Les anneaux de Saturne : leur formation

Vue dans une lunette de moyenne puissance, la planète paraît toujours entourée d'au moins trois anneaux ; celui de l'extérieur, dénommé A ; l'anneau B moyen et enfin l'anneau G intérieur.

C'est l'anneau B qui est de beaucoup le plus apparent ; de teinte dorée, il présente, à sa périphérie extérieure, une forte condensation circulaire brillante qui forme le plus beau contraste avec la raie noire le séparant de l'anneau extérieur. Cette division, large de près de 3000 kilomètres, porte le nom de Cassini, qui la remarqua dès 1675 ; elle correspond à un véritable vide circulaire à travers lequel on peut apercevoir parfois les étoiles et les satellites.

Au delà, c'est l'anneau A, le plus extérieur, de teinte argentée, plus mate et plus grise que celle du précédent. Lui aussi semble divisé par une raie fine notée pour la première fois par Encke: mais cette division, trois fois plus faible que la raie de Cassini, est assez mal définie et ne correspondrait au surplus qu'à un simple amincissement de l'anneau.

En I80O, Bond sig-nala l'existence d'un anneau intérieur aux deux premiers ; son bord interne, qui commence à 11640 kilomètres seulement de la surface équatoriale de Saturne, est surtout nettement visible par contraste avec le fond du ciel; tout l'ensemble apparaît sous la forme d'un anneau laiteux, transparent, et au travers duquel on aperçoit fort bien le disque de Saturne.

Quant à la largeur de chaque anneau et de l'ensemble , voici un Tableau qui résume les données actuelles.

Anneau extéiieurA

Division de Cassini

Anneau moyen B

Anneau sombre C

LARGEUn

LARdEUR TOTALE

18818 kilom.

67 740 kilom.

En somme, l'ensemble des anneaux, y compris la division de Cassini, forme autour de Saturne une ceinture circulaire de 67740 kilomètres de largeur, dont l'orbe extrême se trouve à 141000 kilomètres du centre du globe, en moyenne.

Diiierentes observations faites au moment où les anneaux se présentent par la tranche et la considération de la forme de l'ombre portée sur le globe saturnien ont montré que l'épaisseur des anneaux est loin d'être uniforme : très faible dans l'anneau sombre, celle-ci augmente rapidement dans l'anneau moyen, où elle atteint son maximum un peu avant la division de Cassini. L'anneau extérieur semble plus plat d'une façon générale; mais il est aminci lui-même en sa partie médiane correspondant à la division d'Encke.

On ne peut donc assigner une valeur unique à l'épaisseur des anneaux, et nous resterons plus près de la réalité en disant que cette épaisseur est comprise entre 70 et loO kilomètres.

De quelle nature sont ces anneaux ? Gazeux ou liquides, ils se seraient rapprochés lentement de la planète et se seraient depuis long-temps incorporés à sa masse : un tout solide aurait été voué à une rapide dislocation.

Mécaniquement, ils ne peuvent être constitués que par des particules de petites dimensions, quelque chose comme un essaim de météores, véritables satellites dont chacun accomplit son mouvement de révolution pour son propre compte. Mais alors, si telle est bien la constitution de l'anneau, un corollaire s'impose : d'après les lois de Kepler, les particules intérieures doivent tourner plus vite que les portions extérieures. La vérification d'un tel état de choses n'était pas facile, et cependant la méthode spectroscopique nous a fourni à ce sujet des indications qui ne font aucun doute depuis les expériences de Keeler en 1895 ^ Les durées de révolution des particules obéissent bien à la troisième loi de Kepler ; elles doivent être de 1 3 heures pour les parties extérieures de l'anneau et de 5 h. 30 minutes seulement pour celles du bord interne, qui tournent plus vite que la partie équatoriale de Saturne.

Un tel résultat, disons -le en passant, n'est pas précisément de nature à faire plaisir aux défenseurs des théories cosmog-oniques de Laplace.

