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Le ciel à découvert

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Jean Audouze

Première partie. Le Soleil et le Système solaire

5. Les planètes géantes

André Brahic

Texte intégral

1Les planètes géantes sont des astres majeurs qui ont joué dans notre histoire un rôle souvent méconnu. La Terre avec ses caractéristiques favorables à la vie est née grâce à Jupiter. Les découvertes des satellites de Jupiter et des anneaux de Saturne ont joué un rôle important dans l’évolution des idées à l’époque de la Renaissance. La découverte de Neptune par le calcul marque le triomphe de la théorie de la Gravitation. Celle des arcs de Neptune que l’auteur de ces lignes a eu la chance de réaliser ouvre la voie à la compréhension d’un phénomène physique fondamental, le confinement. L’exploration spatiale de ces planètes a été réalisée en quelques années grâce à des missions particulièrement ambitieuses qui symbolisent ce tournant dans notre histoire qu’est le fait de pouvoir s’arracher à l’attraction terrestre. Ces planètes géantes sont très différentes les unes des autres contrairement à ce que pensaient les astronomes avant de les visiter.

Fig. 1 – Les tailles relatives des planètes et du Soleil. Les planètes géantes sont des boules de gaz composées pour l’essentiel d’hydrogène et d’hélium. Elles sont toutes les quatre entourées d’anneaux et elles possèdent plus de 150 satellites. Près du Soleil, là où la température était la plus élevée, l’essentiel du matériau de la nébuleuse primitive constituée à 99 % d’hydrogène et d’hélium s’est évadé avant la formation des planètes. Seuls les éléments les plus lourds ont joué un rôle majeur dans la formation des planètes terrestres. Les planètes géantes sont nées loin du Soleil, là où la température était suffisamment basse pour que les éléments les plus légers et les plus nombreux tels que l’hydrogène et l’hélium puissent rester et se rassembler pour les former

2Quand ils sont visibles, Jupiter et Saturne sont parmi les astres les plus lumineux du ciel nocturne. Nuit après nuit, ces points brillants se déplacent dans le ciel par rapport aux étoiles, ce qui a beaucoup intrigué nos ancêtres. Il a fallu de nombreux siècles pour comprendre le mouvement de ces vagabonds et s’apercevoir qu’ils tournaient autour du Soleil, comme la Terre. Cette découverte marque le début de la science moderne. Elle n’a pas été obtenue sans mal avec plusieurs victimes sur la route de l’intolérance comme Giordano Bruno, Galilée et d’autres. À l’époque moderne, deux autres planètes plus lointaines ont été découvertes : Uranus en 1781 et Neptune en 1846.

3Jusqu’aux années 1970, les planètes géantes et leur environnement n’étaient, pour les hommes, que quelques points de lumière dans le ciel. Tout a changé, en moins d’une génération, avec l’arrivée des missions spatiales. Dans les années 1970, les sondes Pioneer 10 et 11 ont été de véritables kamikazes qui nous ont appris qu’un robot humain pouvait traverser sans dommages la ceinture des astéroïdes et s’approcher des intenses champs magnétiques et électriques de Jupiter et de Saturne. La voie de l’exploration était ouverte ! Entre 1979 et 1989, les sondes Voyager ont survolé successivement les quatre planètes géantes et ont bouleversé notre connaissance des confins du Système solaire. Cette aventure restera comme un des grands moments de l’histoire humaine, elle nous a fait prendre conscience de l’immense diversité et de la richesse du monde des planètes géantes. En orbite autour du monde de Saturne depuis 2004, la sonde Cassini nous envoie chaque jour des informations nouvelles. Pour avoir vécu en tant qu’acteur les grandes émotions des premières missions où les sondes partaient à la découverte de ces points de lumière, je peux témoigner que les surprises ont toujours succédé aux surprises au point où, finalement, nous nous attendions à l’inattendu… et nous n’avons jamais été déçus.

Fig. 2 – L’activité de l’atmosphère de Saturne. En lumière visible (en haut), l’atmosphère saturnienne paraît calme. La lumière infrarouge (en bas) nous permet de voir plus profondément et de découvrir la présence d’ouragans, d’orages, de tourbillons et de cyclones visibles sous forme de taches noires. Chacun de ces phénomènes météorologiques a une taille du même ordre de grandeur que celle de la Terre. (Documents mission Cassini, NASA./JPL – ESA)

4Les quatre planètes les plus lointaines sont bien différentes des quatre planètes telluriques que sont Mercure, Vénus, la Terre et Mars. Ce sont d’immenses boules de gaz composées à plus de 90 % d’hydrogène et d’hélium alors que les secondes en contiennent peu et ont une croûte solide. Toutes les quatre sont entourées d’anneaux et de nombreux satellites contrairement aux planètes terrestres.

5Cette répartition entre planètes telluriques et planètes géantes est simple à expliquer. À une température donnée, la vitesse d’agitation des atomes et des molécules est d’autant plus faible que ces particules sont plus massives. Les éléments les plus légers comme l’hydrogène et l’hélium sont animés de mouvements d’agitation d’autant plus rapides que la température est plus élevée. Quand on s’approche du Soleil, la température augmente et les éléments légers peuvent atteindre des vitesses supérieures à la vitesse d’évasion. Près du Soleil, là où il fait chaud (quelques centaines de Kelvins), l’hydrogène et l’hélium se sont évadés avant même que les planètes n’aient été formées. Comme 99 % de la nébuleuse solaire primitive était composé d’hydrogène et d’hélium, les planètes les plus proches du Soleil se sont formées à partir de résidus et leur masse est beaucoup plus faible que celle des géantes. Elles ont été fabriquées à partir d’éléments plus lourds tels que le silicium, le carbone, l’aluminium, le calcium, le magnésium, le fer et d’autres qui, combinés avec l’oxygène, forment les minéraux et les roches. Les planètes terrestres, qui n’ont ni hydrogène, ni hélium, ni anneaux, ni système de satellites, pourraient nous paraître de pauvres débris si nous n’habitions l’une d’entre elles, la Terre.

6Les planètes géantes ont été formées loin du Soleil dans les parties les plus froides de la nébuleuse primitive (de 30 à 120 Kelvins). Contrairement à la Terre, elles ont conservé toutes les glaces et les gaz légers initialement présents. Elles sont gazeuses : au fur et à mesure qu’on s’enfonce dans leur atmosphère, la pression et la température augmentent mais on ne rencontre pas de croûte solide comme pour les planètes terrestres. Ce sont plutôt les satellites des planètes géantes qui pourraient être comparés, par leur taille et leur structure, aux planètes terrestres.

