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Les anneaux de Saturne
Les anneaux dont on a longtemps cru que Saturne était la seule planète à en posséder ont été découverts par Galilée en 1610, et Huygens en a expliqué les différentes apparences en 1655. Les astronomes ont ensuite beaucoup tardé à comprendre la nature de ces anneaux, et leur structure exacte. Ils n'ont d'abord distingué que deux anneaux, séparés par un espace apparemment vide, la division de Cassini; de l'un de ses découvreurs en 1676. Mais, en 1860, Bond , et s'autres, ont découvert un troisième anneau, intérieur aux deux premiers et plus obscur.

Par la suite, il a semblé que deux autres anneaux quelquefois se partageaient temporairement en plusieurs anneaux concentriques. Des circonstances qui parfois laissaient croire encore au début du vingtième siècle qu'ils étaient formés d'une matière fluide, alors même que James Clerk Maxwell avait montré dès 1857 que les anneaux devaient être constitués de petits corps solides solides en orbite autour de Saturne, et circulant à des vitesses conformes, selon leur distance, aux lois de Kepler.

Les sondes Voyager, qui ont approché Saturne au cours des années 1980, ont montré que ces anneaux, d'une épaisseur maximale d'un kilomètre, se constituent effectivement de milliers d'anneaux concentriques plus fins. Chaque anneau abrite des milliards de petits corps recouverts de givre. Les tailles de ces corps s’échelonnent d'un grain de poussière à celle d'un rocher de quelques dizaines de mètres. 

Dates clés :
1610 - Premières observations par Galilée.

1655 : Identification des anneaux par Huygens.

1675 : Découverte de la division de Cassini.

1857 - Maxwell calcule que les anneaux doivent être constitués de petits corps indépendants.

Premières observations

Les anneaux de Saturne, ou plutôt, comme on dira longtemps, l'anneau a été découvert, pendant l'été de 1610, par Galilée, à l'aide de la lunette grossissant une vingtaine de fois qu'il venait d'inventer et qui porte son nom. Saturne lui parait triple : vidi Saturnum triformem. Et il écrit au grand duc de Toscane :

« Deux serviteurs assistent le vieux Saturne dans sa révolution et se tiennent constamment à ses côtés. »
L'imperfection de sa lunette lui faisait voir deux masses lumineuses, deux anses ou deux étoiles latérales de part et d'autre du globe de Saturne. A la fin du mois de novembre 1612, ces deux appendices, dont l'éclat et les dimensions diminuaient depuis longtemps, disparaissent aux yeux de Galilée qui les cherché en vain pendant de longues nuits et, de guerre lasse, les abandonne en laissant espérer que leur disparition n'est que momentanée.

De fait, il pourra les revoir en 1616. Mais curieusement, ils ont changé de forme. Ils ne sont plus ronds, mais ressemblent désormais à deux demi ellipses. La planète Saturne, en revanche, précise-t-il, reste parfaitement ronde.
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Premières représentations de Saturne :
I. Galilée, 1610. II. Scheiner, 1614. - III. Riccioli, 1640. - IV à VIII. Hévélius, 1640 à 1650. - VIII et IX Riccioli, 1648, 1650. - X. Eustache de Divinis, 1647. - XI. Fontana, 1648. - XII. Gassendi, 1645. - XIII. Riccioli, 1630.

Saturne dans ses quartiers latins
Les différentes inclinaisons des anneaux donnent à Saturne un aspect variable au fil du temps. Un peu à la manière dont les phases de la Lune changent périodiquement le visage de notre satellite. Gassendi, Christopher Wren et Johann Hévélius observent longtemps ces phases. Wren, en 1658, imagine que l'anneau pourrait être une sorte de couronne dont l'inclinaison varie par rapport à nous. Et, deux ans plus tôt, en 1656, Hévélius avait supposé pour sa part que les anneaux de Saturne sont deux croissants attachés à un corps central ellipsoïdal, et distingue six phases apparentes de Saturne auxquelles il applique des dénominations, utilisées quelque temps, et tombées désormais en obsolescence, mais qui n’en ont pas moins gardé toute leur saveur.

