Figure 1 :(à gauche) Image des anneaux de Saturne prise par la sonde Cassini. Fourni par la NASA http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA06077). (à droite) Image des anneaux d'Uranus prise par le télescope spatial Hubble. Crédit :NASA
Une équipe de chercheurs a présenté un nouveau modèle pour l'origine des anneaux de Saturne basé sur les résultats de simulations informatiques. Les résultats des simulations sont également applicables aux anneaux d'autres planètes géantes et expliquent les différences de composition entre les anneaux de Saturne et d'Uranus. Les résultats ont été publiés le 6 octobre dans la version en ligne de Icare .
L'auteur principal de l'article est HYODO Ryuki (Université de Kobe, École supérieure des sciences), et les co-auteurs sont le Professeur Sébastien Charnoz (Institut de Physique du Globe/Université Paris Diderot), Professeur OHTSUKI Keiji (Université de Kobe, École supérieure des sciences), et professeur agrégé du projet GENDA Hidenori (Earth-Life Science Institute, Institut de technologie de Tokyo).
Les planètes géantes de notre système solaire ont des anneaux très divers. Les observations montrent que les anneaux de Saturne sont constitués de plus de 95% de particules glacées, tandis que les anneaux d'Uranus et de Neptune sont plus sombres et peuvent avoir une teneur en roche plus élevée. Depuis que les anneaux de Saturne ont été observés pour la première fois au 17ème siècle, l'enquête sur les anneaux s'est étendue des télescopes terrestres aux engins spatiaux tels que Voyagers et Cassini. Cependant, l'origine des anneaux n'était pas encore claire et les mécanismes qui conduisent aux divers systèmes d'anneaux étaient inconnus.
La présente étude s'est concentrée sur la période appelée le dernier bombardement lourd qui aurait eu lieu il y a 4 milliards d'années dans notre système solaire, lorsque les planètes géantes ont subi une migration orbitale. On pense que plusieurs milliers d'objets de la taille de Pluton (un cinquième de la taille de la Terre) de la ceinture de Kuiper existaient dans le système solaire externe au-delà de Neptune. Les chercheurs ont d'abord calculé la probabilité que ces gros objets soient passés suffisamment près des planètes géantes pour être détruits par leur force de marée lors du dernier bombardement lourd. Les résultats ont montré que Saturne, Uranus et Neptune ont vécu plusieurs fois des rencontres rapprochées avec ces grands objets célestes.
Illustration schématique du processus de formation de l'anneau. Les lignes en pointillés montrent la distance à laquelle la gravité des planètes géantes est suffisamment forte pour que la perturbation des marées se produise. (a) Lorsque les objets de la ceinture de Kuiper ont des rencontres rapprochées avec des planètes géantes, ils sont détruits par les forces de marée des planètes géantes. (b) À la suite de la perturbation des marées, certains fragments sont capturés sur des orbites autour de la planète. (c) Des collisions répétées entre les fragments provoquent la rupture des fragments capturés, leur orbite devient progressivement plus circulaire, et les anneaux actuels se forment (altération partielle de la figure de Hyodo, Charnoz, Ohtsuki, Ordre du jour 2016, Icare). Crédit :Université de Kobe
Ensuite, le groupe a utilisé des simulations informatiques pour étudier la perturbation de ces objets de la ceinture de Kuiper par la force des marées lorsqu'ils passaient à proximité des planètes géantes (voir la figure 2a). Les résultats des simulations varient selon les conditions initiales, tels que la rotation des objets qui passent et leur distance d'approche minimale de la planète. Cependant, ils ont découvert que dans de nombreux cas, des fragments comprenant 0,1 à 10 % de la masse initiale des objets passant ont été capturés dans des orbites autour de la planète (voir les figures 2a, b). La masse combinée de ces fragments capturés s'est avérée suffisante pour expliquer la masse des anneaux actuels autour de Saturne et d'Uranus. En d'autres termes, ces anneaux planétaires se sont formés lorsque des objets suffisamment gros sont passés très près des géants et ont été détruits.
Les chercheurs ont également simulé l'évolution à long terme des fragments capturés à l'aide de superordinateurs à l'Observatoire national d'astronomie du Japon. À partir de ces simulations, ils ont découvert que les fragments capturés d'une taille initiale de plusieurs kilomètres devraient subir des collisions à grande vitesse à plusieurs reprises et sont progressivement brisés en petits morceaux. De telles collisions entre fragments devraient également circulariser leurs orbites et conduire à la formation des anneaux observés aujourd'hui (voir Figures 2b, c).
Ce modèle peut également expliquer la différence de composition entre les anneaux de Saturne et d'Uranus. Par rapport à Saturne, Uranus (et aussi Neptune) a une densité plus élevée (la densité moyenne d'Uranus est de 1,27 g cm-3, et 1,64g cm-3 pour Neptune, tandis que celle de Saturne est de 0,69g cm-3). Cela signifie que dans les cas d'Uranus (et de Neptune), les objets peuvent passer à proximité immédiate de la planète, où ils subissent des forces de marée extrêmement fortes. (Saturne a une densité plus faible et un rapport diamètre/masse élevé, donc si les objets passent très près, ils entreront en collision avec la planète elle-même). Par conséquent, si les objets de la ceinture de Kuiper ont des structures stratifiées telles qu'un noyau rocheux avec un manteau glacé et passent à proximité immédiate d'Uranus ou de Neptune, en plus du manteau glacé, même le noyau rocheux sera détruit et capturé, formant des anneaux qui comprennent une composition rocheuse. Cependant s'ils passent par Saturne, seul le manteau glacé sera détruit, formant des anneaux glacés. Ceci explique les différentes compositions de bagues.
Ces découvertes montrent que les anneaux des planètes géantes sont des sous-produits naturels du processus de formation des planètes de notre système solaire. Cela implique que les planètes géantes découvertes autour d'autres étoiles ont probablement des anneaux formés par un processus similaire. La découverte d'un système d'anneaux autour d'une exoplanète a été récemment rapportée, et de nouvelles découvertes d'anneaux et de satellites autour des exoplanètes feront progresser notre compréhension de leur origine.
