Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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40 L’astrophysique et l’exploration de l’Univers Les anneaux de Saturne : un merveilleux laboratoire d'étude Les anneaux de Saturne, aussi brillants que la planète elle-même, fascinent les hommes depuis des siècles. Galilée les remarque le premier, en 1610, avec la lunette qui lui a permis l’année précédente d’observer les cratères de la Lune et les satellites de Jupiter. En raison de la mauvaise qualité optique de l’instrument, il voit des sortes de taches lumineuses de part et d’autre de la planète. C’est l’astronome hollandais Christiaan Huygens qui, en 1655, comprend que des anneaux entourent Saturne. Aujourd’hui, après l'émerveillement, vient l’étude. La mission Cassini, dans laquelle le CEA est très impliqué grâce à l'accès à deux instruments embarqués – les caméras ISS et le spectromètre infrarouge CIRS –, les scrute régulièrement sous différents angles de vue, à l’échelle de quelques heures, quelques mois ou plusieurs années, pour suivre les effets saisonniers. L'instrument CIRS mesure notamment la température des anneaux, qui sont totalement gelés, et étudie avec précision la composition des particules les constituant (voir Voyage dans les lumières de l’Univers, p.90). Avec plus de 300 000 km de diamètre pour une dizaine de mètres d'épaisseur (sauf exceptions), ne pesant au total pas plus La face obscure des anneaux. Dans cette image, les anneaux de Saturne sont observés du côté opposé au Soleil. Dans cette géométrie d’observation très inhabituelle, les anneaux denses sont très sombres (l’anneau B en particulier) et les anneaux peu denses scintillent faiblement (anneaux C et A). L’ombre projetée des anneaux sur la planète est visible. CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 NASA/JPL/Space Science Institute Les images à haute résolution obtenues par la sonde Cassini ont révélé la forme étonnante de Pan (à droite) et Atlas (à gauche), deux satellites situés au cœur des anneaux de Saturne. Leurs bourrelets à l'équateur les font ressembler à des soucoupes volantes. Ils se sont constitués par l'accumulation récente de poussières provenant des anneaux. lourd qu'un satellite de 400 km, constitués de myriades de blocs de glace de l’ordre du mètre, les anneaux forment un monde à part. Un monde en perpétuelle évolution, déformé en permanence par les satellites proches, et à la surface duquel se propagent des ondes spirales. C'est aussi une des structures les plus évoluées de l'Univers, tout au moins si l’on mesure l’évolution à l’aune du nombre de révolutions – ce qui est appelé le « temps dynamique ». Depuis leur origine, d’ailleurs incertaine, les anneaux ont peut-être fait des centaines de milliards de révolutions sur eux- mêmes alors que notre Galaxie n'en a fait que quelques dizaines… Ils tournent en ef fet sur eux-mêmes en une dizaine d’heures, contre environ 200 millions d’années pour la Galaxie (à la distance du Soleil). Durant ces innombrables révolutions, les moindres perturbations, les structures les plus subtiles ont eu pleinement le temps de se développer, comme une gigan tesque broderie gravitationnelle de taille planétaire. Outre leur intérêt propre, les anneaux intéressent les scientifiques par leurs similarités avec d’autres disques de plus grandes dimensions (voir Les cocons des planètes, p.41). En effet, à l’instar des disques d’accrétion autour d’étoiles, des trous noirs ou des disques proto-planétaires, leur évolution est dictée par l’étalement visqueux. Comme pour les galaxies spirales ou les disques d’accrétion, par exemple, leur aplatissement provient de processus dissipant l’énergie. Ils sont gravitationnellement instables, ce qui les rapproche à nouveau des galaxies spirales. Enfin, la région de leur bord externe est le (1) Du centre à la périphérie, les anneaux sont identifiés ainsi : D,C, B, A, F, G et E. La série interne (D à A) rassemble les anneaux denses, brillants, visibles depuis la Terre. La série externe (de E à F), découverte durant les dernières décennies du 20 e siècle par les sondes Pioneer et Voyager, rassemble des anneaux beaucoup moins denses. siège de processus d’accrétion évoquant les disques proto-planétaires au sein desquels se forment des planètes. Observer la naissance des planètes Les anneaux de Saturne présentent cependant des caractéristiques propres qui les distinguent de tous les autres disques astrophysiques. Par exemple, ils sont pour une grande part situés dans une zone particulière autour de Saturne, appelée la limite de Roche. Ceci a retardé les processus d’accrétion, à cause des effets de marée. Conséquence heureuse de ce retard, les astronomes sont aujourd’hui aux premières loges pour étudier de visu comment la matière