Lorsque les anneaux sont placés le moins obliquement par rapport à nous, que l'ellipse, sous la forme de laquelle ils paraissent, est la plus ouverte; alors le petit diamètre de cette ellipse égale, à peu près, la moitié de son grand diamètre : les anneaux surpassent un peu les bords de Saturne, dont le globe est inscrit dans l'ellipse : et Saturne est alors nommé Saturnus elliptico-anfatus plenus.

Lorsque les anneaux devenant plus obliques, le petit diamètre de l'ellipse qu'ils forment est un peu diminué, Saturne est nommé Saturnus elliptico-anfatus diminutus.

Lorsque ce petit diamètre est diminué de moitié, ou environ, de façon que le globe de Saturne surpasse l'ellipse de part et d'autre, on le nomme Saturnus spherico-anfatus.

Lorsque le petit diamètre est diminué au point qu'on cesse d'apercevoir l'espace vide qui se trouve entre le globe de Saturne et son anneau; on le nomme Saturnus spherico-cuspidatus, ou Saturnus branchiatus.

Enfin, lorsque l'anneau disparaît entièrement, la terminologie d'Hévélius y reconnaît Saturnus rotundus.


Les différentes apparences de Saturne.

Derrière les apparences...
En 1655, Huygens dirige vers Saturne les lunettes qu'il avait perfectionnées, dont une qui grossit une cinquantaine de fois. Il suit cette planète dans sa marche à travers les constellations et, découvre la nature de l'anneau, comme il le fait savoir par un anagramme qu'il fera circuler dès 1656, auprès de ses correspondants. Lorsqu'il est déchiffré celui-ci dit :

« Annulo cingitur tenui, piano, nusquam cohaerente, ad eclipticam inclinato. »
Huygens sera plus explicite en 1659, quand il publiera, dans son Systema Saturnium, en y donnant l'explication des apparences de cet astre :
« Le globe de Saturne est entouré d'une bande opaque très mince, de forme circulaire, qui ne touche pas la planète et semble un prolongement de son équateur. Cet appendice annulaire accompagne la planète dans son mouvement de translation autour du soleil et nous montre sa face éclairée sous des inclinaisons variables qui modifient son aspect. Il est si mince que les anses formées de chaque côté disparaissent le jour où la terre se trouve dans son plan et reparaissent aussitôt qu'elle l'a dépassé. »
C'est à Maraldi (Mémoires de l'Académie des Sciences, 1715) que l’on doit les premiers travaux sur les causes de ces différentes apparences. L’astronome a montré que c'est parce que le plan des anneaux est incliné d'environ 30 degrés par rapport à l'orbite de Saturne, soit de 31 degrés 20 minutes par rapport à l'écliptique. Il a également étudié les raisons pour lesquelles ces anneaux disparaissent quelquefois. II a ainsi distingué trois causes qui peuvent occasionner la phase ronde de la planète géante : 
1) Lorsque Saturne est vers le vingtième degré de la Vierge ou des Poissons explique en substance Maraldi, le plan de ses anneaux se trouve dirigé vers le centre du Soleil, et ils ne reçoivent de la lumière que sur leur épaisseur, qui n'est pas assez considérable pour nous renvoyer la quantité de lumière nécessaire pour nous le faire apercevoir de si loin; c'est pourquoi Saturne alors paraît rond, sans anneau. Ces anneaux ne disparaissent faute de lumière, que pendant environ un mois; «savoir, 15 jours avant, et 15 jours après le passage de Saturne par le point du ciel, qui est à 5 signes 20 degrés, ou à 11 signes 20 degrés de longitude ».

