Mimas-Sat-SAFLainey

Mise à jour 21 Novembre 2024.

CONFÉRENCE MENSUELLE

De Valéry LAINEY astronome IMCCE

« PHÉNOMÈNES DE MARÉES DANS LE SYSTÈME DE SATURNE »

Organisée par la SAF

En présence du public et en vidéo (direct) sur canal YouTube SAF

Le Mercredi 13 Novembre 2024 à 19H00

Photos : TM et JPM, pour l'ambiance. (Les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos si nécessaire

La présentation est disponible sur ma liaison ftp ,

Rentrer le mot de passe, puis aller à CONFÉRENCES SAF ensuite SAISON 2024/2025 ;

Elle s’appelle : Lainey-SAF-2024.pptx

Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent aussi me contacter avant..

La vidéo de la réunion est accessible à cet URL : https://youtu.be/iUjIZFbWZeo?list=PL78ug7UrzPF1w8Tv32bQsZtE1Q5Tz7nBP

Tous les autres enregistrements des conférences mensuelles sont accessibles sur la playlist des conférences mensuelles d’Astronomie de notre chaine YouTube SAF.

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Nous étions approx 90 dans la salle et 82 à distance. YouTube était excellent en son cette fois-ci, merci Laurent.

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Valéry Lainey est astronome à l’IMCCE, l’institut de Mécanique Céleste et de Calcul des Éphémérides qui dépend de l’Observatoire de paris.

Sa spécialité : la dynamique des satellites du système solaire notamment.

Il nous parle ce soir des effets de marée dans le système solaire et notamment dans le système de Saturne.

Voici son intro :

« Phénomène bien connu sur la Terre, les marées sont présentes dans l’ensemble du système solaire. Particulièrement actives dans les systèmes de satellites naturels, elles sont responsables de nombreux phénomènes géophysiques comme l’intense volcanisme sur Io et la présence d’un océan global sous la couche glacée d’Europe, deux satellites de Jupiter.

De plus, les effets de marées gouvernent bien souvent l’évolution orbitale à long terme de ces objets célestes. Autant dire qu’une bonne compréhension de ces effets s’avère indispensable pour envisager l’évolution passée et à venir de nombreux satellites naturels, souvent considérés comme des systèmes solaires en miniature.

Durant cette conférence, Valéry Lainey présente le principe général des effets de marées, en s'attardant plus particulièrement sur le système de Saturne, pour lequel les recherches récentes ont amené à devoir réviser la compréhension de la formation et l’évolution de celui-ci. »

Plan de la présentation :

1- Les effets de marées - principe physique et exemples dans le système solaire

2- Effets de marées et dynamique

3- Le système de Saturne

4- La découverte d’un océan global sous la surface du satellite Mimas

EFFETS DE MARÉE PRINCIPES.

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On a représenté à droite une planète (par ex Jupiter) et à gauche une de ses lunes (par ex Io).

La force de gravitation s’exerce entre ces deux corps et elle est proportionnelle à 1/d²

Les points les plus proches de la lune sont (un peu) plus attirés que les points les plus éloignés, il existe donc un différentiel d’attraction gravitationnelle. (bourrelets de marée)

Il va donc se produire une déformation (qui va dépendre de la grandeur de la distance entre les deux corps) de cette lune.

Mais cette déformation va produire des frictions internes et en conséquence de la chaleur. Pensez à la balle en caoutchouc que vous malaxée entre vos mains : elle chauffe, transforme ainsi de l’énergie mécanique en chaleur !

Crédit : NASA/JPL

Ces phénomènes d’effets de marée sont très actifs principalement pour les satellites galiléens de Jupiter.

C’est cette chaleur qui va pouvoir produire par exemple du volcanisme (Io) ou faire fondre de la glace (océans internes d’Europe de Ganymède et peut-être de Callisto) etc…

On retrouve ces phénomènes aussi autour de Saturne (Encelade par exemple).

Disgression du rédacteur de l’article : notre Lune subit et fait subir à la Terre des effets de marée.

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La Lune et la Terre tournent autour d’un point commun

Cela crée un effet « ballon de rugby » sur la Terre : le bourrelet équatorial

La Terre est inclinée de 23°27’ sur son plan orbital (cela donne naissance aux saisons) mais cet axe décrit un cône dans l’espace de période 26.000 ans, c’est la précession des équinoxes

Ce phénomène est justement causé par ce bourrelet équatorial qui exerce un « couple de rappel » sur l’axe de rotation de la terre (toupie).

