L'anneau de Phoebe a-t-il rendu les lunes rouges?

L’anneau le plus mystérieux de Saturne aurait peut-être joué un rôle clé dans la transformation des surfaces d’Iapetus et d’Hyperion.

Iapetus, la lune bicolore de Saturne, vue par Cassini en 2015. Les deux moitiés de la lune sont clairement visibles. Crédit image: NASA / JPL-Caltech / Institut des sciences spatiales.

Iapetus, la troisième plus grande lune de Saturne, possède l'une des surfaces les plus étranges du système solaire. Un hémisphère, nommé Cassini Regio, est sombre avec une légère teinte rougeâtre, tandis que l'hémisphère opposé est d'un blanc intense. De plus, l'autre côté a un albédo beaucoup plus élevé, ce qui signifie qu'il réfléchit beaucoup plus de lumière que le côté rougeâtre foncé. Cette différence singulière a été remarquée par Giovanni Cassini il y a trois siècles. Elle a été photographiée en détail en 2007 par la sonde qui porte son nom.

La théorie principale de la différence de luminosité est la suivante: au fil du temps, la glace d'eau s'est sublimée d'un côté de la lune. Cela a conduit à une boucle de rétroaction thermique en modifiant l’albédo de l’hémisphère et donc en augmentant sa température de surface, ce qui a conduit à une plus grande sublimation. Les observations récentes de la sonde Cassini confirment cette hypothèse. Cependant, il manque une théorie à la théorie: un moyen de commencer cette boucle de rétroaction.

Projection cylindrique d'Iapetus réalisée à partir d'une mosaïque d'images de Cassini. Crédit image: NASA / JPL-Caltech / Institut des sciences de l'espace / Institut lunaire et planétaire.

Une explication possible est apparue: peut-être que les particules rougeâtre foncé responsables du démarrage du processus provenaient d'un autre corps astronomique, peut-être d'une autre lune saturnienne. Cela n’a cependant pas été conquis jusqu’en 2009, année où le télescope spatial infrarouge Spitzer a fait une découverte surprenante: un énorme disque de matériau 25 fois plus grand que le reste des anneaux de Saturne. Poursuivez votre lecture pour découvrir ce que Spitzer a découvert, d’où il vient et pourquoi il est si important.

Comment faire une bague de 11 millions de kilomètres de large?

Le système en anneau de Saturne est le plus vaste du système solaire et de loin le plus complexe. Il consiste en une série de bandes distinctes de roche et de glace séparées par des espaces vides maintenus par des lunes de berger. Alors que l'anneau lumineux A se termine à 137 000 km de la planète, il est entouré d'anneaux plus minces et moins brillants, y compris l'anneau E ténu qui s'étend jusqu'à 480 000 km, soit 8,25 rayons de Saturne.

La dernière image de Saturne par Cassini, prise en 2017. Plusieurs lunes sont étiquetées, bien que extrêmement pâles. Crédit image: NASA / JPL-Caltech / Institut des sciences spatiales.

On pense que les principaux anneaux se sont formés il y a environ 100 millions d'années, vraisemblablement d'une lune déchirée par les forces des marées. Cependant, plusieurs anneaux plus petits semblent être activement reconstitués. Par exemple, le survol de Cassini a montré que les geysers glacés d’Enceladus éjectent de minuscules particules qui forment l’anneau E. En 2009, une autre lune a été ciblée comme source possible de matériau d'anneau: Phoebe, qui se déplace sur une orbite rétrograde excentrique avec un demi-grand axe de 215 rayons de Saturne.

Le télescope spatial Spitzer a pris une image de Saturne à 24 et 70 μm, longueurs d’onde auxquelles la poussière fraîche devrait être la plus visible. Les observations n'ont pas déçu. Des mosaïques d'images montraient un large anneau de poussière s'étendant entre 128 et 215 rayons de Saturne et une épaisseur étonnante de 40 rayons de Saturne. Il était clairement centré autour de la lune et s’étendait suffisamment vers l’intérieur pour brosser l’orbite de Iapetus. Les modèles ont montré que la plupart des matériaux, cependant, ne résidaient pas si relativement près de la planète. Pour atteindre l’orbite de Naples, il lui aurait fallu parcourir environ 8,7 millions de kilomètres. Comment, alors, cela pourrait-il arriver - et pourquoi seulement la moitié de Iapetus est-elle touchée?

La figure 1, Verbischer et al. 2009. L'anneau Phoebe est particulièrement visible dans la mosaïque intitulée MIPSON, comprise entre 128 et 180 rayons Saturne. Les grandes lignes diagonales ne sont que des artefacts d’observation.

Le processus d’éjection semblait assez clair: impacts de micrométéoroïdes. Lorsque de petites roches touchent la surface de Phoebe, elles éjectent de minuscules particules de glace et de silicate de la croûte qui s'échappent de la lune et forment un anneau poussiéreux autour de celle-ci. Les éjectas se sont rapidement répandus, par le biais de l'effet Poynting-Robertson. Les petites particules absorbent le rayonnement solaire puis le réémettent asymétriquement, ce qui entraîne une diminution du moment angulaire orbital. Grâce à ce re-rayonnement, ces particules tombent dans des orbites inférieures sur des dizaines de millions d'années. L'effet Poynting-Robertson est un facteur important dans l'évolution des disques protoplanétaires - et, semble-t-il, des systèmes cycliques.

