Saturne (planète)

Saturne est la sixième planète du Système solaire par ordre d'éloignement au Soleil, et la deuxième plus grande par la taille et la masse après Jupiter, qui est comme elle une planète géante gazeuse. Son rayon moyen de  est environ neuf fois et demi celui de la Terre et sa masse de  est  plus grande. Orbitant en moyenne à environ  du Soleil (), sa période de révolution vaut un peu moins de  tandis que sa période de rotation est estimée à .

Elle est bien connue pour son système d'anneaux constitué principalement de particules de glace et de poussières. Saturne est la deuxième planète possédant le plus grand nombre de satellites naturels, avec  contre les , associés à des centaines de satellites mineurs. Sa plus grande lune, Titan, est la deuxième plus grande du Système solaire (derrière Ganymède, lune de Jupiter, toutes deux  plus grandes que Mercure) et c'est la seule lune connue à posséder une atmosphère. Une autre lune remarquable, Encelade, émet de puissants geysers de glace et serait un habitat potentiel pour la vie microbienne.

Saturne est très probablement composé d'un noyau de silicates et de fer entouré de couches constituées en volume à 96 % d'hydrogène qui est successivement métallique puis liquide puis gazeux, mêlé à de l'hélium. Ainsi, elle ne possède pas de surface solide et est la planète ayant la densité moyenne la plus faible avec  . Un courant électrique dans la couche d'hydrogène métallique génère une magnétosphère, la deuxième plus grande du Système solaire mais beaucoup plus petite que celle de Jupiter. L'atmosphère de Saturne est généralement terne et manque de contraste, bien que des caractéristiques de longue durée puissent apparaître comme un hexagone à son pôle nord. Les vents peuvent atteindre , soit les deuxièmes plus rapides du Système solaire après ceux de Neptune. Elle a été explorée par quatre sondes spatiales : Pioneer 11, Voyager 1 et 2 puis Cassini-Huygens (du nom de deux astronomes ayant grandement fait avancer les connaissances sur le système saturnien au ).

Observable à l'œil nu dans le ciel nocturne grâce à sa magnitude apparente moyenne de 0,46 , elle est connue depuis la Préhistoire et a longtemps été la planète connue la plus éloignée du Soleil. Son observation a inspiré des mythes et elle porte le nom du dieu romain de l'agriculture Saturne (Cronos dans la mythologie grecque), son symbole astronomique ♄ représentant la faucille du dieu.

Caractéristiques physiques

Masse et dimensions 

Saturne a la forme d'un ellipsoïde de révolution : la planète est aplatie aux pôles et renflée à l'équateur, conséquence de sa rapide rotation sur elle-même et d'une composition interne extrêmement fluide. Par convention, la surface de la planète est définie comme l'endroit où la pression atmosphérique est égale à  et est utilisée comme point de référence pour les altitudes. Ses rayons équatoriaux et polaires diffèrent de près de 10 % avec  contre , ce qui donne un rayon moyen volumétrique de  . Cela revient un aplatissement de 0,098, le plus grand des planètes géantes .

Saturne est la deuxième planète la plus massive du Système solaire, d'une masse  moindre que Jupiter, mais  supérieure à celle de Neptune et  supérieure à celle d'Uranus. Jupiter et Saturne représentant respectivement  et  la masse terrestre, les deux planètes possèdent 92 % de la masse planétaire totale du Système solaire.

La gravité de la surface le long de l'équateur, , vaut 90 % de celle à la surface de l'équateur terrestre. Cependant, la vitesse de libération à l'équateur est de , soit environ trois fois plus que sur Terre.

Saturne est la planète la moins dense du Système solaire avec , soit environ 70 % de la densité de l'eau. En effet, bien que le noyau de Saturne soit considérablement plus dense que l'eau, la densité moyenne est abaissée en raison de son importante atmosphère. Pour illustrer cela, il est parfois évoqué que s'il existait un océan assez grand pour la contenir, elle flotterait. En réalité, il serait évidemment impossible d'avoir une planète avec un océan suffisamment profond  et la cohésion de Saturne ne serait pas maintenue car elle est gazeuse, son noyau très dense coulerait donc en conséquence.

Structure interne 

Saturne est classée comme une géante gazeuse car elle est principalement composée d'hydrogène et d'hélium. Ainsi, les modèles planétaires standards suggèrent que l'intérieur de Saturne est similaire à celui de Jupiter, avec un noyau rocheux entouré d'hydrogène et d'hélium ainsi que de traces de substances volatiles .

Le noyau rocheux serait d'une composition similaire à la Terre, constitué de silicates et de fer, mais plus dense. Il est estimé à partir du champ gravitationnel de la planète et des modèles géophysiques des planètes gazeuses que le noyau doit avoir une masse allant de 9 à 22 masses terrestres, atteignant un diamètre d'environ . Celui-ci est entouré d'une couche d'hydrogène métallique liquide plus épaisse, suivie d'une couche liquide d'hydrogène moléculaire et d'hélium qui se transforme progressivement en gaz en fonction de la croissance de l'altitude. La couche la plus externe s'étend sur  et se compose de gaz. Aussi, la majeure partie de la masse de Saturne n'est pas en phase de gaz car l'hydrogène devient liquide lorsque la densité est supérieure à , cette frontière étant atteinte à la surface d'une sphère correspondant à 99,9 % de la masse de Saturne.

Saturne possède une température interne très élevée, atteignant  en son cœur et irradiant, comme Jupiter, plus d'énergie dans l'espace qu'elle n'en reçoit du Soleil . L'énergie thermique de Jupiter est générée par le mécanisme de Kelvin-Helmholtz de compression gravitationnelle lente, mais un tel processus à lui seul n'est pas suffisant pour expliquer la production de chaleur de Saturne car elle est moins massive. Un mécanisme alternatif ou supplémentaire serait la génération de chaleur par la  de gouttelettes d'hélium dans les profondeurs de Saturne. Au fur et à mesure que les gouttelettes descendent à travers l'hydrogène de densité inférieure, le processus libérerait ainsi de la chaleur par frottement et laisserait les couches externes de Saturne appauvries en hélium. Ces gouttelettes descendantes peuvent s'être accumulées dans une coquille d'hélium entourant le noyau. Cette immiscibilité de l'hydrogène et de l'hélium, prévue théoriquement depuis les années 1970, a été vérifiée expérimentalement en 2021. Il est également suggéré que des pluies de diamants se produisent à l'intérieur de Saturne, tout comme au sein de Jupiter et des géantes de glace Uranus et Neptune.