Il y a deux marées par jour, car la résultante des forces Gravitationnelles et centrifuges est toujours dirigée vers l’extérieur.

Par effet de marées, les océans font des va-et-vient permanents, il y a friction dans la rotation de la Terre ; la lune s’éloigne

Et la terre ralentit

La Terre ralentit de 2/1000 sec par siècle la Lune s’éloigne de 4 m par siècle

EFFETS DE MARÉES ET DYNAMIQUE

Maintenant rentrons un peu plus dans les détails.

Les bourrelets de marée ne sont pas dirigés vers la planète forcément, ils sont en avance ou en retard, dus à la friction interne.

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Deux cas sont possibles :

a) La lune tourne sur elle-même plus vite qu’autour de la planète (image supérieure), dans ce cas, il y a un temps de retard des bourrelets de marée, ceux-ci vont être décalés légèrement en avance, il se produit un couple de rappel sur la planète afin d’aligner le

bourrelet dans la direction du satellite.
En conséquence la planète va freiner la rotation du satellite.

b) La lune tourne moins vite sur elle-même qu’autour de la planète (image inférieure), les bourrelets de marée vont être décalés dans l’autre sens et induire une accélération de la lune.
Le couple de rappel agit ici dans l’autre sens.

Comme on le remarque, au bout d’un certain temps, une situation d’équilibre se produit où la lune tourne sur elle-même à la même vitesse que la planète. Elle est synchrone (verrouillage gravitationnel ou en résonance) et présente toujours la même face vers sa planète.

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C’est ce que l’on observe pour notre Lune et pour la plupart des lunes du système solaire.

Par exemple Jupiter et les 4 grosses lunes galiléennes et ses lunes intérieures, ou Saturne et la plupart de ses lunes.

De même pour Uranus et le cas de Pluton/Charon où ces deux objets présentent la même face l’un à l’autre.

Il faut à peu près quelques dizaines de millions d’années pour qu’une lune devienne synchrone.

Après avoir vu et compris le synchronisme entre planète et satellite, quelles sont les autres influences possibles sur les orbites ?

Étudions ces possibilités basées sur deux cas particuliers :

1) La Lune : la Terre tourne sur elle-même beaucoup plus vite que la Lune ne tourne autour de la Terre, ce qui a fait qu’elle présente la même face comme dit plus haut. Mais ce n’est pas tout, la Lune donc va ralentir la rotation terrestre (voir plus haut) et par application du principe de la conservation du moment cinétique (une des lois fondamentales de la physique) de l’ensemble Terre-Lune, la Lune s’éloigne de la Terre. (si choquant pour vous : pensez à la patineuse sur la glace !)

2) Phobos : ce mini satellite de Mars tourne plus vite autour de la planète (8h) que la planète ne tourne sur elle-même (24h). la rotation de Mars tend à s’accélérer et Phobos se rapproche de Mars. Il va s’écraser sur la planète rouge en moins de 50 millions d’années. Phobos est en dessous de la limite de Roche.

Autres exemples : les planètes géantes gazeuses. Elles sont aussi, sensibles aux effets de marée, mais quelle serait alors la friction interne ?

Avec un gaz est-ce plus faible ? En fait, on a pu mesurer cette friction dans Saturne et surprise, elle est énorme !

LE SYSTÈME DE SATURNE.

Deuxième planète la plus massive du système solaire, noyau de roches, essentiellement gazeuse (Hydrogène).

Anneaux somptueux et très visibles. Composés à 98% de glace d’eau, particules centimétriques épaisseur anneau de l’ordre de 10 m.

Saturne possède plus de 140 lunes très diverses et classées par familles :

· Lunes intérieures de forme plutôt patatoïde

· Lunes principales, les plus grosses

· Lunes extérieures probablement toutes capturées.

Illustration : Crédit : NASA/JPL/Caltech.

Toutes les photos et informations sur Saturne et la sonde Cassini sont dans cette archive du site.

Plus intéressant : Encelade 250 km de rayon, possède une surface dont une partie est cratérisée et l’autre plus lisse (vers l’hémisphère Sud), due à un resurfaçage, lui-même du à l’échappement de geysers de glace. Signe de la présence d’un océan d’eau liquide sous la couche de glace, due aux effets de marée.

Titan, le plus gros satellite de Saturne présente la particularité d’avoir un cycle de méthane (au lieu d’un cycle de l’eau comme sur Terre), une atmosphère d’Azote de 1,5 bars et un relief de roches de glace d’eau.