7La richesse des phénomènes découverts dans le monde du Système solaire externe (tempêtes cyclones, atmosphères passionnantes, volcanisme, geysers, intérieurs, etc.) font des planètes géantes et de leurs satellites de merveilleux sujets d’étude de planétologie comparée qui devraient, in fine, nous permettre de mieux comprendre notre Terre.

Fig. 3 – Uranus et Neptune. Ces deux planètes sont elles aussi très actives. Des nuages, tourbillons et cyclones sont visibles dans les atmosphères d’Uranus (à gauche) et de Neptune (à droite). La couleur bleue est due à la présence de méthane qui absorbe la lumière rouge. (Documents NASA/JPL)

Des atmosphères déchaînées

8Seules les couches supérieures des atmosphères, correspondant à des pressions inférieures à la dizaine de bars, sont directement accessibles à l’observation. Les quatre planètes géantes ont une structure en bandes parallèles souvent séparées par des zones très turbulentes. Elles présentent une grande diversité de couleurs : Jupiter est brun-rouge avec un système de bandes parallèles bien marquées, Saturne est jaune pâle, Uranus uniformément verdâtre et Neptune d’un bleu profond rehaussé de cirrus blancs. Cette variété s’explique par la condensation de molécules variées à différentes profondeurs. Sur Terre, le système nuageux est lié aux changements d’état d’un seul constituant, l’eau. Sur les planètes géantes, l’ammoniac (NH3), le méthane (CH4), la phosphine (PH3), l’hydrogène sulfuré (H2S) et beaucoup d’autres molécules plus ou moins complexes participent au phénomène de condensation. Sur Jupiter et Saturne, les nuages d’ammoniac sont nombreux avec des produits phosphorés et soufrés. Sur Uranus et Neptune, le méthane gazeux est abondant.

9Les planètes géantes ont une vitesse de rotation élevée. Jupiter, Saturne et Uranus tournent en 10 heures environ et Neptune en un peu plus de 16 heures. Cette rotation rapide est responsable de la structure en bandes et de vents violents qui soulent, par exemple, à 1 800 km/h à l’équateur de Saturne. Les atmosphères de Jupiter et de Saturne tournent plus vite à l’équateur que dans les zones de latitude plus élevée. C’est l’inverse qui se produit dans le cas d’Uranus et de Neptune.

10Les atmosphères des planètes géantes présentent une activité que nous ne soupçonnions pas avant l’exploration spatiale. Des cyclones, des orages, des ouragans et des tempêtes éclatent sans cesse. Certains ont une taille supérieure à la Terre. Les vents associés vont à plusieurs centaines de km/h. Une des manifestations spectaculaires en est la « tache rouge » de Jupiter observée depuis plus de trois siècles : on sait maintenant que c’est un immense anticyclone. La stabilité de cette structure, observée durant quatre siècles, étonne les météorologues qui sont habitués à des équivalents terrestres dont la durée de vie ne dépasse pas quelques semaines. De nombreuses autres taches semblables ont été observées sur Saturne et sur Neptune. De spectaculaires aurores polaires, des éclairs et des phénomènes luminescents illuminent les nuits de ces planètes. L’observation de tous ces phénomènes est un bonheur pour les météorologues terrestres. Ils peuvent tester leurs modèles dans des conditions extrêmes.

Fig. 4 – La collision de la comète Shoemaker-Levy 9 avec Jupiter. En juillet 1994, la planète était heurtée par les fragments d’une comète qui avait été brisée en une vingtaine de morceaux après avoir frôlé Jupiter. Les marques de la collision, visibles ci-dessus, ont une taille largement supérieure à celle de la Terre. Cette séquence temporelle montre l’arrivée de deux fragments (en haut). Les cicatrices s’estompent avec le temps (de haut en bas). Les fragments de la comète sont rapidement fondus en pénétrant dans les couches internes chaudes de Jupiter en dessous des nuages visibles. (Document NASA/JPL)

11Sur Saturne, une bande surnommée « allée des orages » et située à mi-chemin entre le pôle et l’équateur a été particulièrement active en 2004 et en 2005. De puissants orages sont entrés en collision les uns avec les autres, accompagnés d’impressionnantes décharges électrostatiques et de spectaculaires éclairs.

12Comme tous les corps solides du Système solaire, les planètes géantes sont sans cesse bombardées par des météores plus ou moins gros. Sur Terre ou sur la Lune, l’arrivée d’un gros bolide se traduit par la formation d’un cratère d’impact. Dans le cas des planètes géantes, le bolide pénètre à grande vitesse dans l’atmosphère et disparaît après avoir été détruit. Les astronomes ont eu la chance d’observer en direct un tel phénomène en 1994. En frôlant Jupiter, la comète Shoemaker-Levy 9 a été cassée en une vingtaine de morceaux qui ont continué leur trajectoire autour du Soleil avant de revenir heurter Jupiter entre le 16 et le 22 juillet 1994. On a pu ainsi étudier en vraie grandeur la réponse de l’atmosphère à une suite d’impacts météoritiques majeurs. Dix-huit mois plus tard, une sonde de descente apportée par la mission Galileo plongeait à son tour dans Jupiter. En juillet 2009, un nouvel impact était découvert. Le responsable semble être un corps d’une centaine de mètres qui est venu terminer sa vie en disparaissant dans Jupiter. Heureusement pour nous, ce n’est pas la Terre qui a été heurtée !

Des magnétosphères variées

13La présence d’un noyau central métallique et fluide en rotation rapide génère un puissant champ magnétique pour chacune des quatre planètes géantes qui sont entourées de particules chargées guidées par les lignes de champ magnétique. Comme pour la Terre, les planètes géantes sont enveloppées d’intenses magnétosphères, zones d’influence des champs magnétiques. Heurtées par le vent solaire à des vitesses supersoniques de l’ordre de 300 à 1 000 kilomètres par seconde et donc comprimées dans la direction du Soleil, ces magnétosphères ne sont pas sphériques et créent d’énormes cavités dans le vent solaire. Dans la direction opposée au Soleil, une longue queue magnétosphérique s’étend sur des centaines de millions de kilomètres. En détectant les atomes d’hydrogène qui s’échappent de l’environnement de ces planètes, les observations des sondes spatiales nous ont permis de faire la carte de ces magnétosphères particulièrement actives. À l’intérieur, cohabitent des particules de toutes sortes comme des électrons, des ions, des atomes neutres et des molécules. Les satellites, les anneaux et l’atmosphère de ces planètes sont des sources importantes de particules. Dans leur révolution autour de la planète, les satellites les plus proches entrent et sortent sans cesse de ces magnétosphères. C’est par exemple le cas de Titan autour de Saturne, de Triton autour de Neptune et de Io autour de Jupiter. Les interactions de ces satellites avec les magnétosphères sont particulièrement intéressantes à étudier.