Cependant, étant donné sa distance au Soleil, la température de Saturne descend rapidement jusqu'à atteindre  à  puis  à , pour une température effective de .

Atmosphère

Composition 

La haute atmosphère de Saturne est constituée à 96,3 % d'hydrogène et à 3,25 % d'hélium en volume. Cette proportion d'hélium est significativement plus faible que l'abondance de cet élément dans le Soleil. La quantité d'éléments plus lourds que l'hélium (appelée métallicité) n'est pas connue avec précision, mais les proportions sont supposées correspondre aux abondances primordiales issues de la formation du Système solaire ; la masse totale de ces éléments est estimée à 19 à  celle de la Terre, une fraction significative étant située dans la région du noyau de Saturne. Des traces de méthane , d'éthane , d'ammoniac , d'acétylène  et de phosphine  ont également été détectées.

Le rayonnement ultraviolet du Soleil provoque une photolyse du méthane dans la haute atmosphère, conduisant à la production d'hydrocarbures, les produits résultants étant transportés vers le bas par les tourbillons de turbulence et par diffusion. Ce cycle photochimique est modulé par le cycle saisonnier de Saturne.

Couches de nuages 

De manière similaire à Jupiter, l'atmosphère de Saturne est organisée en bandes parallèles, même si ces bandes sont moins contrastées et plus larges près de l'équateur. Ces bandes sont causées par la présence de méthane dans l'atmosphère planétaire, celles-ci étant plus d'autant plus foncées que la concentration est grande.

Le système nuageux de Saturne n'est observé pour la première fois que lors des missions Voyager dans les années 1980. Depuis, les télescopes terrestres ont progressé et permettent de pouvoir suivre l'évolution de l'atmosphère saturnienne. Ainsi, des caractéristiques courantes sur Jupiter, comme les orages ovales à longue durée de vie, sont retrouvées sur Saturne ; par ailleurs, la nomenclature utilisée pour décrire ces bandes est la même que sur Jupiter. En 1990, le télescope spatial Hubble observe un très grand nuage blanc près de l'équateur de Saturne qui n'était pas présent lors du passage des sondes Voyager, et en 1994 une autre tempête de taille plus modeste est observée.

La composition des nuages de Saturne varie avec la profondeur et la pression croissante. Dans les régions les plus hautes, où les températures évoluent entre  et  et la pression entre 0,5 et , les nuages se composent de cristaux d’ammoniac. Entre 2,5 et  se trouve de la glace d’eau  à des températures de  à . Ces nuages s’entremêlent à des nuages de glace d’hydrosulfure d’ammonium  comprise entre 3 et , avec des températures de  à . Enfin, les couches inférieures, où les pressions sont comprises entre 10 et  et les températures de  à , contiennent une région de gouttelettes d'eau avec de l'ammoniaque (ammoniac en solution aqueuse).

Dans les images transmises en 2007 par la sonde Cassini, l'atmosphère de l'hémisphère nord apparaît bleue, de façon similaire à celle d'Uranus. Cette couleur est probablement causée par diffusion Rayleigh.

Tempêtes 
Les vents de Saturne sont les deuxièmes plus rapides parmi les planètes du Système solaire, après ceux de Neptune. Les données de Voyager indiquent des vents d'est allant jusqu'à  ().

La tempête observée en 1990 est un exemple de Grande tache blanche, un phénomène unique mais de courte durée se produisant une fois par année saturnienne, soit toutes les  terrestres, à l'époque du solstice d'été de l'hémisphère nord. De grandes taches blanches sont précédemment observées en 1876, 1903, 1933 et 1960. La dernière Grande tache blanche est observée par Cassini en 2010 et 2011. Lâchant de larges quantité d'eau de façon périodique, ces tempêtes indiquent que la basse atmosphère saturnienne contiendraient plus d'eau que celle de Jupiter.

Pôle Nord : Hexagone de Saturne en 2016.Pôle Sud : Vue en infrarouge révélant le vortex chaud.

Un système ondulatoire hexagonal persistant autour du vortex polaire nord vers une latitude d'environ +78°  est noté pour la première fois grâce aux images de Voyager. Les côtés de l'hexagone mesurent chacun environ  de long, soit plus du diamètre de la Terre. La structure entière tourne avec une période d'un peu plus de , ce qui correspond à la période des émissions radio de la planète et est supposé être la période de rotation de l'intérieur de Saturne. Ce système ne se décale pas en longitude comme les autres structures nuageuses de l'atmosphère visible. L'origine du motif n'est pas certaine mais la plupart des scientifiques pensent qu'il s'agit d'un ensemble d'ondes stationnaires dans l'atmosphère. En effet, des formes polygonales similaires ont été reproduites en laboratoire par rotation différentielle de fluides.

Au pôle sud, les images prises par le télescope spatial Hubble indiquent de 1997 à 2002 la présence d'un courant-jet, mais pas d'un vortex polaire ou d'un système hexagonal analogue. Cependant, la NASA signale en novembre 2006 que Cassini avait observé une tempête analogue à un cyclone, stationnant au pôle sud et possédant un œil clairement défini. Il s'agit du seul œil jamais observé sur une autre planète que la Terre ; par exemple, les images de la sonde spatiale Galileo ne montrent pas d'œil dans la Grande Tache rouge de Jupiter. Aussi, la thermographie révèle que ce vortex polaire est chaud, le seul exemple connu d'un tel phénomène dans le Système solaire. Alors que la température effective sur Saturne est de , les températures sur le vortex atteignent jusqu'à , faisant de lui probablement le point le plus chaud de Saturne. Celui-ci ferait près de près de  de large, une taille comparable à celle de la Terre, et connaîtrait des vents de . Il pourrait être vieux de plusieurs milliards d'années.