LA DÉCOUVERTE D’UN OCÉAN GLOBAL SOUS LA SURFACE DU SATELLITE MIMAS

On peut donc logiquement se poser la question suivante : comment peut-on détecter à distance la présence d’une grande quantité d’eau cachée sous la surface d’un satellite ?

Il y a plusieurs techniques.

· Grâce aux champs magnétiques. : ces océans sont généralement composés d’eau salée, conductrice de l’électricité. Elle peut générer des champs électriques et magnétiques secondaires qui perturbent les propriétés du champ du satellite. Un bon exemple est Europe dont l’océan a été découvert par Galileo. Idem pour Ganymède.

· Par examen visuel comme pour Encelade avec ses geysers grâce à Cassini.

· Par radio science, on suit le mouvement de la sonde (ici Cassini) lorsqu’elle passe près du satellite (ici Titan) et on peut mettre en évidence des bourrelets de marée. Bourrelets qui étaient très importants signifiant la présence d’un océan d’eau globale.

Dans le cas de Mimas aucune de ces méthodes n’a été utilisée. On a utilisé une méthode liée à la mécanique céleste.

Retour sur les anneaux ;

Les particules qui se trouvent sur le bord interne de la division de Cassini (entre anneaux A et B) sont en résonnance 2:1 avec Mimas, c’est-à-dire qu’elles tournent deux fois plus vite autour de Saturne que Mimas ne tourne autour de Saturne, cela a pour conséquence que les particules de l’anneau B ne peuvent pas migrer vers la division Cassini, Mimas empêche ces particules de venir sur des orbites stables.

Revenons maintenant à Mimas et je reprends en partie l’article de l’IMCCE décrivant cette découverte.

S’il y a bien un objet dans le Système solaire au sein duquel on ne s’attendait pas à trouver de l’eau à l’état liquide, c’est sans nul doute Mimas.

À la différence de sa grande sœur Encelade, la surface de Mimas est extrêmement cratérisée et inactive, ne témoignant d’aucun signe d’activité sous sa surface.

C’est en étudiant le mouvement de l’orbite de Mimas, grâce aux données de la sonde Cassini de la NASA, que les chercheurs sont parvenus à confirmer la présence d’un océan sous l’ensemble de la surface glacée du satellite.

(NDLR : comparaison œuf cru œuf cuit, en comparant leurs rotations on peut déterminer lequel est lequel)

Pour arriver à ce résultat, les chercheurs ont étudié l’effet de la rotation de Mimas sur son orbite. Comme la plupart des lunes du Système solaire proches de leur planète, Mimas présente toujours la même face à Saturne.

Crédit photo : NASA/JPL/Caltech.

En plus de cette rotation moyenne, Mimas voit sa rotation affectée par de petites oscillations, appelées librations. C’est précisément la rétroaction de ces librations sur le mouvement orbital que les chercheurs ont étudiée.

En comparant la solution issue des modèles numériques qui décrivent l’orbite de Mimas aux observations fournies par la sonde Cassini, ils ont découvert que les caractéristiques fines de l’orbite de Mimas ne peuvent s’expliquer que par la présence d’un océan global caché sous toute la surface du satellite. De plus, en y associant les mesures directes des librations, ils ont pu déduire que l’épaisseur de la coquille de glace de Mimas est comprise entre 20 et 30 km, soit une épaisseur comparable à la coquille de glace d’Encelade.

Afin de déterminer l’origine et l’âge de cet océan, les chercheurs ont modélisé les effets de marées provoqués par la planète Saturne sur Mimas. Les calculs ont montré que la naissance de cet océan, datant seulement de 5 à 15 millions d’années, a très certainement été causée par le triplement de l’excentricité orbitale initiale de Mimas, sous l’influence gravitationnelle de plusieurs autres lunes de Saturne. L’amorce de l’activité interne est donc tellement récente qu’elle explique la raison pour laquelle aucun signe d’activité n’a encore jamais été constaté en surface.

Le travail de recherche était en fait plus complexe que ce petit résumé, il est très bien détaillé dans la conférence de V Lainey.

Cette découverte est parue dans Nature.

CONCLUSION.

· Les effets de marées sont présents partout dans l’Univers, même sur les exoplanètes.

· Ils sont responsables d’un chauffage parfois extrêmement intense, permettant d’offrir des conditions d’habitabilité (eau liquide), même loin d’une étoile, donc pas nécessaire d’être dans la zone « habitable » d’une étoile.

· Découverte en 2024 d’un océan global sur une 5ème lune, Mimas, la lune la plus petite et la plus improbable.