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Saturne

À l’instar de Jupiter, Saturne constitue, avec son cortège de satellites, un système solaire en miniature mais, surtout, offre le spectacle somptueux de ses anneaux, découverts dès 1610 par Galilée et interprétés en tant qu’anneaux par Christiaan Huygens en 1656. Saturne a été exploré à quatre reprises par des sondes spatiales : Pioneer-11 à la fin d’août et au début de septembre 1979, Voyager-1 en novembre 1980, Voyager-2 en août 1981 et Cassini-Huygens à partir de juin 2004 ; le 14 janvier 2005, la sonde Huygens a atterri sur le sol glacé du plus gros satellite de Saturne, Titan.

1. Structure de la planète

Les anneaux qui auréolent Saturne lui confèrent une apparence unique dans le système solaire. Cependant, la planète proprement dite présente de grandes similitudes avec Jupiter (cf. JUPITER, tabl. 1). Ses dimensions sont presque les mêmes : son rayon équatorial – 60 268 kilomètres – est égal à 9,45 rayons terrestres, au lieu de 11,21 pour Jupiter. Sa masse est de l’ordre de 95 fois celle de la Terre, au lieu de 318 dans le cas de Jupiter. Sa densité moyenne est ainsi de 0,7 ; en d’autres termes, plongée dans une piscine imaginaire remplie d’eau, Saturne flotterait à la surface comme un ballon. Cela suggère que Saturne est, à l’instar de Jupiter, formée des éléments constitutifs de la nébuleuse solaire primitive, c’est-à-dire surtout d’hydrogène et d’hélium. On verra cependant que ces deux composants ne demeurent pas uniformément mélangés à l’intérieur de la planète, et que la structure interne de Saturne est qualitativement différente de celle de Jupiter. Il n’en demeure pas moins que Saturne est, comme Jupiter, essentiellement une énorme boule de gaz comprimé sous son propre poids, et que ce que nous en voyons est constitué de nuages composés d’éléments mineurs qui se condensent aux faibles températures existant à la périphérie de cet astre.

Comme Jupiter, Saturne tourne très vite puisque sa période de rotation interne est de 10 heures 40 minutes. Elle présente un fort aplatissement, plus grand que celui de Jupiter : son rayon équatorial est supérieur de 10,8 p. 100 à son rayon polaire, tandis que celui de Jupiter est supérieur de 6,5 p. 100 au rayon polaire.

Saturne possède également une source d’énergie interne, c’est-à-dire qu’elle émet plus d’énergie (sous forme de rayonnement) qu’elle n’en absorbe en provenance du Soleil. L’origine de cette source interne est cependant différente de celle de Jupiter.

Les sondes Pioneer-11, Voyager-1, Voyager-2 et Cassini ont apporté une abondante moisson d’informations sur la composition, la structure thermique et la dynamique de l’atmosphère extérieure de Saturne. Combinés avec les observations effectuées depuis la Terre – au sol, à bord d’avions ou par le télescope spatial Hubble –, ces résultats permettent de décrire la planète de façon relativement détaillée.

Prenons la fiction d’un observateur venant de l’espace interplanétaire et se dirigeant vers le centre de la planète ; que découvrirait-il ?

Un « nuage » d’hydrogène atomique et peut-être d’hydrogène moléculaire, en forme de tore centré sur Saturne, entoure la planète. Le tore est situé dans le plan équatorial et s’étend entre 8 et 25 rayons saturniens (soit de 480 000 à 1,5 million de kilomètres) et a une épaisseur d’environ 14 rayons saturniens (840 000 km). On pense que ce nuage, dont la densité est de l’ordre de 20 atomes par centimètre cube, provient d’hydrogène échappé de l’atmosphère de Titan puis attiré autour de Saturne par l’attraction gravitationnelle de cette planète. Il est possible que le tore contienne aussi de l’hydrogène moléculaire avec peut-être même une densité plus élevée que celle de l’hydrogène atomique.

L’exosphère, c’est-à-dire l’atmosphère extérieure de Saturne située au-dessus de la zone où les divers constituants gazeux demeurent uniformément mélangés sous l’effet de la turbulence, est à une température de 400 kelvins environ. La densité de l’hydrogène moléculaire croît rapidement au-dessous de 61 400 kilomètres d’altitude, comptée à partir du centre de la planète, c’est-à-dire à environ 1 300 kilomètres au-dessus du niveau de pression 1 atmosphère. Du méthane est probablement présent également dans cette zone.

L’homopause, c’est-à-dire la région au-dessous de laquelle les composants non condensables ou non dissociés par le rayonnement sont uniformément mélangés, se trouve à environ 200 kelvins et à 1 150 kilomètres au-dessus du niveau 1 atmosphère. En dessous de l’homopause, les proportions relatives des deux composants majeurs, l’hélium et l’hydrogène, sont respectivement de 7 p. 100 en volume (14 p. 100 en masse) et de 93 p. 100. Dans Jupiter, les proportions de ces mêmes éléments sont 10 et 90 p. 100. Sont aussi présents dans la stratosphère, c’est-à-dire entre l’homopause et la tropopause située au niveau 0,1 atmosphère, outre le méthane dans une proportion de 1 à 2 millièmes, divers produits de la dissociation du méthane sous l’action du rayonnement ultraviolet solaire : l’acétylène (C2H2), l’éthane (C2H6) et probablement le propane (C3H8) et le méthylacétylène (C3H4). Ces éléments sont en très petite quantité. D’autres molécules plus complexes pourraient aussi avoir été formées. Par ailleurs, la phosphine (PH3) a été détectée, dans une proportion de quelques parties par million, jusqu’au niveau 5 à 10 hectopascals (0,005 à 0,01 atmosphère). Les hydrocarbures formés dans la stratosphère ne devraient pas être présents dans la troposphère, au contraire de la phosphine, qui provient de l’intérieur de la planète.

La température décroît jusqu’à la tropopause, où elle n’est plus que de 85 kelvins, puis recroît continûment à mesure que l’on s’enfonce dans l’intérieur de la planète. L’ammoniac, qui se condense à des températures plus basses que 145 kelvins, se trouve, dans des proportions de quelques dix-millièmes, au-dessous du niveau 1 atmosphère. C’est probablement aussi au-dessous de ce niveau que devraient se situer les nuages colorés que l’on observe. Les informations sur la température des couches troposphériques plus profondes découlent du fait que le rayonnement radioélectrique émis par Saturne provient de ces couches. À 21 centimètres de longueur d’onde, l’émission provient du niveau 10-20 atmosphères, où la température est de l’ordre de 230 kelvins.

Aux plus grandes profondeurs, la structure de Saturne, comme celle de Jupiter, ne peut être déduite que de modèles théoriques qui sont soumis aux contraintes de trois types d’information : il s’agit tout d’abord de la valeur du rapport hydrogène-hélium dans l’atmosphère extérieure, ensuite de l’intensité de la source interne d’énergie, enfin de l’écart à la symétrie du champ gravitationnel rayonné par la planète autour d’elle. Ces trois quantités ont été mesurées avec précision par les sondes.

La mesure du champ gravitationnel donne des informations sur la répartition des masses à l’intérieur de la planète. On en déduit que Saturne doit posséder un noyau dense, solide, composé principalement de silicates et de métaux, et peut-être de glaces d’eau, d’ammoniac et de méthane. Cependant, ce noyau doit être de faible dimension (15 000 km de rayon environ) et sa masse ne devrait pas excéder 10 à 20 masses terrestres.

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