De 2004 à 2009, la sonde Cassini observe la formation, le développement et la fin de violents orages, dont la tempête du Dragon ou encore des lacunes dans la structure nuageuse formant des . Les orages de Saturne sont particulièrement longs ; par exemple, un orage s'est étalé de novembre 2007 à juillet 2008. De même, un très violent orage débute en janvier 2009 et dure plus de huit mois. Ce sont les plus longs orages observés jusque-là dans le Système solaire. Ils peuvent s'étendre sur plus de  de diamètre autour de la région appelée « allée des tempêtes » située à 35° au Sud de l'équateur. Les décharges électriques provoquées par les orages de Saturne émettent des ondes radio dix mille fois plus fortes que celles des orages terrestres.

Magnétosphère 

Saturne possède un champ magnétique intrinsèque qui a une forme simple et se comporte comme un dipôle magnétique, presque aligné avec l'axe de rotation de la planète et dont le pôle nord magnétique correspond au pôle sud géographique. Il est découvert en 1979 par la sonde Pioneer 11 lorsqu'elle mesure son intensité : sa force à l'équateur est d'environ  (), soit un vingtième du champ de Jupiter et légèrement plus faible que le champ magnétique terrestre. En conséquence, la magnétosphère de Saturne  est la deuxième plus grande du Système solaire mais reste beaucoup plus petite que celle de Jupiter. La magnétopause, frontière entre la magnétosphère de Saturne et le vent solaire, se trouve à seulement environ vingt fois le rayon de Saturne (soit ) du centre de la planète, tandis que la queue magnétique s'étire derrière sur des centaines de fois le rayon saturnien.Très probablement, le champ magnétique est généré de la même manière que celui de Jupiter avec des courants de convection dans la couche d'hydrogène métallique liquide créant un effet dynamo. Cette magnétosphère est efficace pour détourner les particules du vent solaire. L’interaction de la magnétosphère de Saturne et des vents solaires, comme dans le cas de la Terre, produit des aurores boréales sur les pôles de la planète dans le domaine du visible, de l’infrarouge et de l’ultraviolet. 

La magnétosphère de Saturne est remplie de plasma originaire de la planète et de ses satellites naturels, notamment d'Encelade qui éjecte jusqu’à  de vapeur d’eau par ses geysers situés à son pôle sud ou de l'atmosphère de Titan dont les particules ionisées interagissent avec la magnétosphère. Par ailleurs, il se trouve à l’intérieur de la magnétosphère une ceinture de radiation, similaire à la ceinture de Van Allen pour la Terre, qui contient des particules d’énergie pouvant atteindre la dizaine de mégaélectronvolts.

Formation 

Le mécanisme de formation le plus communément adopté pour la formation des planètes est le modèle d'accrétion de cœur à partir du disque d'accrétion. Les planètes géantes, comme Saturne, se forment au-delà de la ligne des glaces, zone au-delà de l’orbite de Mars où la matière est suffisamment froide pour que différents types de glaces restent à l'état solide. Elles grandissent jusqu'à devenir suffisamment massives pour pouvoir commencer à accumuler du gaz hélium-hydrogène provenant du disque, les éléments les plus légers mais aussi les plus abondants. Ce phénomène s'emballant, il est estimé que Jupiter et Saturne auraient accumulé la majeure partie de leur masse en seulement . La masse significativement plus réduite de Saturne par rapport à Jupiter s'expliquerait par le fait qu'elle se serait formée quelques millions d'années après Jupiter, alors qu'il y avait moins de gaz disponible dans son environnement.

Deux caractéristiques de Saturne sont surprenantes dans le contexte des schémas classiques de formation des planètes : son obliquité d'environ 26,7°, trop élevée pour être expliquée par un impact, et la présence d'imposants anneaux vieux d'environ  d'années. L'éloignement rapide de Titan, encore observé aujourd'hui, pourrait avoir dans un premier temps augmenté l'obliquité jusqu'à 36° lors du passage par une résonance de précession avec Neptune. Un événement soudain aurait alors décalé la résonance, l'éloignement de Titan ayant alors pour conséquence de résuire l'obliquité jusqu'à sa valeur actuelle. Cet événement pourrait être la disparition d'un satellite dénommé Chrysalis, dont la déstabilisation de l'orbite expliquerait aussi la formation des anneaux par une rencontre rasante avec Saturne.

Caractéristiques orbitales

Orbite 

Le demi-grand axe de l'orbite de Saturne autour du Soleil est de  de kilomètres (soit ). Avec une vitesse orbitale moyenne de , sa période de révolution est d'environ  et demi ( terrestres). L'orbite elliptique de Saturne est inclinée de 2,48° par rapport au plan orbital de la Terre, l'écliptique. Les distances au périhélie et à l'aphélie sont respectivement de 9,195 et , en moyenne, du fait de son excentricité orbitale de 0,054.

Rotation 

De façon similaire à Jupiter, les caractéristiques visibles sur Saturne tournent à des vitesses différentes en fonction de la latitude  et ainsi ont toutes des périodes de rotation propres. Par convention, plusieurs systèmes sont définis, avec chacun leur période de rotation.

Le premier, ayant une période , correspond à la zone équatoriale s'étendant entre le bord nord de la ceinture équatoriale méridionale et le bord sud de la ceinture équatoriale boréale. Les régions polaires nord et sud sont également rattachées au premier système. 

Le deuxième concerne toutes les autres latitudes et possède quant à lui par convention une période de rotation de .

Finalement, un troisième système s'appuie sur la rotation des émissions radio de Saturne, notamment détectées par Voyager 1 et Voyager 2 car les ondes émises par Saturne sont à des fréquences basses bloquées par l'atmosphère terrestre, et a pour période de rotation . Cette valeur était alors considéré comme égale à la période de rotation interne de la planète, même si celle-ci restait inconnue. En approchant de Saturne en 2004, Cassini constate cependant que la période de rotation radio de Saturne avait augmenté sensiblement depuis les précédents survols, à environ  sans que la cause exacte du changement ne soit connue.

En mars 2007, il est ensuite observé que la variation de la période des émissions radio de la planète ne correspondait en réalité pas à la rotation de Saturne mais était causée par des mouvements de convection du disque de plasma entourant Saturne, lesquels sont indépendants de la rotation. Ceux-ci pourraient être la conséquence de la présence des geysers de la lune Encelade. En effet, la vapeur d'eau émise dans l'orbite de Saturne par cette activité se charge électriquement et induit une traînée sur le champ magnétique de Saturne, ralentissant légèrement sa rotation par rapport à celle de la planète.

