Saturne : Cassini découvre une nouvelle ceinture de radiations

Il y a environ un an, une plongée spectaculaire dans la haute atmosphère de Saturne a mis fin à la mission Cassini, et à un projet unique qui a étudié le système saturnien pendant 13 ans. Au cours des cinq derniers mois de la mission la sonde a plongé 22 fois dans la région jusque-là presque inexplorée, située entre la planète et son anneau le plus interne, l’anneau D. La revue Science vient de publier une série d’articles décrivant les premiers résultats de cette dernière phase de la mission. Dans un de ces articles une équipe de recherche internationale, impliquant l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP / OMP, CNRS / Université de Toulouse III Paul Sabatier), montre qu’une ceinture de radiations, contenant des protons d’énergies extrêmes, se forme entre la planète et ses anneaux denses. Comme pour la ceinture de protons principale, les protons qui peuplent la région proche de la planète sont générés par le rayonnement cosmique incident. En raison de la présence des anneaux A, B et C, particulièrement denses, cette zone est découplée de la ceinture de radiations principale ainsi que du reste de la magnétosphère.

Lorsque la sonde spatiale Cassini est entrée en orbite autour de Saturne, le 1erjuillet 2004, la suite de détecteurs de particules de l’expérience MIMI (Instrument d’imagerie magnétosphérique), au développement de laquelle l’IRAP a contribué, a eu un bref aperçu de la région située entre la planète et l’anneau D (le plus interne). Les mesures avaient indiqué qu’une population de particules chargées pouvait être présente, mais sa composition et ses propriétés restaient obscures. Au cours des années suivantes l’expérience MIMI a étudié les particules piégées par le champ magnétique de Saturne à l’extérieur des anneaux, formant la ceinture de radiations principale qui est composée de protons et d’électrons de haute énergie. La ceinture de radiations protonique est fortement influencée par les nombreuses lunes de Saturne, qui la segmentent en cinq secteurs. « Seulement 13 ans plus tard nous avons eu la possibilité de suivre nos toutes premières mesures à Saturne et de voir si un secteur supplémentaire de la ceinture de radiations coexistait avec l’anneau D et la haute atmosphère de la planète », explique Elias Roussos, chercheur au MPS et auteur principal de l’étude.

Comme pour la ceinture de protons principale de Saturne, les protons qui peuplent la région proche de la planète sont générés par le rayonnement cosmique incident. Lorsque ce rayonnement interagit avec des matériaux présents dans l’atmosphère de Saturne ou dans ses anneaux, il déclenche une chaîne de réactions générant des protons de haute énergie, qui sont ensuite piégés par le champ magnétique de la planète. «Le rayonnement cosmique et les anneaux «collaborent» pour créer cette ceinture de radiations minuscule mais très énergétique», ajoute Anna Kotova, chercheuse à l’IRAP et une des coauteurs principaux de cette étude.

Pendant sa dernière phase de mission la sonde Cassini est rentrée dans la région située entre Saturne et l’anneau D, le long de la trajectoire en orange. L’accumulation de protons observée s’étend à travers l’anneau D. Alors que l’intensité des protons est visiblement réduite aux anneaux D68 et D73, l’anneau D72 n’a pratiquement aucune influence. © MPS / JHUAPL

Le champ magnétique de Saturne près de la planète est si intense qu’il rend le piégeage des protons extrêmement efficace et ils interagissent en permanence avec l’anneau D et l’atmosphère saturnienne. Les mesures de l’expérience y ont révélé une accumulation stable de protons énergétiques qui s’étend de l’atmosphère de Saturne à l’ensemble de l’anneau D. L’énergie dont disposent certains de ces protons est extrême. Dans le système solaire, cette région est unique.

Grâce aux mesures de l’expérience MIMI une ceinture de radiations secondaire, formée par des protons de plus faible énergie et située à une altitude plus basse, a également été découverte. Cette ceinture se forme lorsque des atomes d’hydrogène neutres rapides, créés dans la magnétosphère de Saturne, sont ionisés et piégés près de la planète. «Cette ceinture basse altitude n’a été observée que brièvement en 2004. Nous avons dû attendre 13 ans pour répéter ces mesures et valider nos théories sur les processus physiques responsables de cette ceinture», déclare Iannis Dandouras, chercheur à l’IRAP et co-investigateur de l’équipe MIMI.

Au cours des 13 années passées à Saturne, l’expérience MIMI, développée en collaboration entre l’Université Johns Hopkins, l’institut Max Planck, l’Université de Maryland et l’IRAP, a été l’un des moyens les plus complets pour étudier une magnétosphère planétaire géante et ses ceintures de radiations, qui constituent un cas à part dans notre système solaire.

Ressources complémentaires

• Publication scientifique : Elias Roussos, Peter Kollmann, Norbert Krupp, Anna Kotova, Leonardo Regoli, Chris Paranicas, Donald Grant Mitchell, Stamatios M. Krimigis, Douglas Hamilton, Pontus Brandt, James Carbary, Steve Christon, Kostas Dialynas, Iannis Dandouras, Matthew Hill, Wing-Huen Ip, Geraint Jones, Stefano Livi, Barry Mauk, Benjamin Palmaerts, