Parmi les merveilles de notre système solaire, l’une d’entre elles règne comme l’emblème de tout ce qui est étranger et d’un autre monde : les majestueux anneaux de Saturne, s’élevant resplendissants et chatoyants au-dessus de la face beurrée de la planète géante, traversée de nuages.
S’étendant sur près de 300 000 kilomètres d’une pointe à l’autre et contenant d’innombrables particules glacées dont la taille varie de « microscopique » à « mobile home », les anneaux rendent Saturne indéniablement accrocheuse. Mais plus qu’une simple décoration, ils constituent l’une des énigmes les plus persistantes de la science planétaire. Pour faire simple, les experts ne parviennent pas à s’accorder sur la façon dont les anneaux se sont formés, ni même sur leur âge. Les anneaux de Saturne sont-ils une caractéristique primordiale du système solaire, ayant émergé il y a environ 4,5 milliards d’années, lorsque le chaos et les collisions ont sculpté une grande partie de ce que nous voyons aujourd’hui ? Ou sont-ils apparus beaucoup plus récemment ?
La réponse n’a pas seulement de l’importance pour les scientifiques qui s’efforcent de comprendre les anneaux planétaires et de reconstituer l’histoire du système solaire ; elle pourrait avoir des implications vertigineuses pour les astrobiologistes qui se demandent si une vie extraterrestre pourrait prospérer sous la croûte glacée d’Encelade, une petite lune intérieure de Saturne dont la mer planétaire enfouie est considérée comme l’un des meilleurs endroits pour rechercher de la biologie au-delà de la Terre.
Bien qu’elles ne soient pas définitives, les meilleures données disponibles pour trancher le débat sont apparues au cours des dernières années du vaisseau spatial Cassini de la NASA, qui a tourné autour de Saturne de 2004 à 2017. Sur la base des mesures de Cassini concernant la masse et la luminosité des anneaux, de nombreux scientifiques pensent maintenant qu’ils sont remarquablement jeunes, ayant éclaté il y a peut-être aussi peu que 100 millions d’années, lorsque les dinosaures parcouraient encore la Terre – ce qui signifie que, vue à travers un quelconque télescope saurien, Saturne aurait pu être bizarrement dépourvue d’anneaux.
Mais tout le monde n’est pas convaincu ; il est tout simplement trop difficile, disent certains critiques, de fabriquer des anneaux aussi expansifs dans le système solaire relativement placide d’aujourd’hui et d’autrefois.
« Je n’ai aucune objection aux anneaux jeunes. Je pense simplement que personne n’a trouvé un moyen très plausible de les fabriquer », déclare l’expert en anneaux Luke Dones, du Southwest Research Institute. « Cela nécessite un événement peu probable. »
Un débat vieux de plusieurs décennies
Le débat actuel sur la provenance des anneaux de Saturne trouve son origine il y a plusieurs décennies, principalement lors de la première reconnaissance rapprochée du système par les missions interplanétaires Voyager 1 et Voyager 2. Ces observations laissaient entendre que les anneaux étaient étonnamment légers et qu’ils n’étaient pas assez lourds pour avoir conservé leur éclat nacré au cours des milliards d’années d’histoire du système solaire. Les anneaux, semblait-il, étaient assez jeunes – mais les théoriciens ont eu du mal à concevoir un mécanisme pour expliquer leur formation relativement récente.
Puis vint Cassini. Vers la fin de la mission, le vaisseau spatial a effectué deux douzaines de plongées audacieuses entre les sommets des nuages de Saturne et le bord le plus interne du système d’anneaux. En enfilant cette aiguille, Cassini a soigneusement mesuré la masse des anneaux et est arrivé à un chiffre similaire à celui de Voyager : environ la moitié de la masse de Mimas, une petite lune glacée ressemblant étrangement à la station spatiale « Étoile de la mort » de Star Wars.
Mais ce n’est qu’une partie de l’histoire. Plus tôt dans sa mission, le vaisseau spatial avait également effleuré les bords des anneaux, ramassant de la poussière et d’autres particules pour aider à estimer la quantité de débris sombres que les structures ont absorbés de leur environnement – une autre mesure cruciale pour déterminer avec précision leur âge. Tout comme les mesures de la masse du système, les relevés de Cassini concernant la poussière dans le voisinage de Saturne laissent penser que les anneaux sont jeunes : Bien qu’ils soient continuellement recouverts de débris sombres provenant d’objets peu reluisants du système solaire externe, les anneaux de glace d’eau de Saturne sont toujours d’un blanc éclatant. Selon la logique, plus les anneaux sont vieux, plus ils devraient être sombres – à moins qu’ils ne soient assez massifs pour accumuler d’une manière ou d’une autre de la poussière sombre pendant des milliards d’années, tout en conservant leur éclat de jeunesse.
Robin Canup, du Southwest Research Institute, appelle cette série de preuves « l’argument de la pollution » en faveur des anneaux jeunes. « Le fait que les anneaux soient brillants nous indique d’une certaine manière qu’ils n’ont pas été efficacement pollués, ou du moins que nous n’en voyons pas la preuve », dit-elle.
Des observations supplémentaires suggèrent que non seulement les anneaux absorbent de la matière, mais qu’ils en perdent également en quantités massives, envoyant constamment des averses de particules glacées dans l’atmosphère de la planète. En fait, avec une estimation suggérant que de telles averses pourraient épuiser les anneaux en 300 millions d’années, il semble que la caractéristique la plus distinctive de Saturne pourrait être étonnamment transitoire en effet.
« L’idée qu’ils pourraient être là pendant 4.5 milliards d’années défie vraiment toute explication dans mon esprit », déclare Erik Asphaug de l’Université d’Arizona, qui étudie les interactions entre les anneaux de Saturne et ses nombreuses lunes.
Des anneaux jeunes, faits sur mesure
Malgré cela, de nombreux arguments convaincants demeurent contre les anneaux supposés jeunes de Saturne. Fabriquer un système d’anneaux aussi expansif si récemment, il s’avère que ce n’est pas une mince affaire ; les chances sont empilées contre elle. Bien sûr, la planète a pu déchiqueter une comète, en tout ou en partie, et en disperser les restes pour former des anneaux ; ou, oui, peut-être qu’un objet interlope s’est écrasé sur l’une des lunes de Saturne, formant des anneaux à partir des morceaux de lune éclaboussés et pulvérisés. Mais pour tout théoricien honnête, de tels scénarios faits sur mesure sentent le plaidoyer spécial.
« Nous avons une assez bonne idée, un recensement, du nombre de comètes qui volent autour du système solaire externe, et vous n’en avez tout simplement pas assez pour rendre ce scénario probable », dit Dones. « Au cours des dernières centaines de millions d’années, la probabilité que cela se produise est peut-être de quelques pour cent. »
Mais supposons plutôt qu’aucune comète n’ait été impliquée du tout – que les corps parents de l’anneau proviennent entièrement de l’intérieur plutôt que de l’extérieur du système saturnien. En étudiant les orbites curieuses des lunes proches de la planète, Matija Ćuk, de l’Institut SETI, et ses collègues ont découvert quelque chose de surprenant. Dans les modèles informatiques qui ont retracé les orbites de ces lunes dans le temps, tout s’est un peu déréglé il y a environ 100 millions d’années, les lunes étant bousculées sur des orbites qui ne sont tout simplement pas observées aujourd’hui.
« Leurs orbites sont effectivement bousculées hors du plan de l’équateur de Saturne bien plus que ce que nous observons », déclare Ćuk. « Ce qui signifie que cette histoire que nous modélisons n’a jamais eu lieu, et que les lunes actuelles doivent être plus jeunes que cela. »
En d’autres termes, un système antérieur de lunes a dû être réarrangé pour former le système que nous voyons aujourd’hui.
Au début, on ne savait pas très bien ce qui avait pu provoquer ce réarrangement, mais des travaux ultérieurs ont désigné un coupable inattendu : le soleil. Même à de grandes distances, la gravité du soleil peut perturber les mouvements des planètes – et plus important encore pour cette histoire, leurs lunes. Ćuk et ses collègues ont découvert qu’il est possible que l’orbite de Saturne se soit approchée d’un point où l’influence gravitationnelle ténue du soleil pourrait tout aussi légèrement pousser une grande lune intérieure sur un chemin différent, conduisant à une collision avec un frère ou une sœur.
« Et alors vous formez un anneau qui est 10 fois plus grand que l’anneau que vous avez maintenant, dont une partie s’accrète et forme de nouvelles lunes », dit-il.
Un corollaire confondant de ce scénario est que les lunes intérieures existantes de Saturne auraient, comme le dit Ćuk, coalescé et grandi à partir des débris de la collision – ce qui signifie qu’Encelade, Mimas et tout corps orbitant aussi près ou plus près de la planète que la grande lune Rhéa seraient également âgés d’environ 100 millions d’années. Ce scénario contraste toutefois fortement avec les estimations de l’âge des lunes intérieures basées sur le comptage des cratères à leur surface. De même, une jeune Encelade pourrait poser des problèmes majeurs aux astrobiologistes qui espèrent que la mer souterraine globale de la lune existe depuis assez longtemps pour que la vie y évolue.
« Je ne pense pas que les gens aiment entendre cela », déclare Ćuk.
Canup et d’autres affirment que si l’hypothèse de Ćuk est plausible, elle n’explique pas comment les matériaux générés par un smashup lune-lune formeraient un anneau. Pour cela, il faudrait que les débris de la collision soient suffisamment proches de Saturne pour que la gravité de la planète les maintienne éparpillés, au lieu de se trouver dans les régions plus éloignées où les lunes se forment et vivent.
« Comment faire pour que la matière issue de ce type de collision revienne sur les orbites basses où se trouvent les anneaux, et comment faire pour que cette matière ne soit que de la glace ? ». Canup s’interroge.
La pollution primitive ?
