La durée exacte de la journée sur Saturne était difficile à déterminer mais les observations de la sonde Cassini ont permis d’utiliser une idée brillante pour la mesurer avec précision. Les anneaux de Saturne se comportent, en effet, comme une sorte de sismomètre sondant l’intérieur de la géante dont les oscillations sont fonction de sa vitesse de rotation.

Ça y est ! On sait enfin que la vitesse de rotation de Saturne sur elle-même est d’environ 10 heures 33 minutes et 38 secondes ! Certes, cela ne va probablement pas révolutionner la planétologie mais, comme on va le voir, la méthode qui a conduit à cette détermination précise est impressionnante et brillante intellectuellement. Et puis, après tout, qui sait vraiment ce que cette information peut vraiment impliquer sur la structure et l’histoire de Saturne ?

En son temps, le prix Nobel de physique Willis Lamb avait fait une mesure précise d’une obscure raie pour un niveau d’énergie fin de l’atome d’hydrogène, mesure qui a eu un rôle important dans le développement foudroyant de l’électrodynamique quantique relativiste, juste après la seconde guerre mondiale. Mais avant de rentrer dans le vif du sujet, revenons des décennies en arrière, au temps des missions Voyager.

Remettons les pendules de Saturne à l’heure

Les géantes gazeuses n’ont pas de surface solide de sorte qu’il n’est nullement évident de définir une vitesse de rotation précise en les observant à l’aide d’un télescope. Toutefois, en théorie du moins, le problème peut être contourné en cartographiant grossièrement la magnétosphère de ces géantes et en modélisant les émissions radios qui lui sont associées.

Dans le cas de Jupiter, comme dans le cas de la Terre, cette magnétosphère est similaire au champ magnétique d’un barreau aimanté dont l’axe ne coïncide pas avec celui de la rotation de la planète. L’axe magnétique est alors en mouvement et les émissions radios associées, fonction de ce mouvement, permettent de remonter à la vitesse de rotation de la planète. Pas de bol avec Saturne ! Il apparait que son axe de rotation et son axe magnétique sont quasiment parallèles, de sorte qu’on ne peut pas utiliser la même méthode.

Des oscillations des anneaux de Saturne sont bien visibles dans ces images prises par Cassini. Traduction et sous-titrages en français en cliquant sur la roue dentée en bas à droite de l’écran. ©CiclopsNews

Les anneaux de Saturne comme sismomètres

Toutefois, comme l’explique une équipe d’astrophysiciens états-uniens dans cet article publié sur arXiv, il existe là aussi une méthode astucieuse pour éluder le problème. Elle repose sur des considérations du planétologue David J. Stevenson du California Institute of Technology, qui les avait déjà avancées au début des années 1980, précisément au moment où les missions Voyager explorent les mondes jupitériens et saturniens. Stevenson avait alors eu une idée aussi surprenante que géniale, utiliser les anneaux de Saturne comme sismomètres !

Voilà comment cela fonctionne. Comme la Terre, Saturne est une masse de matière auto-gravitante, possédant des courants de matière en convection en son intérieur, de sorte que, non seulement, la répartition et la densité de la matière y changent dans le temps et l’espace, mais il apparait des modes de vibrations modifiant cette répartition des masses et des densités qui sont excités par la convection, de la même façon qu’un instrument de musique sous l’effet d’une contrainte mécanique.

La petite musique saturnienne

Le champ de gravitation de Saturne est donc complexe, dynamique. Il varie comme s’il était une musique produite par un tel instrument, métaphoriquement et du point de vue mathématique pour les équations décrivant ces phénomènes, bien sûr. Or, les anneaux de Saturne sont sensibles à ces variations. Ils vont donc se mettre en mouvement, en réponse à ce champ, et en fonction des fréquences de variations des ondes et oscillations à l’intérieur de Saturne. On peut donc faire l’analogie avec la sismologie sur Terre.

Quel rapport avec la rotation de Saturne ? Tout simplement que les forces de Coriolis et les forces centrifuges dues à la rotation de la géante vont modifier ses mouvements internes et, en fait, les fréquences d’oscillation de Saturne, donc, in fine, celles des variations du champ de gravitation. L’effet se verra dans les mouvements des anneaux de Saturne.

La sonde Cassini était en mesure d’observer et de mesurer ces mouvements. En tenant compte des effets du champ de gravitation des lunes de Saturne, il a alors été possible de remonter aux fréquences propres de la géante gazeuses, lesquelles sont fonction de la vitesse de rotation de Saturne que l’on peut déduire et calculer.