14Les environnements électromagnétiques des planètes géantes présentent, eux aussi, une grande variété de situations et fournissent un laboratoire précieux pour tester les modèles de la magnétosphère terrestre. L’axe magnétique des planètes géantes présente des directions variables par rapport avec l’axe de rotation. Les deux sont parallèles dans le cas de Saturne, font un angle de l’ordre de 10° dans le cas de la Terre et de Jupiter et de plus de 50° pour Uranus et Neptune. Autour de Jupiter, il existe des zones de rayonnement radio, analogues aux ceintures de Van Allen sur Terre. L’intensité du champ magnétique jovien est plus de dix fois supérieure au champ terrestre tandis que les trois autres sont inférieurs à la valeur du champ terrestre.

15De manière analogue à ce qui se passe sur Terre, les interactions des particules énergétiques du vent solaire avec les stratosphères des planètes géantes donnent lieu à des phénomènes d’aurores boréales et australes, régulièrement observées aux pôles.

Fig. 5 – La magnétosphère de Saturne. Elle est le résultat de l’interaction d’un champ magnétique fort avec le vent solaire. Elle est sans cesse traversée par le satellite Titan (NASA/JPL)

Des intérieurs sous pression

16L’intérieur des planètes est évidemment inaccessible à l’observation directe. Mais les composantes du champ gravitationnel mesurées à partir de l’observation de la trajectoire des sondes spatiales ainsi que la connaissance de la masse, du rayon, de la densité et de la période de rotation nous permettent, en utilisant des modèles théoriques, d’estimer la pression et la température internes. À l’aide de modèles mathématiques complexes, on en déduit que ces planètes possèdent en leur centre un noyau « rocheux » dont la masse est de l’ordre de quelques masses terrestres.

17Les pressions au centre de ces planètes sont colossales. La pression centrale de Jupiter est estimée à quelques dizaines de millions de bars, celle de Saturne à plus de dix millions de bars et celles d’Uranus et de Neptune à environ 6 millions de bars.

18Au-delà de ces noyaux, l’énorme pression des matériaux situés au-dessus comprime tellement l’hydrogène qu’il se retrouve au sein de Jupiter et de Saturne à l’état liquide et qu’il se comporte électriquement comme un métal (on l’appelle alors hydrogène métallique). Les courants qui circulent dans ces fluides métalliques engendrent des champs magnétiques importants. Uranus et Neptune possèdent elles aussi un champ magnétique important.

19Les planètes géantes ont une autre caractéristique remarquable. Trois d’entre elles (Jupiter, Saturne et Neptune) renvoient dans l’espace deux fois plus d’énergie qu’elles n’en reçoivent du Soleil. Elles possèdent une source interne d’énergie, mais cette source n’est pas la même pour les différentes planètes. La chaleur accumulée pendant la phase de formation est lentement restituée vers l’extérieur. La planète la plus massive, Jupiter, n’est pas encore complètement refroidie, un peu comme un radiateur éteint qui se refroidit lentement. Ce qui n’est pas le cas de Saturne, moins volumineuse : dans la zone de l’hydrogène métallique, la température est alors suffisamment basse pour que l’hélium ne soit plus miscible avec l’hydrogène. L’hélium, plus lourd, tombe alors vers le centre de la planète et libère ainsi de l’énergie, de la même manière qu’une chute d’eau permet de produire de l’énergie. L’origine de l’énergie interne de Neptune est encore l’objet de nombreuses discussions. Uranus est dénué de source d’énergie interne, un léger surplus de quelques pour cent a pour origine la radioactivité naturelle des éléments du noyau.

Fig. 6 – L’intérieur des planètes géantes. Ce schéma illustre les différentes couches à l’intérieur des géantes. Sous l’atmosphère externe composée essentiellement d’hydrogène moléculaire, on trouve un énorme manteau d’hydrogène et d’hélium avec des pressions de plus en plus élevées avec la profondeur. Dans le cas de Jupiter, à 10 000 kilomètres sous le sommet des nuages, la pression atteint un million de bars et la température 6 000 °C. Les atomes d’hydrogène se cassent alors en ions et électrons. L’hydrogène devient liquide et métallique, c’est-à-dire conducteur de courant. Un mélange d’eau, de méthane et d’ammoniac à haute pression surmonte un noyau rocheux d’une dizaine de masses terrestres. (Document NASA/JPL)

Des satellites surprenants

20Toutes les planètes géantes possèdent un système complet de satellites : plus de 150 gravitent autour de ces planètes alors qu’on n’en connaissait que 32 à la fin des années 1970. Ces satellites sont des corps célestes à part entière, ils se distinguent par une grande diversité, ils possèdent chacun leur géologie propre et même quelquefois leur météorologie.

21Avant d’aller explorer les satellites des planètes géantes, les astronomes imaginaient que ces corps avaient des surfaces criblées de cratères d’impact et étaient relativement semblables à la Lune. Nous avons eu la grande surprise de constater qu’ils étaient tous très différents et que beaucoup d’entre eux présentaient à leur surface le témoignage d’une importante activité géologique : volcans, fractures, fissures, montagnes, geysers, etc.

22Les plus massifs, Ganymède ou Titan, sont plus gros que Mercure et à peine plus petits que Mars. Huit d’entre eux, Io, Europe, Encelade, Hypérion, Japet, Titan, Miranda et Triton nous ont vraiment coupé le soule. D’autres sont petits, d’une taille de quelques dizaines de kilomètres et certains se déplacent sur des trajectoires étonnantes.

23La majorité des satellites circule dans le plan équatorial de leur planète. Seuls les plus lointains, en particulier autour de Jupiter, ont des orbites inclinées ou excentriques. Ils sont tous très petits par rapport à la planète autour de laquelle ils gravitent contrairement au couple Terre-Lune qui ressemble plutôt à une planète double.