Le fait est que les anneaux plus anciens sont tout simplement plus faciles à fabriquer. Il y a des milliards et des milliards d’années, lorsque les planètes s’installaient dans leurs positions actuelles, elles propulsaient des corps plus petits à travers le système solaire comme des joueurs de billard surcaféinés à la visée chancelante. Donc, selon Canup, l’explication la plus parcimonieuse est qu’un cataclysme ancien a orné le monde auparavant sans anneaux, et les scientifiques doivent revoir leur argument de pollution pointant vers de jeunes anneaux.
Si la vitesse à laquelle la poussière sombre tombe sur les anneaux varie au fil du temps, ou si les hypothèses de base sur la façon dont cette poussière assombrit les anneaux sont erronées, il est possible que les anneaux soient primordiaux – bien qu’avec un éclat préternaturellement lumineux.
« Il est clair que la neige est belle et brillante quand elle tombe, et il ne faut pas beaucoup de saleté pour que la neige ait l’air assez sombre », dit Dones. Mais, note-t-il, les impacts à grande vitesse entre la poussière et les particules d’anneaux glacés pourraient ne pas colorer les anneaux de la manière exacte que les scientifiques soupçonnent, déposant peut-être moins d’ombre que prévu.
Plus convaincantes pour l’histoire des vieux anneaux, dit Canup, sont les simulations d’une ancienne collision formant des anneaux. Si la masse initiale de débris est sensiblement plus élevée que celle des anneaux actuels, elle s’étalera et se dissipera rapidement. Une partie tombera dans Saturne, une autre s’échappera en orbite, et le reste se déposera sous forme de lunes et d’anneaux. Curieusement, dit-elle, que vous commenciez avec une ou dix fois la masse de Mimas, sur des milliards d’années, la dynamique orbitale de base suggère qu’elle se stabilisera à la quantité presque exacte de matière que nous voyons aujourd’hui.
« Il se trouve que les anneaux ont la masse exacte à laquelle on pourrait s’attendre s’ils s’étaient heurtés et étalés pendant quatre milliards d’années », dit Canup. Et lorsque les observations de Cassini soutiennent simultanément les vieux anneaux et les jeunes anneaux, bien que de différentes manières, atterrir sur une réponse finale est délicat.
« Lorsque vous avez des prédictions ou des interprétations qui sont indépendantes et finissent par être en désaccord les unes avec les autres, cela devient intéressant », dit-elle.
Un anneau (système) pour les gouverner tous
Nos méandres pour discerner la vérité de Saturne sont loin d’être achevés. Quelque chose a mis des anneaux autour de la planète même si nous n’avons pas encore compris comment.
« Je vois le système de Saturne comme étant au milieu d’une cascade – une cascade chaotique. Cela ne me semble pas fini », dit Asphaug.
En fait, tout le système de Saturne est une sorte d’énigme. Non seulement les anneaux de la planète laissent perplexes, mais sa gamme vaste et diverse de lunes est également difficile à expliquer. De Iapetus, une lune bicolore qui ressemble à une noix en raison de sa crête équatoriale bizarre et de ses pôles aplatis, à Titan, une lune géante aux lacs huileux et à la chimie extraterrestre, en passant par les lunes intérieures qui auraient pu avoir leurs propres anneaux, le système saturnien est une corne d’abondance de bizarreries. Ainsi, toute histoire qui prétend expliquer les anneaux doit aussi, d’une manière ou d’une autre, rendre compte de ces bizarreries et d’autres.
« Je vois beaucoup de choses géologiques impossibles. Je vois une planète qui devrait ressembler à Callisto, mais qui ressemble plutôt à Titan. Je vois des satellites qui ne devraient pas exister comme Encelade et Mimas, qui ont des histoires de cratères lourds – si cela signifie qu’ils sont vieux ou non, nous ne le savons pas. Et puis vous voyez Encelade qui part comme une fusée, et c’est le corps le plus éruptif du système solaire, et cela n’a aucun sens pour moi en tant que géologue », dit Asphaug. « Mimas reçoit plus de chaleur de marée qu’Encelade et il est mort comme un ongle ! Rien de tout cela n’a de sens ! »
Les solutions aux mystères de Saturne, peut-être, se trouvent-elles dans le domaine de la dynamique planétaire, où les simulations des interactions gravitationnelles reconstituent le passé (et le futur) de ce que nous observons aujourd’hui. La réponse pourrait également reposer sur des examens en laboratoire des collisions à grande vitesse entre la poussière sombre et les particules de glace, afin de déterminer comment la poussière colore exactement la glace. Cela pourrait signifier un réexamen des hypothèses sur la probabilité qu’une comète fasse une rencontre fatidique avec Saturne. Ou encore, cela pourrait nécessiter une analyse plus détaillée des surfaces cratérisées de la suite de lunes intérieures de Saturne, afin de mieux connaître leur âge réel, peut-être par un autre vaisseau spatial envoyé pour parcourir le voisinage de la planète.
« Cette vieille idée que les anneaux sont anciens et ont été régulièrement bombardés par des matériaux polluants identiques à ceux que nous voyons aujourd’hui ? Cette idée ne fonctionnera pas », déclare Larry Esposito, de l’université du Colorado Boulder. « Mais quel mécanisme possible pourrait former des anneaux aussi récemment ? Aucune théorie existante n’est satisfaisante. «