« On se souvient en effet que, pour le savant géomètre, écrivais-je récemment, les planètes résultaient de la rupture d anneaux détachés successivement d une sphère en rotation : les satellites étaient issus de leur planète par un mécanisme analogue. Pour illustrer la théorie, on avait même recours à la fameuse expérience de la goutte d'huile de Plateau ; en tournant, disait -on, la goutte primitivement sphérique s'aplatit et prend la forme d'un ellipsoïde de révolution (fig. 128); mais l'aplatissement ne saurait être illimité; l'accélération détache bientôt le bourrelet équatorial sous la forme d'un anneau. Celui-ci peut se rompre; nous avons

' V. Asir. Journal. I, p. 416.

dès lors un satellite ; s'il persiste tel quel, il fig^ure vraiment l'appendice accompagnant Saturne.

« Et c'est là précisément que l'assimilation est injustifiable. Pour conserver la loi des aires, l'anneau doit tourner plus lentement que la sphère dont il s'est détaché ; la même remarque est encore valable pour un satellite. Nous avons vu que tel n'est pas le cas du satellite intérieur de Mars et pas davantage celui de l'anneau saturnien. Force nous est

Figr. 128. — Expérience de Plate;iii.

de conclure que ni l'un ni l'autre ne sont dérivés de leur planète par la voie qu'indiquait Laplace.

« Les petites particules de l'anneau n'ont jamais appartenu au globe de Saturne; ils constituent plutôt les matériaux d'un satellite mort-né, c'est-à-dire qui ne put achever sa formation'. »

Mais revenons à la constitution des anneaux. La théorie satellitaire a fait mieux que résister aux assauts ; elle a pu fournir l'explication des vides et des condensations remarquées dans l'anneau ; les uns et les autres paraissent soumis

1 Th. Moreux : Où en est i Astronomie , p. 174.

à la fameuse loi de commensurabilité que Ki^k^vood^ avait indiquée à propos de la distribution des astéroïdes. Là où nous constatons un rapport simple entre la période de révolution dune particule et celle des quatre premiers satellites, un vide se produit ; le calcul indique que la raréfaction atteint son maximum à la hauteur de la divisisn de Cassini ; celle-là seule paraît, pour cette raison, douée d'une grande stabilité; partout ailleurs, les perturbations s'annulent en partie et, comme pour les astéroïdes, les vides ne sont jamais ni complets, ni constants-.

Il reste cependant un point à éclaircir : la masse totale de 1 anneau est insignifiante, à en juger par les perturbations insensibles qu'elle apporte dans la marche des satellites. Une couche de météorites, même peu épaisse, mais s'étendant sur une couronne dont la largeur surpasse plus de cinq diamètres terrestres, devrait pourtant représenter une quantité de matière appréciable ; il y a donc là une contradiction flagrante.

Ainsi, l'observation réclame pour eux une légèreté spécifique les rapprochant des amas gazeux, et cependant nous avons vu. d'autre part, qu'il faut écarter cette hypothèse. L'antinomie disparaîtrait peut-être si l'on admettait que chaque sphérule satellitaire bien distincte de sa voisine est loin d'avoir atteint son dernier degré de condensation : ce serait une petite atmosphère entourant un noyau plus avancé. Cette explication m'a été suggérée par ce fait que nous voyons de véritables satellites nous présenter un état de ce genre ; tels sont par exemple les quatre gros satellites de Jupiter, dont ïalbedo est comparable à celui de leur planète, indice certain d'une constitution analogue.

