La mission Cassini (NASA), en orbite autour de Saturne depuis 2004, observe à haute résolution la planète Saturne, ses satellites et son système d’anneaux. Située juste à l’extérieur de la ceinture principale d’anneaux, une myriade de petits satellites - Pan, Atlas, Prométhée, Pandore, Janus, Epiméthée – peut être repérée par leur forme allongée. Les anneaux denses de Saturne (découverts par Galilée) s’étendent de 70 000 km à 138 000 km de la planète ; les satellites orbitent au-delà, entre 138 000 km et 150 000 km et sont donc bien distincts de ce système d’anneaux. Les satellites naturels des planètes du Système solaire, par exemple la Lune satellite de la Terre, Titan satellite de Saturne, se sont formés pendant le premier milliard d’années de son histoire, dont l’âge est estimé à 4,56 milliards d’années. Les processus de formation de ces planètes et de ces satellites seraient ainsi aujourd’hui achevés.

Les observations permises par Cassini intriguent les scientifiques à double titre. D’une part, la myriade de petits satellites est actuellement relativement proche de Saturne, alors que leur distance à la planète doublerait tous les dix millions d’années environ par interaction avec les anneaux. Dans ce cas, comment ces satellites pourraient-ils être aussi âgés que Saturne et se trouver à cette distance de la planète ? D’autre part, ils restent très brillants, d’une couleur spectrale proche de celle des anneaux, qui sont constitués de glace d’eau très réfléchissante ; or ils devraient subir le bombardement météoritique qui noircit les surfaces de corps du Système solaire.
Pour être si « propres » et si proches des anneaux, les satellites doivent être beaucoup plus jeunes. Quelle est leur origine ? Comment se sont-ils formés ?

L’étude menée par des astrophysiciens de l’Université Paris Diderot – Paris 7, du CEA-Irfu, du CNRS, de l'Université de Nice Sophia-Antipolis, de l’Observatoire de la Côte d’Azur/INSU et de l'Université de Cambridge, permet d’éclaircir ce mystère. Grâce à une simulation numérique modélisant l’évolution fluide des anneaux et la couplant aux processus de formation des satellites, ils ont montré que les petits satellites de Saturne sont en fait constitués du matériau même des anneaux de Saturne, qui s’est spontanément étalé vers l’extérieur.

D’une certaine manière, ces petits satellites sont en fait des « bouts » d’anneaux condensés en agrégats, il y a quelques millions ou dizaines de millions d’années seulement. En effet, les anneaux de Saturne, comme tout disque astrophysique, s’étalent sous l’effet de leur viscosité. Les intenses forces de marées - c’est-à-dire les interactions entre la planète et les anneaux - maintiennent les anneaux stables. Au-delà d’une certaine distance, ils deviennent instables et se condensent spontanément en agrégats. La zone de transition s’appelle « la limite de Roche », et se trouve justement aux alentours de 138 000 km, là où les anneaux principaux s’arrêtent et où l’on commence à trouver des satellites. Quand les anneaux s’étalent et franchissent cette frontière, des agrégats de matière se forment en quelques centaines d’heures. Ces petits agrégats se rencontrent et peuvent former des corps plus gros. Les chercheurs ont montré que ce processus rendait compte à la fois des masses, des tailles mais aussi de l’organisation orbitale des petits satellites de Saturne. Ce processus très lent, toujours à l’œuvre au bord externe des anneaux, explique également la faible densité et la composition chimique des satellites, proche de celle des anneaux.

« Ce nouveau mécanisme de formation de satellites pourrait avoir d’autres applications ailleurs dans le Système solaire : notre Lune se serait formée de manière très similaire par exemple, à partir du disque proto-lunaire », indique Sébastien Charnoz, du laboratoire AIM¹ Paris Saclay. « Ces travaux montrent que les processus de formation de nouveaux objets ne sont pas achevés dans le Système solaire, et qu’au bord des anneaux principaux de Saturne², en ce moment même, des corps sont en train de naître. » Le même processus explique également l’origine de l’anneau F de Saturne. Riche en poussières et situé juste au-delà des anneaux principaux (à 3 000 km), il se trouve entre les orbites de Prométhée et de Pandore, deux des petits satellites. Cet anneau très dynamique ne serait autre que la signature « poussiéreuse » de ce processus. Même si l’anneau F pourrait avoir toujours existé (car régulièrement réalimenté en petites lunes régulièrement formées), le matériau dont il est constitué ne doit pas avoir plus de dix millions d’années.

Ces travaux sont publiés dans la revue Nature du 10 juin 2010.

Pour en savoir plus (textes, photos et vidéos 3D) : Le site Internet du CEA-Irfu

“Recent origin of Saturn’s moonlets and F-ring from rings viscous spreading”
Sébastien CHARNOZ1,2, Julien SALMON2, Aurélien CRIDA3,4 Nature, 2010

1-Laboratoire AIM : Laboratoire d’Astrophysique, Instrumentalisation-Modélisation (CEA-Irfu, CNRS/INSU, Université de Paris Diderot – Paris 7)
2-Les anneaux de Saturne se composent d’une zone dense, avec en s’éloignant de la planète les anneaux D, C, B, A qui sont très brillants et des ceintures de poussières, les anneaux F, G, E, situés à des distances à Saturne comprises entre 140 000 et plus de 400 000 km.