Autour de Jupiter

24Autour de Jupiter, la plus grande surprise est venue de Io avec la présence permanente d’une dizaine de volcans en activité chacun pendant plusieurs années. La surface d’Europe, dépourvue de relief important, semble recouvrir un immense océan souterrain. Ganymède présente un mélange de terrains anciens fortement cratérisés et de structures très jeunes (fractures, plissements de terrain, montagnes, vallées,…) qui sont le résultat d’une activité interne importante. Par contre, Callisto, beaucoup plus gros que notre Lune, est un monde inerte et criblé de cratères qui semble n’avoir pratiquement pas évolué depuis plus de 4 milliards d’années.

25Depuis le survol des sondes Voyager en 1979, l’activité volcanique de Io a été sans cesse observée de la Terre et par les sondes spatiales et elle n’a pas faibli. Ce satellite proche de l’énorme Jupiter subit un effet de marée de grande ampleur. De plus, les perturbations gravitationnelles de Ganymède et d’Europe font légèrement varier la distance entre Io et Jupiter qui oscille ainsi entre deux valeurs extrêmes. Les effets de marée qui dépendent de la distance varient au point de provoquer d’énormes frottements au sein de ce satellite et de le chauffer fortement. Cette chaleur est évacuée par des bouches volcaniques qui sont des trous dans le sol. Des cônes volcaniques n’ont pas le temps de s’accumuler tellement l’activité est forte.

26La surface d’Europe est sillonnée dans tous les sens de fines lignes sombres dont la largeur varie de quelques kilomètres à 70 kilomètres et dont la longueur va de plusieurs centaines à plusieurs milliers de kilomètres. Elles sont situées dans des régions lisses, brillantes et dépourvues de relief. D’autres zones plus foncées contiennent quelques cratères d’impact. L’examen détaillé de la surface d’Europe et la reconstitution des mouvements récents de la croûte permettent de mettre en évidence la présence d’un océan liquide souterrain. Cette découverte est si importante qu’une prochaine mission des agences spatiales américaine et européenne devrait se poser sur le sol d’Europe avant 2020 afin de mieux comprendre cet astre.

Autour de Saturne

27Les petits satellites qui ont moins de 400 kilomètres de dimension ont tous des formes irrégulières. Des dizaines de petits satellites ont été découverts récemment. Leur taille varie entre quelques kilomètres et quelques dizaines de kilomètres. Ils sont souvent sur des orbites étonnantes. Par exemple Janus et Épiméthée partagent la même orbite, se courant l’un après l’autre depuis probablement des milliards d’années et sans jamais se toucher. À chaque fois que l’un s’approche de l’autre, leurs perturbations gravitationnelles mutuelles sont telles que leur distance à Saturne varie très légèrement de telle manière qu’ils s’éloignent l’un de l’autre pour se rapprocher à nouveau. Ce ballet semble réglé pour l’éternité. Télesto et Calypso se déplacent aux points de Lagrange de Téthys, points d’équilibre stables situés 60° en avant et en arrière d’un astre et sur la même orbite. D’autres, comme Prométhée et Pandore, sont situés de part et d’autre d’un anneau.

28Hypérion a une forme très particulière. Il est animé d’un mouvement chaotique. Sa période de rotation et la direction de son axe de rotation changent sans cesse. Les cratères à sa surface le font ressembler à une immense éponge.

29Une des plus grandes surprises de la mission Cassini a été la découverte de geysers en éruption autour du pôle sud d’Encelade. Encelade est l’un des satellites les plus brillants du Système solaire. Ce corps est un véritable miroir qui renvoie pratiquement 90 % de la lumière solaire alors que notre Lune n’en renvoie que 14 %. Ce corps de seulement 505 kilomètres de diamètre ne semble pas assez massif pour développer une source d’énergie interne. Il devrait être couvert de cratères. En fait, sa surface, différente de celle de tous les autres satellites connus, présente des failles, des fractures, des coulées, de nombreux signes d’activité géologique et relativement peu de cratères d’impact. Il semble qu’Encelade, comme Europe, possède une vaste mer souterraine sous le pôle Sud.

30Il nous faut maintenant expliquer pourquoi un corps aussi petit, de seulement 500 kilomètres de diamètre, a une telle activité. Il faut trouver la source d’énergie qui a permis de remodeler la surface. La combinaison des effets de marée, de la radioactivité naturelle des roches et d’un mouvement de libration pourrait nous permettre de comprendre d’où vient l’énergie à condition d’imaginer une croûte de faible conductivité et composée d’eau et d’ammoniaque.

31Titan est le seul satellite du Système solaire qui possède une atmosphère dense. Avec une atmosphère d’azote, une pression au sol comparable à celle de l’atmosphère terrestre et une température de – 200° Celsius, Titan est une véritable Terre mise au congélateur. La présence d’hydrocarbures, de lacs de méthane liquide, de roches d’eau glacée, de volcans, de dunes, de nuages d’éthane et de méthane en font un des corps les plus passionnants du Système solaire avec une atmosphère qui développe une grande activité chimique. Elle est opaque dans le domaine visible, mais le rayonnement infrarouge la traverse. La couleur orange de l’atmosphère est due aux molécules hydrocarbonées. Une brume bleuâtre enserre le satellite. Personne n’imagine la moindre forme de vie macroscopique sur ce satellite, mais sa chimie est appelée « pré-biotique » à mi-chemin entre la chimie minérale et la biologie.

32Des lacs de la taille des grands lacs américains ont été découverts sur Titan. Ils sont remplis de méthane liquide. Ils sont alimentés par des rivières de méthane liquide qui coulent dans un sol de glace d’eau. À une température de – 200° Celsius, cette glace est plus dure que la roche sur Terre. Le cycle du méthane sur Titan fait penser à celui de l’eau sur Terre avec des nuages et des pluies de méthane. Le méthane est produit soit dans la basse atmosphère, soit par dégazage à partir du sol, mais en haute altitude, le rayonnement ultraviolet casse les molécules de méthane et les sous-produits de cette réaction se combinent pour donner de l’éthane et de l’acétylène.

33Les brumes de Titan sont en fait un brouillard complexe de molécules organiques. Seulement 10 % de la lumière solaire atteint la surface. Bien que l’atmosphère de Titan soit plus épaisse que celle de la Terre, ces brumes ne retiennent pas le rayonnement infrarouge et il n’y a pas d’effet de serre important.

