur les populations d'électrons énergétiques dans la magnétosphère de Saturne. Ce résultat, qui constitue la première détection d'un système d'anneaux autour, non pas d'une planète, mais d'un satellite, a été publié dans la revue Science.

Les planètes géantes de notre système solaire sont bien connues pour leurs systèmes d'anneaux qui les entourent, dont les plus spectaculaires sont ceux de Saturne. Ceux-ci sont constitués d'une multitude de particules solides qui sont en orbite équatoriale autour de la planète. Ces particules sont composées essentiellement de glace d'eau «contaminée» de poussières et de quelques autres éléments. Leurs tailles varient de quelques microns à quelques mètres, et sont organisées en plusieurs anneaux élémentaires. L'épaisseur totale du système d'anneaux de Saturne ne dépasse pas quelques dizaines de mètres, alors que le diamètre de l'anneau externe (anneau E) atteint le million de km.

Rhéa est le plus grand satellite de Saturne et est composé de plus de 75% de glace d'eau. Gravitant autour de la planète à plus 527 040 km, soit 8,7 rayons de Saturne, Rhéa "baigne" dans la magnétosphère de la planète, et est ainsi soumis au bombardement du plasma de particules énergétiques. Lors des survols de ce satellite par la sonde Cassini (2) une décroissance des flux des électrons énergétiques a été observée dans l'environnement de Rhéa, dès que la sonde est passée à moins de 7,7 fois le rayon du satellite. Cette décroissance des flux, mesurée par la sonde Cassini, est révélatrice de la présence dans l'environnement de Rhéa de matière qui absorbe les électrons énergétiques.

Trois hypothèses pouvaient expliquer cette observation, mais elles s'avèrent ne pouvoir expliquer les décroissances du flux d'électrons observées :

  • L'existence d'une atmosphère très tenue, ou exosphère, formée par les gaz issus du criblage de la surface du satellite par les micrométéorites et le rayonnement cosmique. Un modèle développé au CESR a montré que la présence d'une exosphère ne pouvait expliquer une telle décroissance de flux d'électrons.
  • L'existence d'une population locale de plasma froid n'a pu être mis en évidence par les autres instruments de Cassini.
  • L'existence d'un halo de grains de poussières issu d'impacts de micrométéorites sur la surface du satellite. Les modèles font apparaître des densités trop faibles pour expliquer ce phénomène de décroissance.

La dernière hypothèse qui soit compatible avec les observations est l'existence d'un disque équatorial centré sur Rhéa, situé en dehors de la trajectoire de la sonde Cassini, et composé de particules solides. Le modèle développé, et ajusté aux observations, indique que les particules qui composent ce système d'anneaux ont une distribution de tailles autour de quelques cm, allant jusqu'à ~1 m.

A la décroissance graduelle des flux d'électrons énergétiques, apparue dès la rentrée de Cassini dans la sphère de Hill de Rhéa (la sphère qui délimite l'influence gravitationnelle du satellite), sont superposées trois décroissances fortes et très localisées, observées aussi bien en phase d'approche qu'en phase d'éloignement et sur des positions symétriques par rapport au satellite. Ces trois signatures sont révélatrices de la présence de trois anneaux quasi-circulaires et bien plus denses, dont le plus externe présente un diamètre de ~4 040 km et le plus interne un diamètre de ~3 220 km. Ces trois anneaux correspondent à des concentrations locales de matière dans l'anneau diffus et étendu qui encercle Rhéa. A noter que l'épaisseur optique calculée de ces anneaux(3), de l'ordre de 10-5, est trop faible pour permettre leur observation optique lors des deux survols de Rhéa réalisés à ce jour par Cassini.

Cassini est un projet préparé en coopération entre la NASA, l'ESA et l'ASI. La contribution française est soutenue par le CNES.

Note(s): 
  1. Cette équipe comprend le Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (Allemagne), le Max Planck Institut für Kernphysik (Allemagne), le Mullard Space Science Laboratory (Royaume Uni), le Southwest Research Institute (USA), le Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements (UMR : CNRS / Université Paul Sabatier ; OMP / INSU), l'Imperial College (Royaume Uni), le Swedish Institute of Space Physics (Suède), le Jet Propulsion Laboratory (USA), l'Université d'Iowa (USA), l'Université de Virginie (USA), l'Université de Californie à Los Angeles (USA), le Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (USA), l'Université de Cologne (Allemagne), l'Université de Potsdam (Allemagne), et le Los Alamos National Laboratory (USA).
  2. La sonde Cassini a survolé Rhéa le 26/11/2005 et le 30/08/2007, à des altitudes d'approche de respectivement 500 km et 5 087 km.
  3. L'épaisseur optique fournit la probabilité d'absorption d'un photon traversant le milieu.
Source(s): 

"The dust halo of Saturn's largest icy moon, Rhea". G. H. Jones, E. Roussos, N. Krupp, U. Beckmann, A. J. Coates, F. Crary, I. Dandouras, V. Dikarev, M. K. Dougherty, P. Garnier, C. J. Hansen, A. R. Hendrix, G. B. Hospodarsky, R. E. Johnson, S. Kempf, K. Khurana, S. M. Krimigis, H. Krüger, W. S. Kurth, A. Lagg, H. J. McAndrews, D. G. Mitchell, C. Paranicas, F. Postberg, C. T. Russell, J. Saur, M. Seiß, F. Spahn, R. Srama, D. F. Strobel, R. Tokar, J.-E. Wahlund, R. J. Wilson, J. Woch, D. Young, Science 07/03/2008.

Contact(s):
  • Iannis Dandouras, Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (OMP/IRAP-CNRS/Université Paul Sabatier Toulouse III)
    Iannis [dot] Dandouras [at] cesr [dot] fr, 05 61 55 83 20

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