L'étrange anneau de Saturne

Par Space Telescope Science Institute1er avril 2023

Un astronome chevronné a découvert que le vaste système d'anneaux de Saturne chauffe la haute atmosphère de la planète, un phénomène jamais observé auparavant dans notre système solaire. En analysant 40 ans de données ultraviolettes provenant de plusieurs missions spatiales, dont le télescope spatial Hubble de la NASA, la sonde Cassini, Voyager 1 et 2 et l'International Ultraviolet Explorer, le chercheur a découvert que des particules d'anneaux glacés pleuvaient sur l'atmosphère de Saturne, provoquant un échauffement. Cette découverte révolutionnaire met non seulement en évidence une interaction inattendue entre la planète et ses anneaux, mais ouvre également la possibilité d'utiliser ces informations pour prédire l'existence de systèmes d'anneaux de type Saturne autour des exoplanètes.

The planet SaturnSaturn is the sixth planet from the sun and has the second-largest mass in the Solar System. It has a much lower density than Earth but has a much greater volume. Saturn's name comes from the Roman god of wealth and agriculture." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Saturn is easily recognizable for its opulent ring system that can easily be seen through a small telescope. Astronomers have now found that the rings are not as placid as they look. The icy rings particles are raining down onto Saturn's atmosphere. This is heating the upper atmosphere. It took a collection of 40 years’ worth of Saturn observations, gleaned from four NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA planetary missions to come to this conclusion. Hubble Space TelescopeThe Hubble Space Telescope (often referred to as Hubble or HST) is one of NASA's Great Observatories and was launched into low Earth orbit in 1990. It is one of the largest and most versatile space telescopes in use and features a 2.4-meter mirror and four main instruments that observe in the ultraviolet, visible, and near-infrared regions of the electromagnetic spectrum. It was named after astronomer Edwin Hubble." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Les observations du télescope spatial Hubble ont été utilisées pour relier toutes les preuves, recueillies en lumière ultraviolette. Ces résultats peuvent être appliqués pour déterminer si des systèmes d'anneaux similaires encerclent des planètes en orbite autour d'autres étoiles. Leurs anneaux seraient trop éloignés pour être vus, mais la spectroscopie de lumière ultraviolette des planètes pourrait fournir des indices.

Le regard de Hubble sur Saturne le 12 septembre 2021 montre des changements de couleur rapides et extrêmes des bandes de l'hémisphère nord de la planète, où c'était le début de l'automne. Les bandes ont varié tout au long des observations de Hubble en 2019 et 2020. Notamment, la tempête hexagonale emblématique de Saturne, découverte pour la première fois en 1981 par le vaisseau spatial Voyager 2, était difficile à distinguer en 2020, mais elle est à nouveau clairement évidente en 2021. L'image de Saturne de Hubble capture la planète après l'hiver de l'hémisphère sud, évidente dans la teinte bleuâtre persistante du pôle sud. ASA-GSFC) et MH Wong (UC Berkeley); Traitement d'image : A. Pagan (STScI)

Le secret se cache à la vue de tous depuis 40 ans. Mais il a fallu la perspicacité d'un astronome vétéran pour tout rassembler en un an, en utilisant les observations de Saturne du télescope spatial Hubble de la NASA et de la sonde Cassini à la retraite, en plus des vaisseaux spatiaux Voyager 1 et 2 et de la mission International Ultraviolet Explorer à la retraite.

La découverte : Le vaste système d'anneaux de Saturne chauffe la haute atmosphère de la planète géante. Le phénomène n'a jamais été vu auparavant dans le système solaire. C'est une interaction inattendue entre Saturne et ses anneaux qui pourrait potentiellement fournir un outil pour prédire si les planètes autour d'autres étoiles ont également de glorieux systèmes d'anneaux de type Saturne.