2) Les anneaux de Saturne disparaissent encore lorsque leur plan, étant dirigé vers la Terre, se trouve placé de façon que son prolongement passerait par notre œil. Nous ne voyons alors que leur épaisseur, qui est trop petite, ou qui réfléchit trop peu de lumière pour que nous puissions l'apercevoir. (Lalande calculera que cette cause ne doit faire disparaître l'anneau que sept à huit jours avant que la Terre soit dans le plan des anneaux.)

3) La troisième cause qui peut faire disparaître, pour nous, les anneaux de Saturne. C'est lorsqu'ils sont placé de façon que leur plan prolongé passerait entre le Soleil et la Terre; car alors la surface éclairée n'est plus tournée vers nous, et nous voyons Saturne sans anneaux.

Les observations de Lalande le 3 avril 1774, après celles de Maraldi, confirmeront cette façon de voir. Et de 1848 à 1852, Bond mesurera l'épaisseur de cet anneau pour en conclure qu'elle doit être moindre que 0,01".
Saturne, combien de divisions?

Dès 1664, Campani note que la partie médiane de l'anneau est moins brillante que le reste, mais ne va pas jusqu'à en déduire qu'il pourrait s'agir de deux anneaux distincts. En 1665, William Ball (ou Balle), un des co-fondateurs de la Royal Society à Londres, semble avoir fait, lui, ce constat. Mais il restera méconnu. Et cette découverte sera généralement attribuée Dominique Cassini, qui reconnaît en 1675, que l'appendice annulaire de Saturne est séparé en deux parties concentriques par une ligne obscure nommée depuis Division de Cassini : la partie intérieure lui semble fort claire, l'extérieure un peu obscure, comme un cercle d'argent mat entouré d'un anneau d'argent bruni. Selon l'habitude, on désigne la partie extérieure par A, l'autre par B. Short y verra plusieurs bandes concentriques; le 26 juin 1780, sir W. Herschel reconnaît sur l'anse occidentale une bande sombre invisible sur l'autre anse : elle disparaît le 29 juin. 

En 1825, Kater voit de nombreuses lignes noires concentriques sur cet anneau; on les aperçoit encore, en 1826; mais, en 1828, elles ont disparu. En 1837, Encke remarque une ligne noire qui divise A en deux parties concentriques inégales, la plus grande étant extérieure. En 1843, Lassell et Dawes trouvent bien la division d'Encke, mais c'est la partie intérieure qui est la plus étendue. Déjà, en 1838, de Vico avait signalé deux autres divisions concentriques et intérieures à celle d'Encke, de telle sorte que cet anneau est divisé en quatre parties. En 1850, Bond découvrait un troisième anneau nommé C, vu ensuite par Dawes et Lassell, plus rapproché de la planète, obscur et transparent, car on peut voir le globe de Saturne à travers sa masse.


Multiples anneaux représentés en 1865
(Source : R. Proctor, Saturn and its System, 1865.)

Struve a reconnu que C est double : un trait noir invisible sur les deux anses le partage en deux parties à peu près égales. En 1881 et 1882, la division d'Encke est plus visible sur l'anse orientale que sur l'autre pour Schiaparelli et Meyer. Perrotin, Thollon, Lockyer voient cet anneau A divisé en trois zones concentriques séparées par deux lignes sombres. En mars 1884, Paul et Prosper Henry constataient la disparition de la division d'Encke et l'apparition de deux nouvelles lignes, l'une noire, près de la division de Cassini, l'autre lumineuse et étroite entre ces deux divisions. De 1872 à 1884, Trouvelot a signalé sur l'anneau B trois couches concentriques de même largeur, mais d'intensités lumineuses différentes et, de plus, variables. Il a fait les mêmes remarques sur l'anneau C. Voici les dimensions respectives de ces appendices d'après les mesures de Struve en 1852 :
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Objet
Grandeur
"
km
Anneau extérieur A
Rayon extérieur
Rayon intérieur
Largeur de l'anneau
20,065
17,765
02,300
139 200
123 200
16 000
Intervalle des anneaux A et B 00,495 3 430
Anneau moyen B
Rayon extérieur
Rayon intérieur
Largeur de l'anneau
17,270
12,650
04,620
119 770
87 740
32 030
Anneau intérieur C
Rayon extérieur
Rayon intérieur
Largeur de l'anneau
12,650
10,615
02,035
87 740
73 625
14 115
Les dimensions de Saturne sont, d'après Struve :
Globe de Saturne Rayon équatorial
Rayon polaire
08,795
07,845
61 000
54 400