34Il semble bien que des phénomènes tectoniques, éoliens et fluviaux sont à l’œuvre à la surface de Titan qui ne ressemble à aucune autre surface planétaire dans le Système solaire. Des cratères d’impact et des coulées volcaniques ont été détectés. Il n’y a pas de montagnes élevées sur Titan, moins de quelques centaines de mètres séparent les fonds les plus profonds des plus hauts sommets.

35Le 14 janvier 2005, une sonde construite par l’Europe, Huygens, s’est posée sur un sol solide, à plus de 1,5 milliard de kilomètres de la Terre. C’était la première fois qu’un tel exploit était réalisé. Après s’être détachée de la sonde Cassini le 25 décembre 2004, la sonde Huygens a plongé vers Titan. Un bouclier thermique, construit par la France, a parfaitement protégé les instruments scientifiques. Trois parachutes se sont successivement ouverts. La descente s’est parfaitement déroulée et la sonde a continué à envoyer des informations après son atterrissage. Le vaisseau Cassini a servi de relais radio tant qu’il était visible au-dessus de l’horizon. La température, la pression, la densité et la composition de l’atmosphère ont été mesurées tout au long de la descente ainsi que la vitesse des vents. Des hydrocarbures de toute nature ont été détectés dans l’atmosphère. À l’endroit de l’atterrissage, le sol a la consistance du sable mouillé ou de l’argile, il a même été comparé à de la crème brûlée en raison d’une fine couche un peu plus dure qui semble présente à la surface.

36Avec un énorme bourrelet équatorial de plus de 20 kilomètres de hauteur, une face avant sombre comme de l’asphalte et une face arrière brillante comme de la neige, Japet est très intriguant. Bien avant l’exploration spatiale, les astronomes avaient été frappés par le fait que Japet était visible d’un côté de Saturne et pas de l’autre. Ils en avaient déduit que ce satellite présentait toujours la même face à Saturne, comme la Lune autour de la Terre et possédait une face avant noire et une face arrière blanche. Les sondes Voyager et Cassini ont montré que la face arrière est dix fois plus brillante que la face avant. Au contraire de Titan, des montagnes particulièrement élevées se trouvent sur Japet. Leurs sommets culminent à plus de 20 kilomètres de hauteur et les pentes dépassent 30° ! Une spectaculaire ceinture équatoriale enserre ce corps exactement le long de l’équateur et d’énormes bassins de plusieurs centaines de kilomètres de diamètre parsèment la surface. Japet n’est pas parfaitement sphérique, c’est un ellipsoïde dont les axes ont pour longueur 1 492, 1 486 et 1 426 kilomètres. Cette forme et la présence du bourrelet équatorial font penser à un astre fluide dont la période de rotation était de l’ordre de 17 heures et qui se serait brutalement refroidi et solidifié tout en gardant sa forme primitive.

37Entre les anneaux de Saturne et Titan, Mimas, Téthys, Dioné et Rhéa sont des satellites glacés de taille intermédiaire, de forme sphérique et criblés de cratères. Mimas est l’une des lunes les plus cratérisées de Saturne au point que les nouveaux impacts ne font que recouvrir les anciens. Le plus gros cratère, Herschel, a 140 kilomètres de diamètre. Les falaises qui bordent les cratères ont jusqu’à 6 kilomètres de hauteur pour certains cratères. Des sillons, dont certains ont plus d’un kilomètre de profondeur, s’étendent sur plus de 100 kilomètres. D’un diamètre moyen de 397 kilomètres, son rayon équatorial est 10 % plus grand que son rayon polaire en raison de sa rotation rapide.

38Dioné a un diamètre de 1 126 kilomètres et présente une intéressante dichotomie entre d’étroits canyons brillants situés au nord et de grandes structures linéaires parcourant l’hémisphère sud. De nombreuses fractures parcourent la surface de Dioné. Comme pour beaucoup de corps du Système solaire, on retrouve à la surface de Dioné à la fois des paysages familiers et des paysages nouveaux et uniques. Les cratères, vallées, plateaux et les principales formations géographiques de Dioné ont reçu les noms des héros de l’Énéide de Virgile.

39Téthys a un diamètre de 1 071 kilomètres et a été frôlé par la sonde Cassini le 24 septembre 2005. Un immense canyon, Ihaca Chasma, de 100 kilomètres de large et de plus de 1 000 kilomètres de long, barre une grande partie de sa surface. Deux gros cratères, Odyssée et Mélanthius, le caractérisent. L’hémisphère nord est très fortement cratérisé et l’hémisphère sud présente une surface apparemment un peu plus jeune.

40Avec un diamètre de 1 528 kilomètres, Rhéa est la seconde lune de Saturne par la taille après Titan. Sa surface, ancienne et couverte de cratères, ressemble à celle de notre Lune et à Mercure. L’hémisphère arrière présente quelques similitudes avec la surface de Dioné. L’un de ses cratères possède de superbes rayons qui s’éloignent de lui dans toutes les directions, ce qui semble indiquer une origine récente.

41Découvert en 1898, situé à près de 13 millions de kilomètres de Saturne et se déplaçant sur une orbite rétrograde, Phoébé est un satellite extérieur de Saturne très mal connu avant la visite de la sonde Cassini. Il n’a été survolé qu’une seule fois, le 11 juin 2004, juste avant l’arrivée de la sonde et de sa mise en orbite autour de Saturne. Il est trop loin de Saturne pour que la sonde Cassini puisse y retourner. Sa forme est très irrégulière. Sa plus grande dimension est d’environ 220 kilomètres. Les observations de Cassini nous ont révélé un corps très fortement cratérisé dont la surface probablement très ancienne est un mélange de glaces et de roches.

42Son orbite inclinée et excentrique fait penser à un corps capturé par Saturne bien après sa formation. Le survol confirme cette hypothèse. La valeur de sa densité de 1,63 et l’analyse de la composition de sa surface suggèrent que ce corps a été formé au-delà de Neptune parmi les astéroïdes extérieurs du Système solaire. Si cela est vrai, Phoébé est, parmi les corps explorés par les hommes, celui qui a été formé le plus loin.