s’assemble pour donner naissance à des satellites, version « miniaturisée » de la formation des planètes. En couplant observation et simulations numériques, les équipes du CEA ont étudié en particulier comment le matériau se structure et s’accrète au bord externe des anneaux et, en s’inspirant de modèles de formation planétaire, ont pu expliquer la forme des petits satellites Pan et Atlas (environ 30 km de rayon), tous deux situés dans l’anneau A (1). Ceci a permis aussi de montrer comment des structures spirales se forment autour de l’anneau F, à cause de processus collisionnels qui évoquent les disques circumstellaires. Enfin les observations de CIRS ont révélé la présence de structures gravitationnelles qui ne sont autres que des ondes de Jeans-Toomre, rencontrées, là encore, à l’origine de la formation des planètes. > Sébastien Charnoz et Cécile Ferrari Service d'astrophysique (SAp) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) Unité mixte de recherche astrophysique interactions multi-échelles (CEA-Université Paris 7-CNRS) CEA Centre de Saclay (Orme des Merisiers) NASA/JPL/Space Science Institute
Les cocons des planètes Les étoiles jeunes sont entourées d'un disque de gaz et de poussière dans lequel se forment les planètes. Les astrophysiciens traquent et explorent ces disques « proto-planétaires » afin de comprendre la genèse des planètes. L'observation des disques plus ténus entourant de vieilles étoiles permet de révéler indirectement la présence d'exoplanètes. Vue d’artiste d’un disque proto-planétaire évasé. D epuis 1995, date de la découverte de la première d'entre elles, la recherche de planètes extra - solaires a été très fructueuse. À ce jour, les astronomes en comptent plus de 350 à leur tableau de chasse. Les « exoplanètes » – comme d'ailleurs les planètes du système solaire – se sont très probablement formées dans les disques de gaz et de poussière entourant les étoiles jeunes. Ces disques jouent un double rôle dans les scénarios actuels de formation des planètes : ils apportent la matière qui les constitue, et ils influencent également leur orbite. Il est donc essentiel de bien les connaître (taille, géométrie, masse, densité…) pour en savoir plus sur la genèse des planètes. Une géométrie inattendue L'observation des disques n'est pas une mince affaire. La présence d'un disque autour d'une étoile a, tout d'abord, été inférée à partir de la lumière émise par le système étoile-disque. En effet, les poussières absorbent la lumière de l’astre (essentiellement de la lumière visible), chauffent et réémettent cette énergie sous forme de rayonnement infrarouge. À l'observation, un couple étoile-disque se signale donc par un excès d’émission infrarouge par rapport à une étoile seule. Faire une image d'un disque est beaucoup plus difficile et très peu de disques ont été résolus spatialement et cartographiés. Un des rares à l’avoir été entoure l’étoile HD97048, située dans la constellation du Caméléon (hémisphère Sud) à une distance de 600 années-lumière de la Terre. Deux fois et demie plus massive que le Soleil et quarante fois plus lumineuse, HD97048 est encore très jeune : seulement 3 millions d'années, soit moins d'un millième de l'âge du Soleil. Elle a été observée en 2006 avec l’instrument infrarouge VISIR du VLT (Very Large Telescope), construit par le CEA/Irfu pour l’ESO (voir Voyage dans les lumières de l'Univers, p.90). VISIR a démontré l'existence d'un disque s'étendant, à partir de l’étoile, sur plus de 370 fois la distance entre la Terre et le Soleil, soit 370 unités astronomiques (ua). Les images ont révélé une morphologie bien particulière : le disque n’est pas plat mais s’évase régulièrement vers l'extérieur (figure 1). À sa périphérie, soit à 370ua de son étoile, il atteint une épaisseur de 360ua. C’est la première fois qu’une telle structure, prédite par certains modèles, est directement mise en évidence autour d’une étoile aussi massive. Une telle géométrie ne peut s’expliquer que si le disque contient encore beaucoup de gaz, dont la masse a été estimée à au moins 10 fois la masse de Jupiter, soit environ 1,9. 10 28 kg. La grande quantité de poussière qu’il comporte – plus de 50 fois la masse de la Terre, soit près de 3. 10 26 kg – constitue un autre indice de sa jeunesse. Selon toute probabilité, les astronomes ont sous les yeux un disque similaire à la nébuleuse primordiale autour du Soleil dans laquelle sont nées les planètes de notre système, donc la Terre. La migration des planètes Bien avant la détection de la première planète extrasolaire, les théoriciens n'étaient pas sans savoir que les planètes en formation dans les disques étaient ESO CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 41



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