Formation d'Atlas, l'une des petites lunes intérieures de Saturne. C'est plat, La forme ressemblant à des raviolis est le résultat d'une collision de fusion de deux corps de taille similaire. La photo est un instantané en pleine collision, avant que la réorientation de la lune due aux marées ne soit terminée. Crédit :A. Verdier
Les petites lunes intérieures de Saturne ressemblent à des raviolis et à des spaetzle géants. Leur forme spectaculaire a été révélée par la sonde Cassini. Pour la première fois, des chercheurs de l'Université de Berne montrent comment ces lunes se sont formées. Les formes particulières sont le résultat naturel de la fusion de collisions entre de petites lunes de taille similaire, comme le démontrent les simulations informatiques.
Quand Martin Rubin, astrophysicien à l'Université de Berne, vu les images des lunes Pan et Atlas de Saturne sur internet, il était perplexe. Les gros plans réalisés par la sonde Cassini en avril 2017 ont montré des objets que la NASA a décrits dans son communiqué de presse comme des soucoupes volantes d'un diamètre d'environ 30 km. Avec leurs grandes crêtes et leurs centres bulbeux, Pan et Atlas ressemblaient aussi à des raviolis géants. Martin Rubin s'est demandé comment ces objets particuliers s'étaient formés et a demandé à son collègue Martin Jutzi s'ils pouvaient être le résultat de collisions, similaire à celui qui a formé la comète Chury comme Jutzi l'avait démontré plus tôt avec des simulations informatiques.
Martin Jutzi et Adrien Leleu, tous deux membres du PRN PlanetS, a relevé le défi de calculer le processus de formation des petites lunes intérieures de Saturne. La première, des tests simples ont bien fonctionné. "Mais alors, nous avons pris en compte les forces de marée et les problèmes se sont accumulés, " se souvient Adrien Leleu. " Les conditions proches de Saturne sont très particulières, " confirme Martin Jutzi. Étant donné que Saturne a 95 fois plus de masse que la Terre et que les lunes intérieures orbitent autour de la planète à une distance inférieure à la moitié de la distance entre la Terre et la Lune, les marées sont énormes et séparent presque tout. Par conséquent, Les lunes intérieures de Saturne n'auraient pas pu se former avec ces formes particulières par accrétion progressive de matière autour d'un seul noyau. Un modèle alternatif appelé régime pyramidal suggère que ces lunes ont été formées par une série de fusions de petites lunes de taille similaire.
La rangée du haut montre 3 petites lunes de Saturne imagées par le vaisseau spatial Cassini. Les résultats du modèle sont indiqués en bas. Les simulations reproduisent non seulement les formes, mais cela peut aussi expliquer pourquoi les crêtes de Pan et Atlas sont différentes du reste de leur corps :elles sont faites d'un matériau lisse qui a été pressé pendant le processus de fusion. Les fissures sur le corps principal pourraient être le résultat de contraintes de traction causées par la déformation des objets fusionnés. La lune modélisée semblable à Prométhée affiche les mêmes pointes aux deux extrémités que celles vues sur les images de Cassini. Crédit :NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute/Université de Berne
Ayant résolu leurs problèmes initiaux, les chercheurs ont pu vérifier le régime pyramidal, mais plus encore :ils ont montré que les collisions des lunes donnaient exactement les formes imagées par Cassini. Des fusions proches des fronts conduisent à des objets aplatis avec de grandes crêtes équatoriales, comme observé sur Atlas et Pan. Avec des angles d'impact légèrement plus obliques, les collisions ont donné lieu à des formes allongées en forme de spaetzle qui ressemblaient étroitement à la lune Prométhée de 90 km de long telle qu'elle a été photographiée par Cassini.
L'image du haut montre la grande lune Japet de Saturne telle qu'observée par Cassini. Il a une forme sphéroïde aplatie et une crête équatoriale. En bas :Le résultat de la simulation d'une fusion frontale de deux corps de taille égale avec la moitié de la masse de Japet. Crédit :NASA/JPL/Space Science Institute/Université de Berne
Les collisions frontales ont une forte probabilité
Sur la base de l'orbite actuelle des lunes et de leur environnement orbital, les chercheurs ont pu estimer que les vitesses d'impact étaient de l'ordre de quelques 10 m/s. Simulation de collisions dans cette plage pour différents angles d'impact, ils ont obtenu diverses formes stables similaires aux raviolis et spaetzle, mais uniquement pour les angles d'impact faibles. "Si l'angle d'impact est supérieur à dix degrés, les formes résultantes ne sont plus stables, " dit Adrien Leleu. Tout objet en forme de canard comme la comète Chury s'effondrerait à cause des marées de Saturne. " C'est pourquoi les petites lunes de Saturne sont très différentes des comètes qui ont souvent des formes bilobées, " explique Martin Jutzi.
De façon intéressante, les collisions frontales ne sont pas aussi rares qu'on pourrait le penser. On pense que les petites lunes intérieures proviennent des anneaux de Saturne, un disque mince situé dans le plan équatorial de la planète. Puisque Saturne n'est pas une sphère parfaite mais plutôt une oblate, il est difficile pour tout objet de quitter ce plan étroit. Donc, les quasi-collisions frontales sont fréquentes et l'angle d'impact tend à diminuer encore lors des rencontres ultérieures. "Une fraction importante de ces collisions de fusion a lieu soit lors de la première rencontre, soit après 1-2 événements de délit de fuite, " résument les auteurs dans leur article publié aujourd'hui dans Astronomie de la nature . « À cet égard, Saturne est presque un système de jouet pour étudier ces processus, " dit Martin Rubin.
Bien que les chercheurs se soient principalement concentrés sur les petites lunes intérieures de Saturne, ils ont également trouvé une explication possible à un mystère de longue date concernant la troisième plus grande lune de Saturne nommée Japet. Pourquoi Japet a-t-il une forme aplatie et une crête équatoriale distinctive ? "Nos résultats de modélisation suggèrent que ces caractéristiques peuvent être le résultat d'une fusion de lunes de taille similaire ayant lieu avec un angle d'impact proche de la face frontale, semblable aux plus petites lunes, ", résument les chercheurs.