Autour d’Uranus et de Neptune

43Miranda, autour d’Uranus et Triton, autour de Neptune, sont deux autres perles du Système solaire. Avec des falaises de plus de 25 kilomètres de hauteur, Miranda a une surface particulièrement tourmentée. Quant à Triton, il a été le clou de la mission Voyager. Sa surface, qui est à une température de – 240° Celsius, montre de nombreuses traces d’activité et la présence de geysers de plus de huit kilomètres de haut a étonné tout le monde.

44La surface tourmentée de Miranda, avec en particulier une falaise de plus de 25 kilomètres de hauteur, ne ressemble à aucune autre. Une explication possible est que ce petit satellite d’Uranus a été cassé lors d’une collision violente avec un corps de taille comparable et s’est reconstitué par la suite. Sa masse n’était pas suffisante pour bien lisser ce corps et gommer les irrégularités les plus fortes.

Fig. 7 – Satellites des planètes géantes. Io (en haut à gauche) et ses volcans, Hypérion (en haut au milieu) et son mouvement chaotique, Japet (en haut à droite) et son bourrelet équatorial, Encelade (en bas à gauche) et ses geysers, Titan (en bas au milieu) et ses lacs de méthane et Triton (en bas à droite) et son activité montrent six exemples d’une étonnante diversité et d’une grande richesse dans le monde des satellites. (Documents NASA/JPL)

45Triton, le seul satellite de grande taille de Neptune, a une orbite rétrograde, ce qui suggère qu’il a été capturé par Neptune après sa formation. Triton est un peu plus gros que Pluton. Ces deux corps se ressemblent et sont probablement des exemples des embryons planétaires, de taille intermédiaire entre le noyau de Neptune et des astéroïdes plus lointains situés au-delà de Neptune dans la ceinture extérieure dite de Kuiper. La surface de Triton montre la présence de cryovolcanisme, c’est-à-dire d’activité volcanique impliquant des coulées de boues glacées et de liquides à basse température au lieu de roches fondues et de laves comme sur Terre. Des geysers de plus de 8 kilomètres de haut étaient en éruption quand la sonde Voyager 2 est passée en 1989. La région sud, faiblement cratérisée, est jeune tandis que la densité de cratères est plus élevée dans les régions équatoriales et comparable à celle des mers lunaires, âgées de 3 milliards d’années. Les effets climatiques sont très marqués sur Triton. Ils se traduisent par un cycle saisonnier faisant intervenir la condensation de l’azote et du méthane qui sont les deux principaux constituants de l’atmosphère.

Des anneaux étonnants

46Les quatre planètes géantes sont entourées d’anneaux. Ils sont tous très différents à l’échelle macroscopique, mais présentent de nombreux points communs à l’échelle de quelques kilomètres. Ceux de Jupiter sont très ténus. La planète est encerclée d’anneaux diffus et transparents entourés d’un halo ou d’un tore de matière. Saturne possède un système d’anneaux spectaculaires et très brillants avec des milliers de structures diverses qui s’étendent sur plusieurs centaines de milliers de kilomètres, Uranus est entourée de dix anneaux concentriques, sombres et minces de quelques kilomètres de largeur tandis que Neptune est ceinturée d’anneaux minces et d’arcs de matière.

47La présence d’anneaux autour d’une planète est la conséquence naturelle des effets de marée et des collisions entre les particules. Trop près d’une planète, un gros satellite serait cassé en morceaux à cause des effets de marée. Les collisions mutuelles entre ces débris aplatissent rapidement le système en un disque mince. Si, à l’inverse, du matériau est présent au début de l’histoire de la planète, il ne peut pas se rassembler en un satellite et il forme un bel anneau dans le plan équatorial.

48Les anneaux des planètes sont de fantastiques laboratoires de physique au sein desquels se déroulent des phénomènes importants pour comprendre d’autres disques plats maintenant disparus comme le Système solaire primitif avant la formation des planètes ou lointains comme les disques circumstellaires, les disques d’accrétion ou encore les galaxies spirales.

49Un gain de résolution d’un facteur 4 000 avec la mission Voyager, puis un nouveau gain d’un facteur 20 avec la mission Cassini ont totalement bouleversé notre connaissance des anneaux de Saturne. Alors qu’ils semblaient homogènes et à bords doux vus de la Terre, les sondes Voyager nous ont révélé des anneaux hétérogènes à bords nets avec des milliers de structures en leur sein. Leur étude, commencée avec Galilée, Huygens, Cassini, Laplace, Maxwell et Poincaré, pour ne citer qu’eux, vient d’être totalement renouvelée et ils devraient continuer à intriguer les astronomes au cours des siècles qui vont venir ! Les arcs de Neptune, confinés aussi bien radialement qu’azimutalement, nous posent un très beau problème : comment confiner la matière par la gravitation ? Depuis leur découverte en 1984, d’autres arcs ont été découverts autour de Saturne et d’Uranus. De nombreux chercheurs développent actuellement des modèles théoriques pour comprendre ces phénomènes de confinement.

50Il semble bien que la clé pour décrire le comportement des anneaux réside dans la compréhension des interactions entre ces anneaux et les petits satellites qu’on découvre soit en leur sein soit à proximité. Les perturbations gravitationnelles, les collisions entre particules et les phénomènes de résonance entre le mouvement des satellites et celui des particules des anneaux jouent un rôle essentiel. Ces trois effets conduisent un satellite et un anneau proche à se repousser. Deux satellites situés de part et d’autre d’un anneau et appelés satellites bergers le confinent donc dans un espace réduit.

51Prométhée et Pandore encadrent l’anneau F de Saturne, jouant le rôle de bergers de cet anneau en le confinant dans un volume réduit. Pan est situé au milieu des anneaux de Saturne. Ces petits satellites jouent un rôle important dans la structure des anneaux, ils provoquent la formation d’ondes et de divisions nettes au sein de ces anneaux. Ils permettent probablement d’expliquer la plupart des structures complexes visibles au sein des anneaux, mais les mécanismes détaillés d’interaction sont loin d’être bien compris.