Et voilà !

Ce qu’il faut retenir

  • Saturne vibre comme la Terre sous l’effet de séismes géants sauf qu’ici, il s’agit des courants de convection dans la géante qui excitent ses modes d’oscillations.
  • Ces oscillations, faisant varier la distribution et la densité de la planète, font aussi varier son champ de gravitation selon des fréquences précises.
  • Ce champ de gravitation affecte à son tour les anneaux de Saturne qui oscillent en fonction des fréquences précédents, lesquelles sont fonction de la vitesse de rotation de la planète qui affecte les mouvements de ses masses internes, notamment sous l’effet de la force de Coriolis.
  • Cassini a mesuré les mouvements des anneaux de Saturne causés par ces phénomènes, ce qui a permis de remonter à la vitesse de rotation de la planète : 10  heures 33 minutes et 38 secondes.
Pour en savoir plus

Saturne tourne plus lentement que prévu !

Article de Christophe Olry publié le 04/05/2006

Combien de temps dure une journée sur Saturne ? Cette question peut sembler banale, alors que la sonde Cassini a déjà observé ses anneaux avec une précision inégalée, mis à nu la stratosphère de sa lune Titan et découvert de l’eau qui pétille sur Encelade… Pourtant, la dernière mesure de sa périodicité (10 heures 47 minutes et 6 secondes), présentée aujourd’hui dans la revue Nature, est supérieure de huit minutes aux prévisions antérieures !

Estimer la durée d’une journée sur Saturne est difficile

Depuis 1997 et le lancement de Cassini-Huygens, Saturne est sous les projecteurs. Les révélations à son sujet se sont multipliées et, dans ce contexte, la parution d’une nouvelle étude concernant sa période de rotation peut sembler singulière. Pourtant, s’il est aisé d’évaluer la durée d’une journée sur une planète dont la surface est visible – il suffit de fixer un point et d’observer son déplacement, l’art est difficile sur Saturne, où le noyau solide est obscurci par d’épais nuages qui rendent impossible toute mesure visuelle directe.

Jusqu’à aujourd’hui, les astronomes utilisaient les distorsions des signaux radio émis par Saturne pour déterminer sa période. Dans les années 80, Voyager a analysé ces émissions et déterminé qu’une journée sur Saturne durait 10 heures 39 minutes et 22 secondes. Mais des mesures semblables réalisées par Cassini entre 2003 et 2004 ont mené à un résultat différent : 10 heures 45 minutes et 45 secondes…

Pourquoi une telle différence ?

Les scientifiques ont avancé de nombreuses hypothèses pour expliquer cet écart, certains allant même jusqu’à dire que Saturne avait pu ralentir au cours des 20 dernières années. Mais, aux yeux de nombreux spécialistes, cette explication n’était pas satisfaisante. Ils se sont alors posé la question suivante : Et si les émissions radio ne reflétaient pas directement la périodicité de la planète ? En effet, on sait que les distorsions des ondes radio sont liées au champ magnétique qui, lui-même, est lié à la rotation du noyau. Mais utiliser tant d’intermédiaires pour une mesure n’est pas sans risque… Il est alors apparu que, pour évaluer avec précision la durée d’une journée sur Saturne, il fallait opérer plus directement.

L’équipe dirigée par Giacomo Giamperi, du Jet Propulsion Laboratory, a opté pour une méthode différente. Au lieu de se baser sur les émissions d’ondes radio de Saturne, ils ont exploité les données du magnétomètre de Cassini et détecté un signal périodique dans le champ magnétique saturnien. Si ce signal est bien lié à la période de rotation du noyau, comme le pense l’équipe, la durée d’une journée sur Saturne est de 10 heures, 47 minutes et 6 secondes, une valeur supérieure de près de 8 minutes à celle fournie par Voyager. Et, depuis que Cassini est en orbite autour de Saturne, cette période n’a pas varié.

Une meilleure connaissance de la période de rotation de Saturne permettra de mieux modéliser cette planète, de déterminer avec précision la vitesse de ses vents et la taille de son noyau de roches et de glace. Combien de temps dure une journée sur Saturne ? Jusqu’à preuve du contraire, 10 heures, 47 minutes et 6 secondes. Comme quoi, les questions qui semblent les plus simples ne sont pas toujours les plus évidentes !

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