120. — Cette question des anneaux de Saturne a donné lieu à des travaux théoriques de tout premier ordre, parmi

' Cf. Méléoric Aslronomy , ch. xii, 1871. Nous en avons aussi parlé plus haut : ch. v, 2« partie, n" 81. ^ V. aussi Mater : Astron. Aachr., n» 2 5 27.

lesquels il faut citer ceux de Roche, de Maxwell, de Hirn et même de Sophie Kowalewski ; mais ceux-ci n'ont vraiment eu pour objet que de mettre en évidence la stabilité de cette étrange couronne. Struve n'avait-il pas annoncé, en 1851, que l'anneau se rapprochait de la planète? En trois siècles, la disparition devait être totale. Les mesures modernes n'ont pas ratifié cette prophétie pessimiste*.

Le phénomène du rapprochement de l'anneau est simplement soumis à une période déterminée : tout comme les orbites des planètes, les trajectoires des milliards de satellites composant la couronne totale se déforment à la façon d'un cerceau élastique. Les mouvements dans la masse sont d'ailleurs extrêmement complexes ; les plus excentriques ont été vite éliminés ; cependant, ceux qui persistent ne sont pas nettement circulaires, et la preuve nous en est fournie par le fait que les anneaux ne sont pas exactement centrés sur le globe. Vues d'ici, les anses ne sont pas toujours symétriques, tant s'en faut ! Nous sommes donc en présence d'un mécanisme d'une extrême complexité, et cela n'est rien en comparaison des obscurités qui entourent l'origine dune aussi singulière formation.

Sans avoir la prétention de fournir une solution complète et définitive du problème , qu'il me soit permis cependant de verser quelques idées nouvelles dans le débat.

La véritable caractéristique du système de Saturne, nous l'avons amplement démontré, est la lenteur avec faquelle il parait s'être formé. Les matériaux se sont acheminés si doucement vers le globe de la planète, qu'ils ont donné lieu au cours de l'évolution, non seulement à de nombreuses agglomérations au sein d'un espace relativement étroit, mais encore à plusieurs satellites fort importants, preuve manifeste d'une attraction moins puissante que celle de Jupiter.

Le petit satellite le plus rapproché de cette dernière planète en est encore à 2,53 rayons équatoriaux, donc un peu

1 V. Observations de Bauxard : Moiith. Kot., 1895, vol. LVI, p. 163.

au delà de cette fameuse limite de Roche à laquelle nous avons déjà fait allusion. Les météores circulant à l'intérieur de l'orbite du satellite le plus proche ont été en partie précipités sur le globe jovien; le reste, à l'heure actuelle, doit sacheminer fort lentement vers les régions équatoriales et tropicales de Jupiter et forme, nous l'avons vu, comme une sorte de couronne à la planète géante : mais la succion a continué d'une façon ininterrompue.

Une attraction moins impérieuse aurait peut-être laissé subsister des traces plus visibles de condensation : la masse jovienne ne la point permis, mais le cas s'est précisément réalisé pour Saturne.

Entre Mimas, distant d'environ 3 rayons équatoriaux de sa planète, et la limite de Roche (2,44 rayons), la place manquait pour un nouveau satellite, cependant que les matériaux continuaient d'affluer : météores épars tournoyant dans un milieu d'abord résistant , ils commencèrent à décrire des trajectoires spiraloïdes qui amenèrent les premiers en contact avec la masse centrale. Mais l'attraction de la planète décroissant très vite avec la distance, on conçoit fort bien qu'à un moment donné l'atïlux des météores fut loin de compenser la précipitation des couches voisines du globe. De là un vide nécessaire amenant une brusque diminution de la résistance. De spiraloïdes, les trajectoires devinrent circulaires, tout au moins peu excentriques, et le phénomène gagna de proche en proche les régions extérieures. Ces manifestations furent nettement périodiques à l'origine; mais, peu à peu, elles s'espacèrent, jusqu'au jour où fut acquise une relative stabilité.