En 2019, une étude avance que les variations saisonnières pourrait être une variable de confusion en ce qui concerne la mesure de la période de rotation. En effet, contrairement à Jupiter dont la période de rotation est connue depuis longtemps grâce aux mesures radio et qui a une inclinaison de l'axe de 3°, Saturne a une inclinaison de 27°  et connaît donc des saisons. Cette variation de l'énergie solaire reçue affecterait le plasma autour de Saturne et donc sa période de rotation en créant une traînée. La même année, la NASA avance que la période de rotation de Saturne, d'après les dernières données captées par la sonde Cassini, est de . Cette valeur a été obtenue en observant des perturbations dans ses anneaux. Cependant, en 2020, le NASA Fact Sheet de la planète indique toujours comme période de rotation la valeur du troisième système retournée par Voyager, à savoir  ou .

Cortège de Saturne

Lunes 

En 2020,  sont connus,  étant nommés et les  ayant une désignation provisoire. En outre, il existe des preuves de dizaines à centaines de satellites mineurs avec des diamètres allant de 40 à  présents dans les anneaux de Saturne, qui ne peuvent cependant pas être considérés comme des lunes. La plupart des lunes sont petites :  un diamètre inférieur à  et  en ont un compris entre 10 et . Seules sept sont suffisamment massives pour avoir pu prendre une forme sphéroïdale sous leur propre gravité : Titan, Rhéa, Japet, Dioné, Téthys, Encelade et Mimas (par masse décroissante). Avec Hypérion, qui pour sa part possède une forme irrégulière, ces huit lunes sont dites 

Début 2023 ce sont 62 nouvelles lunes qui sont découvertes, portant le nombre à 145 satellites naturels autour de la planète. En juin ce nombre est porté à 146.

Traditionnellement, les  de Saturne  sont nommés d'après des Titans de la mythologie grecque ou des personnages associés au dieu Saturne. Les autres sont tous des satellites irréguliers ayant une orbite bien plus éloignée et fortement inclinée par rapport au plan équatorial de la planète  ainsi qu'une taille inférieure à trente kilomètres, à l'exception de Phœbé et Siarnaq. Ils sont quant à eux nommés d'après des géants des mythologies inuits, nordiques et celtes.

Titan est le plus grand satellite de Saturne, représentant environ 96 % de la masse en orbite autour de la planète, anneaux compris. Découvert par Christian Huygens en 1655, il s'agit de la première lune observée. Il est le deuxième plus grand satellite naturel du Système solaire après Ganymède  et le seul doté d'une atmosphère majeure constituée principalement de diazote dans laquelle une chimie organique complexe se produit. C'est également le seul satellite avec des mers et lacs d'hydrocarbures.

Le satellite, principalement composé de roche et de glace d'eau, voit son climat modeler sa surface de façon similaire à ce qui se produit sur Terre, faisant qu'il est parfois comparé à une . En juin 2013, des scientifiques de l'Instituto de Astrofísica de Andalucía signalent la détection d'hydrocarbures aromatiques polycycliques dans la mésosphère de Titan, un possible précurseur de la vie. Ainsi, il s'agit d'un possible hébergeur de vie extraterrestre microbienne et un possible océan souterrain pourrait servir d’environnement favorable à la vie. En juin 2014, la NASA affirme avoir des preuves solides que l'azote dans l'atmosphère de Titan proviendrait de matériaux dans le nuage d'Oort, associés aux comètes, et non des matériaux qui ont formé Saturne.

La deuxième plus grande lune de Saturne, Rhéa, possède son propre système d'anneaux et une atmosphère ténue. Japet, quant à elle, est remarquable par sa coloration  et par sa longue crête équatoriale. Avec, Dioné et Téthys, ces quatre lunes sont découvertes par Jean-Dominique Cassini entre 1671 et 1684.

William Herschel découvre ensuite Encelade et Mimas en 1789. La première, dont la composition chimique semble similaire aux comètes, est notable car elle émet de puissants geysers de gaz et de poussières et pourrait contenir de l'eau liquide sous son pôle Sud. Ainsi, elle est également considérée comme un habitat potentiel pour la vie microbienne. La preuve de cette possibilité inclut par exemple des particules riches en sel ayant une composition « semblable à un océan » qui indique que la majeure partie de la glace expulsée d'Encelade provient de l'évaporation d'eau salée liquide. Un survol de Cassini en 2015 à travers un panache sur Encelade relève la présence de la plupart des ingrédients nécessaires à soutenir des formes de vie pratiquant la méthanogenèse. Mimas, quant à elle, est responsable de la formation de la division de Cassini et son apparence  fait qu'elle est régulièrement comparée à l'Étoile de la mort de la saga Star Wars.

En octobre 2019, une équipe d'astronomes du Carnegie Institution for Science observent , ce qui fait de Saturne la deuxième planète du Système Solaire ayant le plus de satellites naturels connus avec , derrière devançant Jupiter et ses .

Anneaux planétaires 

Une des caractéristiques les plus connues de Saturne est son système d'anneaux planétaires qui la rend visuellement unique. Les anneaux forment un disque dont le diamètre est de près de   avec les anneaux principaux  s'étendant d'environ  depuis l'équateur de la planète et ayant une épaisseur de seulement quelques dizaines de mètres. Aussi, ils conservent toujours la même inclinaison que l'équateur de la planète. Ils sont principalement composés de glace d'eau (95 à 99 % de glace d'eau pure selon les analyses spectroscopiques), avec des traces d'impuretés de tholin et un revêtement de carbone amorphe. Bien qu'ils semblent continus vus depuis la Terre, ils sont en fait constitués d'innombrables particules dont la taille varie de quelques micromètres à une dizaine de mètres et ayant chacun une orbite et une vitesse orbitale différente. Si les autres planètes géantes  ont également des systèmes d'anneaux, celui de Saturne est le plus grand et le plus visible du Système solaire avec un albédo de 0,2 à 0,6, pouvant même être observé depuis la Terre à l'aide de jumelles.