Ce matériau inspirant couvrirait Iapetus uniformément s’il n’existait pas certaines caractéristiques inhabituelles des orbites des lunes. Premièrement, Napoléon est étroitement lié à Saturne. Ainsi, un hémisphère est toujours le côté «principal» et l’autre est toujours le «côté arrière». Deuxièmement, Phoebe a une orbite rétrograde, ce qui signifie qu’elle se déplace dans le sens inverse de la plupart des lunes de Saturne - et donc de son anneau de poussière. Cela signifie que lorsque les particules du cycle entrent en collision avec Iapetus, elles ne le font que sur son côté principal, assombrissant un hémisphère et diminuant son albédo.

La figure 4, Verbischer et al. 2009. Des simulations numériques du mouvement des particules sur 2 000 ans ont montré comment l'anneau pouvait se développer pour atteindre les orbites de Iapetus et même de Titan, représenté par de minces anneaux bleus autour de Saturne.

Spectroscopie: problèmes et solutions

La théorie n’est pas sans problèmes. Le problème principal a été découvert grâce aux observations spectroscopiques de Phoebe, Japetus et Hyperion - une petite lune irrégulière de Saturne qui rougit de la même manière que Japetus. Phoebe et Iapetus présentent des similitudes spectrales, notamment une caractéristique d'absorption importante attribuée aux hydrocarbures trouvés dans les deux corps, à 3 µm, témoignant d'un passé commun (Cruikshank et autres, 2008).

Figures 3 et 8, Cruikshank et al. 2008. La bande d'absorption centrée sur 3 µm est clairement visible dans le spectre infrarouge des deux lunes. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) seraient responsables.

La présence des mêmes matériaux dans deux lunes ne signifie pas que les matériaux de l’une ont été transportés à l’autre. Une explication simple pourrait être qu’ils se sont simplement formés dans des environnements similaires - une idée confortée par le fait que Iapetus est le plus proche voisin de Phoebe. Cependant, on pense que Phoebe et Iapetus viennent d’endroits différents; Phoebe est probablement un astéroïde capturé qui s'est formé dans la ceinture de Kuiper, alors que Iapetus s'est formé in situ autour de Saturne. Cela conforte l'idée que le transfert de matériel s'est produit après la formation des lunes.

La figure 1, Buratti et al. 2002.

Bien que les caractéristiques spectrales des hydrocarbures et d'autres molécules semblent être une bonne nouvelle, toutes les données spectroscopiques ne supportent pas la théorie selon laquelle les lunes sont liées. Par exemple, l'analyse spectrale du début des années 2000 (Buratti et al. 2002) des trois lunes et de plusieurs petites lunes et astéroïdes montre de nettes différences entre Phoebe et les deux autres lunes à des longueurs d'onde comprises entre 0,4 et 1,0 µm. Les zones sombres d'Hyperion et de Iapetus sont extrêmement similaires; La surface de Phoebe n’est pas. À première vue, cela semblerait être une preuve évidente contre toute la théorie, mais les difficultés sont évitées si nous supposons que la majeure partie de la décoloration que nous voyons à présent n'est pas directement due aux dépôts de l'anneau de Phoebe.

Au début, j'ai mentionné une boucle de rétroaction thermique qui a été lancée par le transfert de matériel de Phoebe. Le matériau initialement déposé sur l’hémisphère supérieur de l’Iapetus est tombé sur une grande partie de sa surface glacée. La poussière avait un albédo faible, ce qui signifie qu’elle absorbe la plus grande partie de la lumière. Cela réchauffe. Cette chaleur serait ensuite transférée à la glace recouverte de poussière et la glace se sublimerait, diminuant encore l’albédo de la lune (voir Spencer & Denk 2010).

Un processus similaire pourrait se produire sur Hyperion. Cependant, Hyperion n’est pas étroitement lié à Saturne. En fait, sa rotation est si chaotique qu’elle bascule dans l’espace. Cela signifie qu'il aurait dû accrocher la poussière sur sa surface, l'assombrissant uniformément. La même boucle de rétroaction peut se produire, mais elle n’aurait pas produit une telle distribution asymétrique de couleur et d’albédo.

La figure 3, Verbischer et al. 2009. Ce graphique montre l'intensité de l'émission à différentes hauteurs dans l'anneau. La tache lumineuse est une galaxie de fond.

Il existe des preuves de l’idée que l’anneau de Phoebe est responsable des surfaces impaires de Iapetus et de Hyperion, et il est également prouvé que le cycle a été démarré par une autre source de matériau. L’anneau lui-même est toujours à l’étude, dans les longueurs d’onde infrarouge et optique, pour tenter de discerner sa taille et sa masse avec encore plus de précision. Peu importe qu’il s’agisse du mécanisme à l’origine de la décoloration, il reste - pour l’instant - le plus grand anneau de Saturne.