Sans doute un tel mécanisme, aboutissant à la construction d'une large couronne, n'a pas dû être l'apanage exclusif de Saturne ; il s'est produit maintes fois dans tous les systèmes planétaires, au cours de leur évolution, parce qu'il est le résultat inéluctable des lois les plus certaines de la Mécanique céleste. Mais alors, nous sommes en droit de nous demander pour quelle raison, ici, les anneaux ont subsisté, tandis qu ailleurs ils ont disparu.

La réponse à cette dernière question est tout entière contenue dans notre théorie des satellites. Rappelons-nous, en effet, que la formation de ces derniers est essentiellement subordonnée à un mouvement de bascule de la lentille dont ils se sont détachés. Supprimez ce mouvement, et la condensation fait son œuvre : l'ensemble continue régulièrement la contraction commencée; et c'est la vraie raison pour laquelle, nous l'avons amplement constaté, les inclinaisons des orbites chano^ent toujours d'un satellite au suivant. Lors même que nos Ephémérides annoncent des inclinaisons égales, comme pour les satellites proches de Jupiter ou de Saturne, nous n'ignorons pas qu'en réalité, il existe nécessairement de faibles écarts dus aux perturbations de toutes sortes : action mutuelle des corps en présence, renilement équatorial de la planète, attraction du Soleil, etc..

Eh bien 1 le cas est précisément tout différent pour les anneaux de Saturne : les mesures effectuées jusqu'à ce jour nous prouvent que ceux-ci ont leur plan général en coïncidence exacte avec l'équateur de la planète. Cette circonstance existait déjà, cela n'est pas douteux, au moment où les météores composant l'anneau primitif se sont précipités sur le globe; mais, en raison peut-être de leur distribution symétrique, et, en tout cas, de leur nombre notoirement insuffisant, ces amas météoriques ont été impuissants à faire dévier l'axe de la planète ; la coïncidence avec l'équateur n'a donc pas été altérée, donc aucune formation satellitaire n'a pu s'effectuer.

Est-ce à dire que la stabilité actuelle des anneaux de Saturne met ceux-ci à l'abri de toute destruction? Ici encore la théorie et l'observation vont nous fournir d'utiles indications.

L'épaisseur maximum des anneaux est de 150 kilomètres : ce chitfre, généralement adopté, correspond à la partie la plus dense, la zone circulaire située sur le bord externe de l'anneau moyen et limitrophe de la division de Cassini ; mais, un peu avant la dernière disparition de l'anneau, en Novembre 1920, M. W. H. Pickering a opéré une série de

mesures qui tendraient à montrer que lanneau intérieur transparent, bien connu sous le nom d'anneau de crêpe, possède une épaisseur très appréciable et voisine de 3200 kilomètres'. Le fait en lui-même est évidemment plus vrai-; semblable que nos anciennes interprétations. Ainsi, Saturne serait entouré d'une couronne analogue, même comme forme, à celle du Soleil : lanneau que nous lui voyons ne constituerait que la partie médiane la plus dense.

Si telle est la réalité, on conçoit fort bien que les amas météoriques, dispersés dans un large ellipsoïde de révolution très aplati, s'incorporent lentement au globe saturnien; ce sont eux qui, par leur chute oblique à la surface de la planète, y introduisent cette accélération équatoriale déjà constatée sur Jupiter et le Soleil.

Ainsi s'affirme, une fois de plus, la similitude du mécanisme qui façonne les mondes et les achemine sûrement vers la condensation, prélude de la mort, cette fin inéluctable réservée à toute chose contingente.

121. Le système d'Uranus; quatre satellites rétrogrades. — Pour les anciens astronomes, le système solaire se terminait à Saturne; au delà, c'était la région des étoiles. La découverte par W. Herschel, en 1781, de la planète Uranus vint, d'un seul coup, doubler l'empire du Soleil.

Uranus, à sa distance moyenne, est à près de trois milliards de kilomètres de l'astre central; il dépasse même très peu cette distance à son aphélie , grâce à sa faible excentricité (0,046).

