Saturne compte 82 satellites naturels, dont 53 sont aujourd’hui clairement identifiés. Des simulations numériques ont suggéré que ces dizaines de lunes avaient pu se former à partir de « l’étalement » de la matière qui constitue les anneaux de la planète. Une équipe internationale de chercheurs a réussi à déterminer précisément le processus de formation de deux de ces satellites, Titan et Encelade.
Titan et Encelade sont les deux satellites naturels les plus remarquables de Saturne. Titan est le plus grand ; il possède une atmosphère très dense, constituée principalement de diazote, et des lacs d’hydrocarbures à sa surface. Encelade, sixième satellite en matière de taille, est connu pour ses impressionnants jets de matière ; des observations récentes suggèrent la présence d’eau liquide sous sa surface.
Ces deux lunes saturniennes ont par conséquent fait l’objet de plusieurs programmes d’exploration, notamment la mission Cassini-Huygens qui a permis de récolter de précieuses données sur Saturne, ses anneaux et ses satellites. Son objectif principal était l’exploration de Titan, sur lequel la sonde s’est posée en 2005 ; la mission s’est prolongée jusqu’en 2017.
Des agrégations de poussières
Lorsqu’un anneau se forme autour d’une planète, il s’étale. La matière qui se dirige vers la planète ne peut s’agréger, du fait des forces de marée. En revanche, à mesure que la matière s’éloigne de la planète, à l’extérieur de l’anneau, elle subit de moins en moins ces forces de marée. À une certaine distance, celles-ci tendent à s’équilibrer avec les forces d’accrétion gravitationnelles et au-delà de cette limite, les forces d’accrétion prennent le dessus. C’est là que la matière peut s’agréger et potentiellement former de petites lunes.
L’exploration du système satellite de Saturne via la mission Cassini-Huygens a révélé plusieurs caractéristiques déroutantes concernant les compositions des lunes Titan et Encelade, ce qui a incité la révision de leurs modèles de formation. La descente de la sonde Huygens à la surface de Titan a confirmé que l’atmosphère est dominée par du diazote et du méthane et contient très peu de monoxyde de carbone ; elle a également révélé un appauvrissement significatif des gaz nobles primordiaux (argon, xénon, krypton…), alors que la détection de gaz rares est habituellement notable dans les atmosphères de planètes telluriques.
Parallèlement, la sonde Cassini a permis de déterminer la composition des panaches d’Encelade : 96 à 99 % d’eau, ainsi que de petites quantités de dioxyde de carbone, de méthane, d’ammoniac, et de dihydrogène. Aucune trace d’argon, de monoxyde de carbone et de diazote n’a été détectée, renforçant l’hypothèse selon laquelle les éléments constitutifs d’Encelade pourraient s’être formés sans ces trois molécules.
Considérées ensemble, les mesures des compositions de Titan et d’Encelade suggèrent que ces lunes auraient pu être assemblées à partir de blocs de construction similaires, apparus dans un disque circumplanétaire de stade avancé autour de Saturne. Or, la composition des lunes de Saturne est déterminée par l’emplacement des lignes de glace des divers composés volatils au sein de son disque de poussières. Une ligne de glace est une ligne isotherme au-delà de laquelle une espèce chimique existe sous forme solide (glace) ; en deçà de cette ligne, elle est sublimée et se trouve sous forme de gaz.
L’équipe de chercheurs a donc entrepris d’étudier l’évolution des abondances d’espèces volatiles (H2O, NH3, CH4, CO, N2) à l’état solide et à l’état de vapeur autour de leurs lignes de glace pour apprécier l’origine du matériau qui a finalement formé Titan et Encelade.
Des lunes nées plus loin que leurs orbites actuelles
En simulant l’évolution thermodynamique du disque de Saturne et le transport des principales espèces chimiques en son sein, les scientifiques ont montré que pour correspondre aux données de composition connues, les éléments constitutifs de Titan et d’Encelade se sont nécessairement agglomérés dans une région du disque située entre les lignes de glace du monoxyde de carbone et du diazote comme limite extérieure, et la ligne de glace du clathrate de méthane comme limite intérieure. En effet, de cette manière, les éléments constitutifs des satellites sont présumés dépourvus de CO et de N2 primordiaux, tout en conservant le CH4 piégé, ce qui est en accord avec les mesures de composition de Titan et d’Encelade.
Les chercheurs ont démontré par ailleurs qu’une source de poussières à l’emplacement du rayon centrifuge — qui correspond au point où le moment cinétique du gaz entrant est en équilibre avec le potentiel gravitationnel de Saturne — estimé initialement à environ 20-30 rayons saturniens, ne peut garantir le réapprovisionnement du disque en volatiles supposés primordiaux chez Titan et Encelade.
Seules les simulations supposant un rayon centrifuge compris entre 66 et 100 rayons saturniens permettent la formation et la croissance de solides, avec des compositions cohérentes avec celles mesurées pour Encelade et Titan. Les espèces sont alors capables d’évoluer sous des formes solides dans le système pendant de plus longues périodes, atteignant même un équilibre, favorisant ainsi la formation des éléments constitutifs de Titan et d’Encelade dans cette région du disque.
L’équipe précise que de nombreuses incertitudes demeurent concernant le mécanisme de formation du système lunaire de Saturne. Certains scénarios suggèrent que toutes les lunes du système se sont formées dans le disque gazeux de la planète ; d’autres proposent que les lunes les plus petites appartiennent en réalité à une deuxième génération de satellites, issue soit de la diffusion de matériel de l’anneau de Saturne, soit de la perturbation du système primordial constitué des plus grosses lunes.
L’étude démontre ainsi l’intérêt d’envoyer une mission robotique dédiée à la mesure de la composition chimique et isotopique de ces lunes, afin de mieux connaître leurs conditions de formation. La prochaine mission chargée d’étudier Titan est Dragonfly, qui doit être lancée en 2026 ; l’arrivée de cet aérogyre sur Titan est prévue pour 2034.