Ils sont aperçus pour la première fois le  par le savant italien Galilée grâce à une lunette astronomique de sa fabrication. Celui-ci interprète ce qu'il voit comme deux mystérieux appendices de part et d'autre de Saturne, disparaissant et réapparaissant au cours de l'orbite de la planète vu depuis la Terre. Bénéficiant d'une meilleure lunette que Galilée, le hollandais Christian Huygens est le premier à suggérer en 1655 qu'il s'agit en fait d'un anneau entourant Saturne, expliquant ainsi les disparitions observées par le fait que la Terre passe dans le plan de celui-ci. En 1675, Jean-Dominique Cassini découvre qu'il y en a réalité plusieurs anneaux en une division entre ceux-ci ; à ce titre la séparation observée, située entre les anneaux A et B, est baptisée « division de Cassini » en son honneur. Un siècle plus tard, James Clerk Maxwell démontre que les anneaux ne sont pas solides mais en réalité composés d'un très grand nombre de particules.

Les anneaux sont nommés de façon alphabétique dans l'ordre de leur découverte. Ils sont relativement proches les uns des autres, espacés par  souvent étroites  où la densité de particule diminue grandement. Ces divisions sont causées pour la plupart par l'interaction gravitationnelle des lunes de Saturne, notamment des satellites bergers. Par exemple, Pan se situe dans la division d'Encke et Daphnis se situe dans la division de Keeler, qu'ils auraient respectivement créés par leurs effets . La division de Cassini, quant à elle, semble formée par l’attraction gravitationnelle de Mimas.L'abondance en eau des anneaux varie radialement, l'anneau le plus externe A étant le plus pur en eau glacée ; cette variance d'abondance peut être expliquée par un bombardement de météorites. Les anneaux A, B et C sont les plus visibles  et ainsi considérés comme . Les anneaux D, E, F et G, quant à eux, sont plus ténus et ont été découverts plus tardivement. Une partie de la glace dans l'anneau E provient des geysers de la lune Encelade.

En 2009, un anneau beaucoup plus lointain est mis en évidence par le satellite Spitzer en infrarouge. Ce nouvel anneau, appelé anneau de Phœbé, est très ténu et est aligné avec une des lunes de Saturne : Phœbé. Il est ainsi supposé que la lune en serait l'origine et partage son orbite rétrograde.

Il n'existe pas de consensus quant au mécanisme de leur formation, mais deux hypothèses principales sont principalement proposées concernant l'origine des anneaux. Une hypothèse est que les anneaux sont les restes d'une lune détruite de Saturne et la deuxième est que les anneaux sont restés du matériau nébulaire originel à partir duquel Saturne s'est formée. Si ces modèles théoriques supposent que les anneaux seraient apparus tôt dans l'histoire du Système solaire, les données de la sonde Cassini indiquent cependant qu'ils pourraient s'être formés beaucoup plus tard et leur âge est ainsi estimé à environ  d'années en 2019. De plus, ils pourraient disparaître d'ici  d'années. À la suite de ces découvertes, le mécanisme privilégié pour expliquer l'apparition des anneaux est qu'une lune glacée ou une très grande comète aurait pénétré la limite de Roche de Saturne.

Autre entourage de Saturne 
Un astéroïde troyen d'une planète est un astéroïde situé aux alentours d'un des deux points stables de Lagrange (L ou L) du système Soleil-planète, c'est-à-dire qu'ils sont situés à 60° en avance ou en retard sur l'orbite de la planète. Cependant, Saturne ne possède aucun astéroïde troyen connu contrairement à la Terre, Mars, Jupiter, Uranus et Neptune. Il est supposé que des mécanismes de résonance orbitale, notamment la résonance séculaire, sont à l'origine de l'absence de troyen pour Saturne.

Observation 

Si Uranus est visible à l'œil nu dans de très bonnes conditions  et dans un ciel très sombre, Saturne est souvent considérée comme la planète la plus éloignée du Soleil et de la Terre visible à l'œil nu de façon générale. Dans le ciel nocturne, la planète apparaît comme un point lumineux brillant et jaunâtre avec sa magnitude apparente moyenne de 0,46 . La majeure partie de la variation de magnitude est due à l'inclinaison du système d'anneau par rapport au Soleil et à la Terre. En effet, la magnitude la plus brillante -0,55 se produit à peu près au moment où le plan des anneaux est le plus incliné, et la plus faible magnitude 1,17 se produit au moment où il l'est le moins.

De plus, Saturne et ses anneaux sont mieux visibles lorsque la planète est proche de l'opposition, à une élongation de 180° par rapport au Soleil. Une opposition saturnienne se produit presque chaque année car la période synodique de Saturne est de  mais a un impact moindre que la position des anneaux sur sa visibilité. Par exemple, lors de l'opposition du , Saturne est apparue à son plus brillant en raison d'une orientation favorable de ses anneaux par rapport à la Terre, même si la planète était pourtant plus proche lors de l'opposition suivante fin 2003.

Afin de pouvoir obtenir une image nette des anneaux de Saturne, il est nécessaire d'utiliser des jumelles puissantes ou un petit télescope. Lorsque la Terre traverse le plan des anneaux, ce qui se produit deux fois par année saturnienne (environ tous les  terrestres), les anneaux disparaissent brièvement de la vue du fait de leur épaisseur de quelques centaines de mètres en moyenne. Une telle « disparition » se produira pour la prochaine fois en 2025, mais Saturne sera trop proche du Soleil pour pouvoir l'observer. Par ailleurs, il est également possible d'observer des caractéristiques majeures à l'aide d'un télescope amateur, comme les grandes taches blanches qui apparaissent près du solstice d'été de l'hémisphère nord.

Il faut environ  à Saturne pour réaliser une orbite complète et terminer un circuit entier de l'écliptique devant les constellations de fond du zodiaque. De temps en temps, Saturne est occultée par la Lune . Comme pour toutes les planètes du Système solaire, les occultations de Saturne se produisent en « saisons ». Les occultations saturniennes ont lieu tous les mois pendant environ , suivis d'environ cinq ans pendant lesquels aucune activité de ce genre n'est enregistrée. L'orbite de la Lune étant inclinée de plusieurs degrés par rapport à celle de Saturne, les occultations ne se produiront que lorsque Saturne est près de l'un des points du ciel où les deux plans se croisent .