Voici trois séries de mesures de distances au bord de la planète faites en 1854 et 1885 par O. Struve à Poulkova, et en 1884 par Meyer à Genève (les mesures sont données en secondes d'arc (")):
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Zone
Struve (1851)
Meyer (1881)
Struve (1882)
Bord intérieur de C
1,61
1,68
1,49
Bord intérieur de B
3,64
4,14
3,66
Bord extérieur de B
8,24
8,36
8,20
Bord extérieur de A
11,03
11,29
11,20

En 2004, un autre anneau (ou un arc?), associé au satellite Atlas a été mis en évidence par la sonde cassini-Huygens.

L'origine des anneaux

Les observations de Struve, faites à trente et un ans d'intervalle avec le même instrument et avec le même grossissement, ont fortement suggéré des variations de largeur des anneaux. Jusque là, les astronomes étaient le plus souvent disposés à accepter l'opinion exprimée en 1789 par William Herschel, premier astronome à avoir mesuré l'épaisseur des anneaux qu'il estimait à 500 km, et selon laquelle les anneaux étaient des corps solides. Pour expliquer ces changements dans les dimensions et dans les intensités lumineuses, on va alors admettre l'hypothèse imaginée d'abord par Chapelain (1660), reprise par Cassini II, et soutenue ensuite par Laplace (1789), Le Verrier, Tisserand, Poincaré, R. Proctor et Maxwell (1848 / 1856).

« Les anneaux sont formés d'une infinité de petits corpuscules indépendants, sortes d'astéroïdes circulant autour de Saturne dans des orbites propres et concentriques. Ces corps, se trouant par intervalles plus nombreux ou plus rares dans certaines régions et probablement doués de pouvoirs réflecteurs fort différents, expliquent parfaitement les variations de grandeur et d'éclat observées par les astronomes. »
On connaît la théorie de Laplace sur la formation du Système solaire. Plateau a, pour ainsi dire, testé cette hypothèse par l'expérience suivante. Des gouttes d'un mélange d'huile et d'éther de même densité que l'eau étant placées dans ce liquide, on les fait tourner autour d'un axe passant par leur centre de gravité. Leur forme, primitivement sphérique, change bien vite et se transforme en ellipsoïde de révolution. La rotation devenant assez rapide, de petits fragments se détachent de l'équateur et forment de nouveaux ellipsoïdes de révolution animés de deux mouvements simultanés, l'un de rotation autour de leur axe, l'autre de translation autour du centre commun. Ils engendrent à leur tour d'autres petites masses sphériques ou ellipsoïdales. Ce n'est pas tout : on observe chez quelques-uns des ellipsoïdes détachés d'abord de la masse principale des masses aplaties, semblant le prolongement de l'équateur et tout à fait analogues à l'anneau de Saturne. C'est une sorte de reproduction de la formation du système solaire, suivant l'hypothèse de Laplace. (L. Barré).

En 1895, J. E. Keeler, à l'observatoire Allegheny, montrera par des études spectroscopiques que les différentes parties des anneaux tournent à des vitesses différentes selon leur distance au centre de Saturne, et qui seraient celles de satellites placés sur les mêmes orbites. Cela constitue la première confirmation observationnelle du fait que les anneaux ne sont pas un corps solide.

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