Sa masse est près de lo fois celle de la Terre; mais son énorme volume le classe dans les planètes à faible densité. D'ailleurs, à cette grande distance, l'observation est très difficile ; le disque paraît très aplati (1/13 environ), mais les mesures sont assez délicates. La discussion des observations récentes, corrigées de l'irradiation, m'a fait adopter la valeur

' Cf. Revue du Ciel, Août 1921.

de 49000 kilomètres pour le diamètre équatorial, ce qui nous conduit à un volume 52 fois supérieur à celui de la Terre, et, comme la masse nous est connue avec précision par les mouvements des satellites, nous en pouvons conclure à une densité de 1,54.

L'indétermination reste encore sur l'aspect physique de la planète : les bandes diffuses et faibles aperçues par différents

Fig-. 129. — Oi-biles des quatre satellites d'Uranus; le sens de la révolution

est rétrograde.

observateurs offrent trop peu de consistance pour nous permettre des précisions. L'opinion la plus générale est que la planète tournerait sur elle-même en M ou 12 heures environ, continuant ainsi le régime de rotation rapide déjà constaté pour Jupiter et Saturne.

Uranus possède quatre satellites. Les deux plus gros et les plus extérieurs, Titania et Obéron , ont été découverts par \V. Herschel en 1787; x^riel et Umbriel, qui circulent plus près de la planète, ne furent aperçus qu'en 1851 par Lassel. Ce sont tous de petits corps dont le diamètre est compris entre 650 kilomètres (Umbriel) et 1300 kilomètres (Titania); ils opèrent leur révolution dans des plans extrêmement voisins et dont l'inclinaison moyenne par rapport à l'orbite de la planète est de 83 degrés environ. En outre, fait extrêmement remarquable, tous ces satellites sont

22 — Cosmogonie.

animés d'un mouvement de circulation rétrograde (V. 1%. 129).

Nous avons vu comment M. Faye avait tenté de justifier cette particularité ; malheureusement, son explication était fort incomplète. En tablant seulement sur les différences de vitesse orbitale à mesure que nous nous éloi^^nons du Soleil, il doit s'ensuivre que toutes les planètes sont astreintes à tourner dans le sens rétrograde, et les mêmes raisons sont valables pour les satellites. Or telle n'est pas la réalité : en fait, toutes les planètes de Vénus à Saturne sont animées dun mouvement de rotation direct. Quant aux satellites, sur les 22 étudiés dans les pages précédentes, 3 seulement sont rétrogrades et, dans les deux systèmes où nous les avons rencontrés, ces satellites étaient les plus éloignés.

La cause de cette apparente anomalie, nous lavons démontré, réside simplement dans le fait que jusqu'ici l'influence directe a été finalement prépondérante. Gomme, d'autre part, cette influence directe est due, en dernière analyse, à la marée solaire, il est naturel qu'elle diminuât avec la distance, donc qu'elle permît à l'influence rétrograde de toucher les svstèmes éloignés du Soleil : les mondes de Jupiter et de Saturne nont subi ses atteintes qu'à leur périphérie: mais, dIus loin, ce fut sur toute la lentille planétaire qu'elle mit son emprise.

Et c'est précisément ce que nous constatons pour les systèmes d'Uranus et de Neptune.

La lente révolution d'Uranus, qui ne dure pas moins de 84 années, nous montre qu'à cette lointaine distance du Soleil, l'amas planétaire ayant donné naissance à ce système était animé d'un mouvement de rotation direct à peine sensible. La durée de rotation étant, en effet, égale à celle de révolution, l'ellipsoïde uranien ne tournait même pas annuellement de 5 degrés sur lui-même; et ceci est encore un maximum, car, à l'origine, les planètes étaient plus éloignées de l'astre central ; elles ne se sont rapprochées que peu à peu, grâce à la condensation de la nébuleuse. Dans ces conditions, les différences de vitesse orbitales ayant donné

naissance à l'influence rétrograde, quoique faibles à la hauteur d'Uranus, eurent beau jeu, et il n'est pas étonnant qu'elles aient imposé de bonne heure un régime de rotation entièrement rétrograde pour tout le système.

