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Service d'astrophysique
Laboratoire AIM

 
Saturne à pile et face
CIRS prend la température des anneaux

La sonde spatiale CASSINI-Huygens est en orbite autour de Saturne depuis le 30 juin 2004. A cette date, elle a effectuée lors de son orbite d'insertion, un premier  survol des anneaux de la planète à l'altitude la plus basse de toute la mission (moins de 18 000 kilomètres, soit environ un tiers du rayon de la planète). Lors de cette occasion unique, l'instrument baptisé CIRS (acronyme pour "Composite InfraRed Spectrometer" ou "Spectromètre Infrarouge Composite"),  fruit d'une collaboration internationale à laquelle participe le CEA-DAPNIA de Saclay [1], a pu mesurer la température des anneaux avec une précision jamais atteinte, d'abord sur la face "non-éclairée" puis sur la face "éclairée" par le Soleil. Ces premières mesures amène une constatation étonnante: les anneaux semblent avoir la même température coté "pile (éclairé) et "face" (non-éclairé). Cette propriété surprenante permet de mieux comprendre la nature des particules qui constituent les anneaux. Les résultats de cette étude seront publiés dans la revue Science du 25 Février 2005.

 

Les anneaux de Saturne

Les anneaux de Saturne sont la structure la plus étonnante du Système Solaire. Entourant la planète dans son plan équatorial, ils ont une extension de plus de 270 000 kilomètres (presque équivalente à la distance Terre-Lune) avec une épaisseur très faible, de seulement quelques dizaines de mètres, infiniment plus fins qu'une lame de rasoir ! Ils semblent être constitués d'une myriade de petits blocs de glace (plusieurs milliards de milliards) dont la composition exacte est encore inconnue. On sait que la surface des anneaux est recouverte de glace d'eau assez pure, mais la nature de l'intérieur et du contaminant qui salit légèrement leur surface est encore inconnue. Malgré leur taille imposante, la masse totale des anneaux est très faible, tous ces blocs rassemblés en un seul corps ne feraient pas plus de 200 kilomètres de rayon. L'origine des anneaux  n'est pas encore résolue. Ils pourraient être soit un satellite de la planète jamais formé, soit au contraire un satellite disloqué par les forces de marées dues au globe tout proche de Saturne.

 

Les anneaux de Saturne sont sans doute la structure la plus fine du Système solaire (moins de quelques dizaines de mètres d'épaisseur). Ils ont une extension, une composition et une épaisseur légèrement différente selon les anneaux. Le début de l'anneau D commence à environ 7 000 kilomètres de la surface de Saturne, C à 14 000km, B à 32 000km et A à 62 000km. Entre B et A, on trouve un espace relativement vide, la division de Cassini (CD) et à l'intérieur de A, la division de Encke.  Crédits NASA/JPL

Le survol des anneaux

Le 30 juin 2004, lors de son arrivée à Saturne après un premier passage à travers les anneaux,  la vitesse de la sonde CASSINI-Huygens a été brutalement diminuée de 600 mètres par seconde par l'allumage de rétro-fusées pour pouvoir se mettre en orbite autour de la planète. Les instruments ont été mis en route après cette phase de décélération qui a duré 96 minutes. La sonde a alors survolé le côté des anneaux opposé au Soleil (face nuit), d'abord l'anneau C puis B, la division de Cassini (CD) et enfin l'anneau A avant de retraverser le plan des anneaux, de se retourner et d'observer en s'éloignant le côté éclairé par le Soleil (face Jour) de l'anneau A.

 

La mise en orbite de la sonde CASSINI-HUYGENS autour de  Saturne, le 30 juin 2004 (vue équatoriale). La sonde a survolé les anneaux à une altitude variant de 60000 à 18000 km d'altitude. Elle a traversé deux fois le plan des anneaux entre les anneaux F et G (cliquer pour agrandir) Crédits NASA/JPL.

Le spectromètre infrarouge CIRS, constitué de détecteurs sensibles à la lumière infrarouge (de longueur d'onde de 7 microns à 1 millimètre) a pu alors établir pour la première fois une carte très précise de la température des anneaux, en résolvant des détails de 100 à 200 km à peine, un record dans le domaine infrarouge où observe CIRS et qui restera inscrit pour longtemps dans les annales.