Histoire des observations

Avant les télescopes 

Saturne est connue depuis les temps préhistoriques et est au début de l'Histoire enregistrée comme un personnage majeur dans diverses mythologies. Depuis l'Antiquité et avant la découverte d'Uranus en 1781, elle est la planète la plus éloignée du Soleil connue et marque ainsi la limite extrême du Système solaire dans l'esprit des astronomes. Dans l'Égypte antique, elle symbolise la divinité Horus sous le nom de Hor-ka-pet () tandis que les sumériens l'appellent Lubat-saguš (). Les astronomes babyloniens observent et enregistrent systématiquement les mouvements de Saturne depuis au moins le , l'appelant Kajamanu.

En grec ancien, la planète est connue sous le nom de  Phainon, puis à l'époque romaine comme , le dieu de l'agriculture, dont la planète tire son nom moderne. Les romains considèrent le dieu Saturne comme l'équivalent du Titan Cronos ; en grec moderne, la planète conserve d'ailleurs le nom de Kronos (). Par ailleurs, le nom grec reste utilisé en forme adjectivale, notamment pour les astéroïdes kronocroiseur. L'astronome grec Claude Ptolémée fonde ses calculs de l'orbite de Saturne sur des observations qu'il réalise alors qu'elle est en opposition et suppose qu'elle est très froide en raison de son éloignement au Soleil, qu'il situe alors entre Vénus et Mars.

Dans l'astrologie hindoue, Saturne est connue sous le nom de « Shani » et juge les hommes en fonction de leurs actions. La culture chinoise et japonaise antique désigne Saturne comme «l'étoile de la terre» () dans la cosmologie Wuxing des cinq éléments. En hébreu ancien, Saturne s'appelle «Shabbathai» et son ange est Cassiel.

L’étoile des Rois mages, ou étoile de Bethléem, est parfois évoquée comme ayant été une nova, supernova ou encore la comète de Halley, ces hypothèses ayant finalement été mises de côté car aucun de ces phénomènes ne s'est déroulé durant le règne d’Hérode. Ainsi, l'explication actuelle est que l'intense lumière ait été produite par une conjonction entre Jupiter et Saturne au cours de l'année

Recherches au télescope à partir du  

En 1610, Galilée, après avoir découvert quatre lunes de Jupiter  grâce à une lunette astronomique de sa conception, décide d'utiliser son nouvel instrument pour observer Saturne. En le braquant sur la planète, il observe pour la première fois ses anneaux mais ne comprend pas leur nature à cause de la trop faible résolution de sa lunette (grossissement de 20) : il les voit et les dessine comme deux très larges lunes entourant Saturne. Dans une lettre, il décrit la planète comme .

En 1612, la Terre passant dans le plan des anneaux , ceux-ci disparaissent de sa vue : cela le surprend mais lui permet de comprendre que Saturne est en réalité un corps unique ; il est par ailleurs le premier de l'histoire à avoir observé cet événement astronomique. Il ne comprend toutefois pas l'origine de cette disparition, et écrit même, en référence à l'origine mythologique du nom de l'astre, que Saturne aurait . Puis, en 1613, ils réapparaissent sans que Galilée ne puisse émettre non plus une hypothèse quant à ce qu'il observe.

En 1616, il dessine à nouveau les anneaux, cette fois-ci comme des anses autour de la planète. Il écrit alors : .

En 1655, Christian Huygens, disposant d'un télescope avec un grossissement de 50, découvre près de Saturne un astre qui sera nommé plus tard Titan. Par ailleurs, il postule pour la première fois que Saturne serait entourée d'un anneau solide, formé de . Trois ans plus tard, dans son livre Systema Saturnium, il explique le phénomène de disparition des anneaux observé auparavant par Galilée. En 1660, Jean Chapelain spécule que ces anneaux seraient composés d'un très grand nombre de petits satellites, ce qui passe inaperçu car la majorité des astronomes pensent alors que l'anneau est solide. En 1671 et 1672, pendant un phénomène de disparition des anneaux, Jean Dominique Cassini découvre Japet puis Rhéa, les deux plus grandes lunes de Saturne après Titan. Plus tard, en 1675 et 1676, il détermine que l'anneau est composé de plusieurs anneaux, séparés par au moins une division ; la plus large d'entre elles  sera plus tard nommée la division de Cassini d'après lui. Finalement, il découvre en 1684 deux nouvelles lunes : Téthys et Dioné. Il nomme alors les quatre lunes découvertes Sidera Lodoicea (« les étoiles de Louis ») en l'honneur du roi de France . 

Aucune autre découverte d'importance n'est faite pendant un siècle jusqu'aux travaux de William Herschel . En 1780, il rapporte un trait noir sur l'anneau B, une division qui est probablement la même que celle observée par Johann Franz Encke en 1837 et qui prendra le nom de ce dernier en tant que division d'Encke. En 1789, lors d'une disparition des anneaux, il identifie deux autres lunes : Encelade et Mimas. Cette observation lui permet de plus de confirmer que la planète est aplatie aux pôles, ce qui était seulement suspecté auparavant, et de faire la première estimation de l'épaisseur des anneaux, à environ . Finalement, il détermine en 1790 la période de rotation des anneaux comme étant de , une valeur très proche de la réalité. Pierre-Simon de Laplace, avec les lois de Kepler, fournit ensuite une première estimation de la distance de la planète au Soleil à . Aussi, à partir de sa taille apparente, il évalue le diamètre de la planète à  et le diamètre des anneaux à . 

En 1848, William Cranch Bond et son fils George Phillips Bond observent pour la première fois Hypérion, un satellite en résonance orbitale avec Titan, découverte également réalisée indépendamment deux jours plus tard par William Lassell . L'année suivante, Edouard Roche suggère que les anneaux se seraient formées quand un satellite aurait approché Saturne et qu'il se serait décomposé à cause des forces de marées ; un concept qui prendra ensuite le nom de limite de Roche. 