Voilà aussi pourquoi l'axe de la lentille a basculé d'une énorme quantité et c'est précisément ce que Faye avait oublié de nous dire.

Une fois le mouvement général de bascule accompli, la condensation suivit son cours et de lentes oscillations, à faible amplitude, suffirent à détacher les quatre satellites.

Quant au globe même d'Uranus, on avait admis autrefois que l'inclinaison de son équateur différait de 15 à 20 degrés du plan de circulation moyen des satellites ; mais la théorie du mouvement de ces derniers, développée par Tisserand, tend à faire croire à une meilleure coïncidence. La planète tournet-elle sur elle-même dans le sens direct ou bien dans le sens rétrograde , comme l'ont affirmé sans preuves suffisantes tous les vulgarisateurs depuis un demi-siècle? Nous l'ignorons totalement et il faudra de nouvelles observations pour nous fixer à cet égard.

122. Le système de Neptune : un satellite rétrogrnde. — La plupart des considérations précédentes développées au sujet du système d'Uranus sont valables à fortiori pour celui de Neptune situé encore plus loin du Soleil ; il nous paraît donc inutile d'y revenir et nous nous bornerons aux caractéristiques de la planète découverte en Septembre 1846, grâce aux calculs de Le Verrier, et de son unique satellite aperçu à peine un mois plus tard par Lassell.

La distance moyenne de Neptune au Soleil est de 4 milliards et demi de kilomètres . en chiffres ronds , avec une durée de révolution de près de 165 ans. Grâce à son satellite, qui est rétrograde comme ceux d'Uranus, nous connaissons très exactement la masse de la planète. Elle vaut 17 fois celle de la Terre, c'est-à-dire qu'elle est un peu supérieure à celle d'Uranus.

Les mesures récentes lui assignent un diamètre de 50 000 kilomètres, ce qui nous donne un volume d'environ 60 fois celui de notre globe, avec une densité de l,5o.

Ainsi Neptune serait un peu plus g-ros qu'Uranus, mais posséderait la même densité, celle des planètes extérieures, qui plaide pour une constitution gazeuse avec une tempéralure élevée. Il nous faut nous contenter de ces chiffres, car, •étant donné l'éloignement de la planète, l'observation ne nous permet aucune précision, See, en 1899, a bien signalé

Fiy. 130. — Orbite du salellite rétrograde de Neptune.

l'existence d'une bande équatoriale nuageuse qui occupait, disait-il, la position prévue par la théorie; mais Barnard, avec le puissant télescope de l'Observatoire Lick, fut toujours dans l'impossibilité de distinguer semblable objet.

En discutant les observations des mouvements de l'unique satellite de Neptune, Tisserand et Newcomb sont arrivés, chacun de leur côté, à des conclusions identiques. Le satellite, animé d'un mouvement rétrograde, présente une orbite inclinée de 43° 10' sur celle de Neptune et de 20 degrés par rapport à l'équateur de ce dernier (fig. 128). La planète n'aurait qu'un faible aplatissement de l/8o, ce qui milite en faveur d'une rotation lente (fig. 130).

Sous ce dernier rapport, Neptune ferait donc exception parmi les planètes extérieures qui, nous l'avons vu, tournent

toutes très rapidement. Cette assertion toutefois mérite plus ample examen ; les observations plus récentes de Maxwell Hall (1883-84) tendent à faire croire, en elîet, que la planète possède une rotation dont la durée serait voisine de 8 heures. Tout cela est très vague et très imprécis, comme les taches du disque de Neptune, qui ne nous permettent même pas de connaître le sens de rotation de cette planète lointaine. Nous donnons ici les principaux éléments des satellites des deux planètes précédentes.