Le monde gelé des anneaux

Les anneaux de Saturne sont un monde totalement gelé car la température moyenne est extrêmement basse, environ 100 Kelvin (100K) [2] soit - 173 degrés Celsius ou 173 degrés au dessous du zéro qui marque le gel de l'eau. A la distance de Saturne (près de 1,5 milliards de kilomètres), le Soleil est en effet une source de chaleur très faible. L'instrument CIRS a d'abord mesuré la face "nuit" des anneaux, celle non éclairée par le Soleil. La température varie fortement d'un anneau à l'autre.  L'anneau B est le plus froid (environ 70 K), les anneaux A et C ont une température plus élevée, de 90-100K tandis que les divisions Cassini et Encke atteignent 110-120K. La comparaison de la carte des températurex avec l'aspect visible des anneaux a fourni une première constatation étonnante. Les anneaux les plus transparents sont les plus chauds et les plus opaques sont les plus froids. Cette corrélation très régulière ne peut s'expliquer que par un phénomène d'ombre entre les particules, ces petits blocs de glace d'environ un mètre de diamètre en moyenne qui constituent les anneaux. Lorsque leur nombre augmente, les particules sont plus proches les unes des autres dans les parties les plus denses et font alors un écran mutuel au rayonnement solaire qui les chauffe.

 

A gauche M L'image visible des anneaux montrant les différentes opacités (du noir au blanc) allant du plus transparent (anneau D et divisions Cassini et Encke) au plus opaque (anneau B) Crédits NASA/JPL. A droite : L'image infrarouge des anneaux où les fausses couleurs représentent la température du plus froid (bleu) au plus chaud (rouge). Les anneaux les plus opaques sont les plus froids. Crédits CIRS/JPL/NASA.

La deuxième surprise est venue de la mesure de température de la face "jour" des anneaux, celle éclairée par le Soleil. Seule la température de l'anneau A a pu être mesurée lorsque la sonde s'est éloignée de Saturne après son passage à travers le plan des anneaux. De manière surprenante, CIRS a mesuré une température identique à celle de la face non-éclairée (figure ci-dessous).

 

En haut, l'opacité des anneaux mesurée par la précédente sonde Voyager (d'intensité croissante du gris au blanc) avec l'extension et la succession de l'anneau C, puis B, la division de Cassini CD et l'anneau A. Au milieu, la température des anneaux sur la face "nuit" non éclairée et la face "jour" éclairée par le Soleil, graduée en fausses couleurs selon l'échelle (en unité Kelvin, en bas). Les zones blanches sont les zones non couvertes par l'instrument CIRS. Les faces "jour" et "nuit" de l'anneau A (à droite) ont exactement la même température (environ 80K) Crédits CIRS.

Les scientifiques s’attendaient à ce que la lumière du Soleil chauffe plus efficacement la face directement éclairée et beaucoup moins intensément la face sombre, la lumière solaire étant au moins en partie absorbée en passant à travers l’anneau. Cette situation semblait jusqu'alors indiquée par les mesures moins précises des sondes précédentes  Pioneer (1979) et Voyager (1980 et 1981). Une explication simple pourrait être que toutes les particules des anneaux ont la même température mais ceci est en contradiction avec d’autres indices. La solution semble au contraire impliquer que les petits blocs de glace des anneaux tournent lentement sur eux-mêmes et ont une température non uniforme. Chaque bloc a alors un coté chaud éclairé et un côté froid dans l'ombre du Soleil. L’effet pourrait alors s’expliquer par le fait que, du fait de la position relative du Soleil et de la rotation des blocs, lorsqu’on a observé la face éclairée de l’anneau A, on a regardé une fraction de la surface froide des particules, leur côté nuit, alors que lorsque qu'on a observé la face sombre de l'anneau A, on a au contraire regardé leur côté jour, le plus chaud. La différence d’angle de vue entre les deux mesures expliquerait alors la similitude des températures, entre les deux faces des anneaux. Cette indication indirecte sur la nature des particules est très précieuse et les observations de CIRS qui vont suivre vont permettre sans aucun doute de lever le doute sur la composition exacte des blocs et sur leur origine encore discutée.