Dans les années 1850, plusieurs observations sont faites à travers l'anneau C, tout juste découvert par le père et le fils Bond, mettant à mal la théorie d'anneaux solides. En 1859, James Clerk Maxwell publie son livre  dans lequel il avance que les anneaux sont en réalité composés d'un , toutes orbitant autour de Saturne indépendamment ; ces travaux lui vaudront le prix Adams. Cette théorie est prouvée correcte en 1895 par des études spectroscopiques menées par James Keeler et William Campbell à l'observatoire Lick, dans lesquelles ils observent que les parties internes des anneaux orbitent plus rapidement que les parties externes.

En 1872, Daniel Kirkwood parvient à définir que les divisions de Cassini et d'Encke sont en résonance avec les quatre lunes intérieures alors connues : Mimas, Encelade, Téthys et Dioné.

Lors de la deuxième partie du , la photographie se développe et Saturne est alors une cible de choix : de nombreux astrophotographes allant de Warren de la Rue à John Rogers Commons en passant par les frères Paul-Pierre et Prosper-Mathieu Henry la prennent alors en image, le mérite de la première photographie réussie étant partagé entre Commons et les frères Henry. 

En 1899, William Henry Pickering découvre Phoebé, un satellite irrégulier n'étant pas en rotation synchrone et ayant une orbite rétrograde. Il s'agit du premier de ce type trouvé et, par ailleurs, il s'agit de l'unique lune de Saturne découverte depuis une observation terrestre sans profiter d'une disparition des anneaux.

Au  puis au , la majorité des informations concernant la planète sont ensuite connues grâce aux différentes missions d'exploration spatiale. Les événements où la Terre croise le plan des anneaux restent cependant utilisés pour l'observation terrestre. Par exemple, en 1966, l'observatoire Allegheny photographie ce qui sera ensuite appelé l'anneau E et que les lunes Janus et Épiméthée sont découvertes ; puis, en 1979 et 1980, trois nouvelles autres le sont par des équipes distinctes : Télesto, Calypso et Hélène. Le télescope spatial Hubble suit également l'activité du système saturnien en continu, renvoyant parfois des images remarquables comme un quadruple transit observé en 2009.

Exploration

Survols 

Dans le dernier quart du , Saturne est visitée par trois sondes spatiales de la NASA qui réalisent un survol de celle-ci : Pioneer 11 en 1979, Voyager 1 en 1980 et Voyager 2 en 1981.

Après avoir utilisé l'assistance gravitationnelle de Jupiter, Pioneer 11 effectue le premier survol de Saturne en septembre 1979 et passe à environ  du sommet des nuages de la planète, se glissant entre l'anneau interne et les couches hautes de l'atmosphère. La sonde prend des photographies en basse résolution de la planète et de quelques-uns de ses satellites, bien que leur résolution soit trop faible pour discerner des détails de leur surface. La sonde spatiale étudie également les anneaux de la planète, révélant le fin anneau F et confirmant l'existence de l'anneau E ; aussi, le fait que les divisions dans les anneaux sont montrées comme brillantes lorsque vues avec un angle de phase élevé par la sonde révèle la présence d'un matériau fin diffusant la lumière et qu'elles ne sont donc pas vides. De plus, Pioneer 11 fournit de nombreuses données sur la magnétosphère et l'atmosphère de Saturne ainsi que la première mesure de la température de Titan à .
Un an plus tard, en novembre 1980, Voyager 1 visite à son tour le système saturnien. La sonde renvoie les premières images en haute résolution de la planète, de ses anneaux et de ses lunes, dont Dioné, Mimas et Rhéa. Voyager 1 effectue également un survol de Titan, accroissant les connaissances sur l'atmosphère de cette lune, notamment qu'elle est impénétrable dans les longueurs d'onde visibles  et la présence de traces d'éthylène et d'autres hydrocarbures. Ce dernier survol a pour conséquence de profondément changer la trajectoire de la sonde et de l'éjecter hors du plan de l'écliptique. 

Près d'un an plus tard, en août 1981, Voyager 2 poursuit l'étude. Passant à  du centre de la planète le , elle prend des gros plans des lunes et apporte des preuves d'évolution de l'atmosphère et des anneaux grâce à ses caméras plus sensibles que les sondes précédentes. Malheureusement, pendant le survol, la plateforme de caméra orientable reste coincée pendant plusieurs jours, impliquant que certaines photographies ne peuvent pas être prises selon l'angle prévu et entraînant la perte d'une partie des données réalisées. L'assistance gravitationnelle de Saturne est finalement utilisée pour diriger la sonde vers Uranus puis vers Neptune, faisant de cette sonde la première et la seule à avoir visité ces deux planètes.

Le programme Voyager permet de nombreuses découvertes comme celle de plusieurs nouveaux satellites orbitant près ou dans les anneaux de la planète, dont Atlas et les satellites bergers Prométhée et Pandore (les premiers jamais découverts), ou de trois nouvelles divisions dans les anneaux, ensuite respectivement appelées Maxwell, Huygens et Keeler. Par ailleurs, l'anneau G est découvert et des   sont observées sur l'anneau B.

Cassini–Huygens 

Cassini-Huygens est une mission d'exploration du système saturnien de la NASA en collaboration avec l'Agence spatiale européenne et l'Agence spatiale italienne, intégrée au programme Flagship. Lancée le , la sonde spatiale est composée de l'orbiteur Cassini développé par la NASA et de l'atterrisseur Huygens développé par l'ESA . Elle se place en orbite autour de Saturne en juillet 2004, l’atterrisseur se posant sur Titan en janvier 2005 et l'orbiteur continuant son étude  jusqu'au  où il se désintègre dans l'atmosphère de Saturne pour éviter tout risque de contamination des satellites naturels.

Huygens collecte des informations et réalise un flot de photographies durant la descente et après son atterrissage. Malgré des problèmes de conception et la perte d'un canal de communication, l'atterrisseur parvient à se poser près d'un lac d'hydrocarbures pour y réaliser des mesures.

Cassini continue quant à lui d'orbiter autour de Saturne et poursuit l'étude scientifique de la magnétosphère et des anneaux de Saturne, en profitant de ses passages à faible distance des satellites pour collecter des données détaillées sur ceux-ci et obtenir des images de qualité du système saturnien.