Fig. 8 – Ombre sur les anneaux. On aperçoit au milieu de l’image l’ombre du satellite Daphnis et, à sa gauche, les ombres de structures verticales découvertes à cette occasion. Alors qu’on imaginait des hauteurs de la taille d’un immeuble, ces structures sont aussi hautes que les montagnes des Alpes. Le fait de pouvoir mesurer et suivre ces structures permet de mieux comprendre les mouvements au sein de ces anneaux

52Les observations à haute résolution de la sonde Cassini nous ont permis de découvrir de nouvelles ondes spirales, de nouveaux annelets, des arcs de matière, des ondes en forme de tôle ondulée et une foule de structures nouvelles telles que des marbrures, des « cordes », des sillages, etc. Des échanges de matière, en particulier entre Prométhée et l’anneau F, ont été observés. L’anneau extérieur F semble avoir une forme de spirale. En comparant les observations de Cassini et de Voyager faites à 25 ans d’écart, des changements ont été mis en évidence en particulier au sein de l’anneau interne D. Les variations de température des particules des anneaux en fonction de leur position (de nuit, au petit matin, dans la journée, le soir) ont été mesurées ainsi que la composition chimique. La glace d’eau est l’élément dominant, mais d’autres composants tels que des silicates et d’autres glaces sont aussi présents.

Fig. 9 – Un nouvel anneau autour de Saturne. À 200 rayons saturniens de la planète, bien au-delà des anneaux connus, un nouvel anneau de poussières extrêmement ténu vient d’être découvert à la fin de 2009. Ces poussières bombardent probablement la face avant du satellite Japet et sont peut-être responsables de la dichotomie entre les faces avant et arrière de ce satellite. (Document NASA/JPL)

Fig. 10 – Les anneaux de Saturne vus à contre-jour. Sur cette image prise alors que le Soleil est masqué par la planète, les poussières et les petites particules sont particulièrement visibles. Le petit point à gauche entre deux anneaux n’est pas un satellite de Saturne, mais la Terre. Vous avez une grande chance d’être sur la photo ! (Document mission Cassini, NASA/JPL – ESA)

53Le 11 août 2009, le Soleil est passé dans le plan des anneaux de Saturne. Ce phénomène, qui a lieu tous les 15 ans, a été régulièrement observé depuis 1612 en utilisant à chaque fois les derniers progrès instrumentaux. Pour la première fois, une sonde spatiale était là « au bon moment ». D’étonnantes images nous ont permis de voir des ombres de satellites sur les anneaux et des ombres de structures verticales nous donnant ainsi accès à des informations sur la troisième dimension. Les modèles théoriques avaient prédit des hauteurs de l’ordre d’une vingtaine de mètres. Les observations nous révèlent des élévations de l’ordre de 3 kilomètres.

54À notre grande surprise, au mois d’octobre 2009, un nouvel anneau de poussières a été découvert loin de Saturne, à plus de 200 fois le rayon de la planète. Cet anneau extrêmement ténu est peut-être la source de la dichotomie entre les faces avant et arrière du satellite Japet en étant responsable du bombardement de la face avant.

55Il faudra maintenant des années aux astronomes pour analyser les dizaines de milliers d’images des anneaux, en extraire les principales informations et découvrir de nouveaux phénomènes avant de retourner visiter ce monde si étrange !

Un processus de formation particulier

56On s’est longtemps demandé si les planètes géantes s’étaient formées, comme le Soleil, par effondrement d’un immense globule ou bien, comme la Terre, par accumulation de petits planétésimaux. En fait, le développement de nouvelles simulations numériques sur de puissants ordinateurs et la découverte de planètes géantes autour d’autres étoiles ont considérablement fait avancer cette étude.

57Contrairement à ce qu’on pensait jusqu’à une période récente, il semble bien que la plus grosse planète, Jupiter, s’est formée en premier en collectant rapidement tout le gaz présent sur un noyau fabriqué par accumulation d’une multitude de petits planétésimaux. Près du Soleil, dans les parties les plus chaudes, le matériau était beaucoup plus rare. Il a donc fallu plus de temps pour constituer les planètes telluriques alors que Jupiter tournait déjà autour du Soleil. Le gros Jupiter a considérablement perturbé par son influence gravitationnelle les planétésimaux les plus proches au point où il a empêché la formation de toute planète entre Mars et lui et où la planète Mars n’a pas pu complètement se développer. C’est une petite planète avec une faible gravité à la surface. Jupiter était au bon endroit, assez près de la Terre pour envoyer des planétésimaux qui ont contribué à sa naissance et assez loin pour ne pas trop perturber la croissance de la jeune Terre. De nombreuses planètes géantes extrasolaires découvertes récemment sont soit trop près soit trop loin de leur étoile soit encore sur des orbites elliptiques au point où une autre Terre ne peut pas exister à cet endroit-là. Saturne a joué un rôle analogue, mais avec une intensité moindre.

58Les astronomes viennent de découvrir que les planètes géantes ne sont pas exactement à l’endroit où elles ont été formées. Au tout début de leur histoire, elles se sont perturbées mutuellement. Elles ont légèrement oscillé autour de positions d’équilibre jusqu’au moment où elles sont entrées en résonance et ont brutalement et violemment perturbé tous les petits corps qui gravitaient au-delà dans les parties extérieures du Système solaire. Elles ont alors atteint leurs positions actuelles tandis que de petits astres étaient brutalement délogés et précipités vers le Soleil ou chassés du système. Cet événement a eu lieu il y a environ 800 millions d’années après la naissance de la Terre. À ce moment-là, toutes les planètes et les satellites ont été bombardés par une multitude de corps de toutes tailles. La Lune en garde encore de nombreuses cicatrices qui nous ont permis de dater l’événement. Cet épisode, appelé le Grand Bombardement Tardif, est contemporain de l’apparition de la Vie sur Terre.

Le futur

59Le monde des planètes géantes a l’immense avantage de présenter une grande variété de phénomènes. Par contre, compte tenu de leurs distances, chaque exploration est très longue et très coûteuse. Il faut espérer que l’effort ne sera pas ralenti. Pour les trente ans qui viennent, des sondes devraient être lancées vers Europe et vers Titan et d’ambitieuses missions devraient partir autour d’Uranus et de Neptune. La beauté des paysages et la diversité des phénomènes est un excellent prélude à l’exploration d’autres planètes autour d’autres étoiles. Mais ceci est une autre histoire qui devrait se dérouler au cours des siècles à venir.

Bibliographie

Références bibliographiques

• Brahic André, 1999, Enfants du Soleil, Paris, Odile Jacob.

• Brahic André, 2001, Planètes et satellites, Paris, Vuibert.

• Brahic André, 2010, Au pays des géantes, Paris, Odile Jacob.

• Brahic André, Grenier Isabelle, 2008, Lumières d’étoiles, Paris, Odile Jacob.