Contact :     (Responsable Scientifique)
                   (Chef de projet Instrument) 

Publications :

"Temperatures, Winds, and Composition in the Saturnian System"
F. M. Flasar, R. K. Achterberg, B. J. Conrath, J. C. Pearl, G. L. Bjoraker, D. E. Jennings, P. N. Romani, A. A. Simon-Miller, V. G. Kunde, C. A. Nixon, B. Bézard, G. S. Orton, L. J. Spilker, J. A. Spencer, P. G. J. Irwin, N. A. Teanby, T. C. Owen, J. Brasunas, M. E. Segura, R. C. Carlson, A. Mamoutkine, P. J. Gierasch, P. J. Schinder, M. R. Showalter, C. Ferrari, A. Barucci, R. Courtin, A. Coustenis, T. Fouchet, D. Gautier, E. Lellouch, A. Marten, R. Prangé, D. F. Strobel, S. B. Calcutt, P. L. Read, F. W. Taylor, N. Bowles, R. E. Samuelson, M. M. Abbas, F. Raulin, P. Ade, S. Edgington, S. Pilorz, B. Wallis, E. H. Wishnow
publié dans Science du 25 Février 2005, vol 307 p. 1247, pour télécharger l'article  (format PDF/390Ko)

voir  : Cassini rencontre les anneaux : Images à haute résolution du monde glacé de Saturne (24 Février 2005)

voir aussi : "Le site CIRS du Service d'Astrophysique"
                "Le site de l'équipe de recherche GAMMA-Gravitation de l'Université Paris 7-CASSINI (en français)"
                "Le site de la mission CASSINI-HUYGENS de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) (en anglais)"
                "Le site de la mission CASSINI-HUYGENS au Centre National d'Etudes Spatiales (en français)"
                "Le site du Jet Propulsion Laboratory NASA-CALTECH (en anglais)"
                "Le site officiel de la mission CASSINI-HUYGENS de la NASA (en anglais)"


 

Notes

[1] L'instrument CIRS à bord de Cassini-Huyghens : CIRS (acronyme pour "Composite InfraRed Spectrometer" ou "Spectromètre Infrarouge Composite"), est le fruit d'une collaboration entre le CEA-DAPNIA de Saclay, le Centre Spatial Goddard (GSFC) de la NASA à Washington, l'Université d'Oxford, le Queen Mary's College de Londres et l'Observatoire de Paris-Meudon. Il s'agit d'un spectromètre infrarouge dont le détecteur principal est constitué de deux barrettes de dix détecteurs constitués d'un matériau semi-conducteur (HgCdTe ou Tellure de Mercure et de Cadmium) particulièrement sensible à la lumière infrarouge, placé au foyer d'un petit télescope de 50 cm de diamètre.. Le Service d'Astrophysique du CEA-DAPNIA a assuré la réalisation de l'instrument en collaboration avec le CEA/Leti (Laboratoire d'électronique et des techniques de l'information) qui a fourni les barrettes et le DAPNIA/SIG (Service d'Instrumentation Générale) qui a réalisé l'électronique associée. Le programme d'observation est conduit par l'équipe mixte CEA-Paris VII, dans le cadre d'une collaboration entre le Service d'Astrophysique du CEA-DAPNIA et l'université Paris-VII.

CIRS en chiffres:
Poids total 40 kg
Dimension télescope 50.8 cm Æ
Domaine spectral 7-9 µm (FP4), 9-17 µm (FP3) et 17-1000 µm (FP1)
Détecteurs Diodes photoconductrices HgCdTe (FP3)
Diodes photovoltaïques HgCdTe (FP4)
Thermopiles (FP1)
Pixels 2 barrettes de 10 pixels pour les plans focaux FP3 et FP4
Champs de vue 3.9 mrad (FP1);0.273 mrad (FP3, FP4)
Résolution spectrale de 0.5 cm-1 à 15.5 cm-1
Température de fonctionnement entre 75K et  85K pour les détecteurs des plans focaux FP3 et FP4, 170 K pour le plan focal FP1

[2] Le Kelvin  est l'unité internationale de température thermodynamique. L'origine des températures est le zéro absolu 0 K qui correspond dans l'échelle plus commune des degrés Celsius à - 273,16°C. Une température en "Kelvin" ne peut être négative. Echelle Kelvin et échelle Celsius sont liées par une relation simple : T(°C)=T(K)+273,16. Le gel de l'eau correspond à 0°C, soit 273,16 Kelvin. Selon les règles du système international, on ne dit par "degré Kelvin" mais "Kelvin" et on n'écrit pas 0°K mais 0K.


Rédaction : Jean-Marc Bonnet-Bidaud et Cécile Ferrari

 

maj : 25-02-2013 (1204)