En ce qui concerne les lunes de Saturne, Cassini permet d'affiner la connaissance de la surface de Titan  et sur la composition de son atmosphère, de découvrir les geysers d'Encelade faisant d'elle un endroit propice à l'apparition de la vie, d'obtenir les premières images détaillées de Phœbé  et de découvrir six nouvelles lunes nommées, parmi lesquelles Méthone et Pollux par exemple.

L'orbiteur analyse en détail la structure des anneaux de Saturne, en photographiant même un nouveau auparavant inconnu situé à l'intérieur des anneaux E et G, et observe des formations étonnantes de l'atmosphère de la planète géante à ses pôles . Par ailleurs, les données collectées sur les anneaux de Saturne au cours des dernières orbites permettent d'estimer leur âge : ceux-ci seraient apparus il y a moins de  d'années et devraient disparaître d'ici  d'années.

En somme, la sonde spatiale Cassini réalise au cours de sa mission  autour de Saturne et effectue  de Titan,  et  de la planète dans des conditions ayant permis d'effectuer des investigations poussées.  de données scientifiques sont collectées et plus de  sont prises. La mission Cassini-Huygens remplit tous ses objectifs scientifiques et est ainsi considérée comme un grand succès grâce aux nombreuses données de qualité produites.

Projets de missions après Cassini-Huyghens 

Les projets d'exploration à l'aide d'une sonde spatiale d'une planète aussi lointaine que Saturne sont freinés par leur coût très élevé, à la fois technologique et en termes de ressources humaines. Les principaux facteurs limitants sont (1) la vitesse importante nécessaire à un engin spatial pour effectuer le trajet en un temps raisonnable, (2) la durée de la mission et (3) la nécessité de recourir à des sources d'énergie capables de compenser le rayonnement solaire plus faible comme des panneaux solaires photovoltaïques de très grande taille ou un générateur thermoélectrique à radioisotope. 

En 2008, la NASA et l'Agence spatiale européenne étudient la mission Titan Saturn System Mission (TSSM), comprenant un orbiteur ainsi qu'un atterrisseur et une montgolfière destinés à étudier Titan, mais ce projet est abandonné l'année suivante. Une mission moins coûteuse dans le cadre du programme Discovery est aussi envisagée, Titan Mare Explorer (2011), mais n'est finalement pas retenue.

Cependant, devant l'intérêt scientifique de Saturne et de ses lunes (notamment Titan et Encelade qui pourraient abriter la vie), des successeurs à Cassini-Huygens sont proposés dans le cadre du programme New Frontiers de la NASA. Ainsi, en 2017, cinq missions sont en cours d'évaluation : un engin spatial qui effectuerait un sondage en plongeant dans l'atmosphère de Saturne (SPRITE), deux missions qui analyseraient de manière précise les matériaux éjectés par les geysers d'Encelade en survolant cette lune à plusieurs reprises et détermineraient la présence éventuelle d'indices de formes de vie (ELSAH et ELF) et enfin deux missions destinées à étudier en profondeur Titan, la première en orbite (Oceanus) et la deuxième, plus audacieuse sur le plan technique, au moyen d'un drone effectuant des vols de plusieurs dizaines de kilomètres à la surface de la lune en exploitant sa faible gravité et la forte densité de son atmosphère (Dragonfly). Finalement, seule la mission Dragonfly est sélectionnée en 2019 pour un départ prévu en 2026 et une arrivée sur Titan en 2034.

Dans la culture

Science-fiction 

Saturne est présente dans de nombreuses œuvres de science-fiction et sa représentation a évolué en fonction des connaissances sur la planète. Parmi les premières œuvres touchant à la science-fiction évoquant Saturne se trouve notamment Micromégas (1752) de Voltaire. À l'époque, elle est la planète la plus éloignée du Soleil connue  et sa structure gazeuse est inconnue. Ainsi, la planète est décrite comme solide et habitée par des géants de deux kilomètres de hauteur, ayant  et une espérance de vie de  ; le secrétaire de l' accompagne ensuite le personnage principal Micromégas sur Terre. Un siècle plus tard, dans Hector Servadac (1877), Jules Verne fait passer les aventuriers près de Saturne en chevauchant une comète. L'auteur la décrit et la dessine alors comme rocheuse avec une surface solide déserte et possédant  et .

Après que la science moderne a révélé que la planète n'a pas de surface solide et que son atmosphère et sa température sont hostiles à la vie humaine, sa représentation évolue en conséquence. Aussi, ses anneaux planétaires et son vaste système de lunes deviennent un cadre plus courant pour la science-fiction, par exemple dans La Voie martienne (1952) d’Isaac Asimov ou dans La Zone du Dehors (2007) d'Alain Damasio. Des villes flottantes dans l'atmosphère de Saturne sont également envisagées, comme dans Accelerando (2005) de Charles Stross.

Au cinéma, elle est notamment représentée dans Beetlejuice (1988) de Tim Burton, où elle est peuplée de vers de sable gigantesques, ou sert de décor dans Interstellar (2014) de Christopher Nolan, la NASA ayant envoyé quatre astronautes près de la planète dans le but d’atteindre un trou de ver.

Musique 
 est le  de l'œuvre pour grand orchestre Les Planètes, composée et écrite par Gustav Holst entre 1914 et 1916. Par ailleurs, Saturn est une chanson du groupe de rock américain Sleeping at Last.

Symbolisme 
Son symbole «  », d'origine ancienne représenterait la faucille du dieu Saturne ou serait dérivé de la lettre grecque kappa minuscule, initiale du grec ancien . Néanmoins, l'Union astronomique internationale recommande de substituer au symbole «  » l'abréviation , correspondant à la lettre latine S majuscule, initiale de l'anglais .

Notes et références

Notes

Références

Voir aussi

Bibliographie 
 
 
 
 
  ;
 
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Articles connexes 
 Atmosphère de Saturne
 Anneaux de Saturne
 Exploration du système saturnien
 Lunes de Saturne dans la fiction
 Magnétosphère de Saturne
 Satellites naturels de Saturne
 Saturne dans la fiction
 Titan dans la fiction

Liens externes 

 Le Système Solaire - Saturne
  (traduction/adaptation française).

 
Jupiter froid
Objet céleste visité par un orbiteur
Objet céleste nommé d'après un personnage de la mythologie romaine
Objet céleste avec des aurores polaires
Objet céleste ayant un anneau