La preuve révélatrice est un excès de rayonnement ultraviolet, considéré comme une ligne spectrale d'hydrogène chaud dans l'atmosphère de Saturne. La bosse de rayonnement signifie que quelque chose contamine et chauffe la haute atmosphère de l'extérieur.

The most feasible explanation is that icy ring particles raining down onto Saturn's atmosphere cause this heating. This could be due to the impact of micrometeorites, solar wind particle bombardment, solar ultraviolet radiation, or electromagnetic forces picking up electrically charged dust. All this happens under the influence of Saturn's gravitational field pulling particles into the planet. When NASA's CassiniThe Cassini–Huygens Mission, generally called Cassini, was a joint mission between NASA, the European Space Agency and the Italian Space Agency to study the Saturn system. Launched in 1997, Cassin provided astronomers with a massive amount of data about Saturn and its rings, its magnetosphere, and its moons. Cassini reached the end of its journey in 2017 when it deliberately dived into Saturn's atmosphere, where it disintegrated like a meteor." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">La sonde Cassini a plongé dans l'atmosphère de Saturne à la fin de sa mission en 2017, elle a mesuré les constituants atmosphériques et confirmé que de nombreuses particules tombent des anneaux.

"Bien que la lente désintégration des anneaux soit bien connue, son influence sur l'hydrogène atomique de la planète est une surprise. Grâce à la sonde Cassini, nous connaissions déjà l'influence des anneaux. Cependant, nous ne savions rien de la teneur en hydrogène atomique", a déclaré Lotfi Ben-Jaffel de l'Institut d'astrophysique de Paris et du Lunar & Planetary Laboratory de l'Université d'Arizona, auteur d'un article publié le 30 mars dans le Planetary Science Journal.

Il s'agit d'une image composite montrant le renflement Lyman-alpha de Saturne, une émission d'hydrogène qui est un excès persistant et inattendu détecté par trois missions distinctes de la NASA, à savoir Voyager 1, Cassini et le télescope spatial Hubble entre 1980 et 2017. Une image Hubble dans le proche ultraviolet, obtenue en 2017 pendant l'été de Saturne dans l'hémisphère nord, est utilisée comme référence pour esquisser l'émission Lyman-alpha de la planète. Les anneaux apparaissent beaucoup plus sombres que le corps de la planète car ils réfléchissent beaucoup moins la lumière ultraviolette. Au-dessus des anneaux et de la région équatoriale sombre, le renflement Lyman-alpha apparaît comme une bande latitudinale étendue (30 degrés) qui est 30 % plus lumineuse que les régions environnantes. Une petite fraction de l'hémisphère sud apparaît entre les anneaux et la région équatoriale, mais elle est plus sombre que l'hémisphère nord. Au nord de la région du renflement (partie supérieure droite de l'image), la luminosité du disque diminue progressivement par rapport à la latitude vers la région des aurores lumineuses qui est ici montrée à titre de référence (pas à l'échelle). Une tache sombre à l'intérieur de la région des aurores représente l'empreinte de l'axe de rotation de la planète. On pense que les particules d'anneaux de glace qui pleuvent sur l'atmosphère à des latitudes spécifiques et les effets saisonniers provoquent un réchauffement atmosphérique qui fait que l'hydrogène de la haute atmosphère reflète davantage la lumière solaire Lyman-alpha dans la région du renflement. Cette interaction inattendue entre les anneaux et la haute atmosphère est maintenant étudiée en profondeur pour définir de nouveaux outils de diagnostic permettant d'estimer si des exoplanètes lointaines ont des systèmes d'anneaux étendus de type Saturne.Crédit : NASA, ESA, Lotfi Ben-Jaffel (IAP & LPL)

"Tout est entraîné par des particules annulaires qui tombent en cascade dans l'atmosphère à des latitudes spécifiques. Elles modifient la haute atmosphère, en changeant la composition", a déclaré Ben-Jaffel. "Et puis vous avez aussi des processus de collision avec des gaz atmosphériques qui chauffent probablement l'atmosphère à une altitude spécifique."