• Brahic André, Hoffert Michel, Maury René, Schaaf André, Tardy Marc, 2006, Sciences de la Terre et de l’Univers, Paris, Vuibert.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Les tailles relatives des planètes et du Soleil. Les planètes géantes sont des boules de gaz composées pour l’essentiel d’hydrogène et d’hélium. Elles sont toutes les quatre entourées d’anneaux et elles possèdent plus de 150 satellites. Près du Soleil, là où la température était la plus élevée, l’essentiel du matériau de la nébuleuse primitive constituée à 99 % d’hydrogène et d’hélium s’est évadé avant la formation des planètes. Seuls les éléments les plus lourds ont joué un rôle majeur dans la formation des planètes terrestres. Les planètes géantes sont nées loin du Soleil, là où la température était suffisamment basse pour que les éléments les plus légers et les plus nombreux tels que l’hydrogène et l’hélium puissent rester et se rassembler pour les former
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Légende Fig. 2 – L’activité de l’atmosphère de Saturne. En lumière visible (en haut), l’atmosphère saturnienne paraît calme. La lumière infrarouge (en bas) nous permet de voir plus profondément et de découvrir la présence d’ouragans, d’orages, de tourbillons et de cyclones visibles sous forme de taches noires. Chacun de ces phénomènes météorologiques a une taille du même ordre de grandeur que celle de la Terre. (Documents mission Cassini, NASA./JPL – ESA)
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Légende Fig. 3 – Uranus et Neptune. Ces deux planètes sont elles aussi très actives. Des nuages, tourbillons et cyclones sont visibles dans les atmosphères d’Uranus (à gauche) et de Neptune (à droite). La couleur bleue est due à la présence de méthane qui absorbe la lumière rouge. (Documents NASA/JPL)
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Légende Fig. 4 – La collision de la comète Shoemaker-Levy 9 avec Jupiter. En juillet 1994, la planète était heurtée par les fragments d’une comète qui avait été brisée en une vingtaine de morceaux après avoir frôlé Jupiter. Les marques de la collision, visibles ci-dessus, ont une taille largement supérieure à celle de la Terre. Cette séquence temporelle montre l’arrivée de deux fragments (en haut). Les cicatrices s’estompent avec le temps (de haut en bas). Les fragments de la comète sont rapidement fondus en pénétrant dans les couches internes chaudes de Jupiter en dessous des nuages visibles. (Document NASA/JPL)
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Légende Fig. 5 – La magnétosphère de Saturne. Elle est le résultat de l’interaction d’un champ magnétique fort avec le vent solaire. Elle est sans cesse traversée par le satellite Titan (NASA/JPL)
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Légende Fig. 6 – L’intérieur des planètes géantes. Ce schéma illustre les différentes couches à l’intérieur des géantes. Sous l’atmosphère externe composée essentiellement d’hydrogène moléculaire, on trouve un énorme manteau d’hydrogène et d’hélium avec des pressions de plus en plus élevées avec la profondeur. Dans le cas de Jupiter, à 10 000 kilomètres sous le sommet des nuages, la pression atteint un million de bars et la température 6 000 °C. Les atomes d’hydrogène se cassent alors en ions et électrons. L’hydrogène devient liquide et métallique, c’est-à-dire conducteur de courant. Un mélange d’eau, de méthane et d’ammoniac à haute pression surmonte un noyau rocheux d’une dizaine de masses terrestres. (Document NASA/JPL)
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Légende Fig. 7 – Satellites des planètes géantes. Io (en haut à gauche) et ses volcans, Hypérion (en haut au milieu) et son mouvement chaotique, Japet (en haut à droite) et son bourrelet équatorial, Encelade (en bas à gauche) et ses geysers, Titan (en bas au milieu) et ses lacs de méthane et Triton (en bas à droite) et son activité montrent six exemples d’une étonnante diversité et d’une grande richesse dans le monde des satellites. (Documents NASA/JPL)
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Légende Fig. 8 – Ombre sur les anneaux. On aperçoit au milieu de l’image l’ombre du satellite Daphnis et, à sa gauche, les ombres de structures verticales découvertes à cette occasion. Alors qu’on imaginait des hauteurs de la taille d’un immeuble, ces structures sont aussi hautes que les montagnes des Alpes. Le fait de pouvoir mesurer et suivre ces structures permet de mieux comprendre les mouvements au sein de ces anneaux
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Légende Fig. 9 – Un nouvel anneau autour de Saturne. À 200 rayons saturniens de la planète, bien au-delà des anneaux connus, un nouvel anneau de poussières extrêmement ténu vient d’être découvert à la fin de 2009. Ces poussières bombardent probablement la face avant du satellite Japet et sont peut-être responsables de la dichotomie entre les faces avant et arrière de ce satellite. (Document NASA/JPL)
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Légende Fig. 10 – Les anneaux de Saturne vus à contre-jour. Sur cette image prise alors que le Soleil est masqué par la planète, les poussières et les petites particules sont particulièrement visibles. Le petit point à gauche entre deux anneaux n’est pas un satellite de Saturne, mais la Terre. Vous avez une grande chance d’être sur la photo ! (Document mission Cassini, NASA/JPL – ESA)
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Auteur

Professeur à l’université Paris Diderot et chercheur au CEA à Saclay. Ses recherches concernent les anneaux planétaires et la formation du Système solaire. Il a découvert en 1984 les anneaux de Neptune. Il a été membre de l’équipe d’imagerie de la sonde Voyager entre 1979 et 1989. Il est actuellement le membre français de l’équipe d’imagerie de la mission Cassini depuis 2004. Il a été l’un des pionniers de la planétologie française. Son nom a été donné à un astéroïde situé à 2,8 unités astronomiques du Soleil et il est « entré » dans le Petit Larousse en 2009. Il a publié près de 200 articles dans des revues spécialisées ainsi qu’une dizaine de livres. Il est en particulier l’auteur des Enfants du Soleil aux éditions Odile Jacob, qui a été un best seller traduit dans une dizaine de langues. Son dernier ouvrage Lumières d’Étoiles, les couleurs de l’invisible, écrit avec Isabelle Grenier, a été publié en 2008 aux éditions Odile Jacob. Il a obtenu plusieurs prix nationaux et internationaux, en particulier en 2000 le Prix Carl Sagan de la Société américaine d’Astronomie et en 2006 le Prix Jean Perrin de la Société française de Physique

© CNRS Éditions, 2010

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