Ben-Jaffel's conclusion required pulling together archival ultraviolet-light (UV) observations from four space missions that studied Saturn. This includes observations from the two NASA Voyager probes that flew by Saturn in the 1980s and measured the UV excess. At the time, astronomers dismissed the measurements as noise in the detectors. The Cassini mission, which arrived at Saturn in 2004, also collected UV data on the atmosphere (over several years). Additional data came from Hubble and the International Ultraviolet Explorer, which launched in 1978, and was an international collaboration between NASA, ESA (European Space AgencyThe European Space Agency (ESA) is an intergovernmental organization dedicated to the exploration and study of space. ESA was established in 1975 and has 22 member states, with its headquarters located in Paris, France. ESA is responsible for the development and coordination of Europe's space activities, including the design, construction, and launch of spacecraft and satellites for scientific research and Earth observation. Some of ESA's flagship missions have included the Rosetta mission to study a comet, the Gaia mission to create a 3D map of the Milky Way, and the ExoMars mission to search for evidence of past or present life on Mars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">l'Agence spatiale européenne) et le Science and Engineering Research Council du Royaume-Uni.

Mais la question persistante était de savoir si toutes les données pouvaient être illusoires ou plutôt refléter un véritable phénomène sur Saturne.

La clé de l'assemblage du puzzle est venue de la décision de Ben-Jaffel d'utiliser les mesures du spectrographe d'imagerie du télescope spatial Hubble (STIS). Ses observations de précision de Saturne ont été utilisées pour calibrer les données UV d'archives des quatre autres missions spatiales qui ont observé Saturne. Il a comparé les observations UV STIS de Saturne à la distribution de la lumière provenant de plusieurs missions et instruments spatiaux.

"Quand tout a été calibré, nous avons clairement vu que les spectres sont cohérents dans toutes les missions. Cela a été possible parce que nous avons le même point de référence, de Hubble, sur le taux de transfert d'énergie de l'atmosphère mesuré sur des décennies", a déclaré Ben-Jaffel. "C'était vraiment une surprise pour moi. J'ai juste regroupé les différentes données de distribution de la lumière, puis j'ai réalisé, wow, c'est la même chose."

Quatre décennies de données UV couvrent plusieurs cycles solaires et aident les astronomes à étudier les effets saisonniers du Soleil sur Saturne. En rassemblant toutes les données diverses et en les calibrant, Ben-Jaffel a découvert qu'il n'y avait aucune différence dans le niveau de rayonnement UV. "A tout moment, à n'importe quel endroit de la planète, nous pouvons suivre le niveau de rayonnement UV", a-t-il déclaré. Cela indique que la "pluie de glace" régulière des anneaux de Saturne est la meilleure explication.

"Nous ne sommes qu'au début de cet effet de caractérisation des anneaux sur la haute atmosphère d'une planète. Nous voulons éventuellement avoir une approche globale qui donnerait une véritable signature sur les atmosphères des mondes lointains. L'un des objectifs de cette étude est de voir comment nous pouvons l'appliquer aux planètes en orbite autour d'autres étoiles. Appelez cela la recherche d'"exo-anneaux". "

Référence : "The Enigmatic Abundance of Atomic Hydrogen in Saturn's Upper Atmosphere" par Lotfi Ben-Jaffel, Julianne I. Moses, Robert A. West, Klaus-Michael Aye, Eric T. Bradley, John T. Clarke, Jay B. Holberg et Gilda E. Ballester, 30 mars 2023, Planetary Science Journal.DOI : 10.3847/PSJ/acaf78

Le télescope spatial Hubble est un projet de coopération internationale entre la NASA et l'ESA. Le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, gère le télescope. Le Space Telescope Science Institute (STScI) de Baltimore mène les opérations scientifiques de Hubble. STScI est exploité pour la NASA par l'Association des universités pour la recherche en astronomie, à Washington, DC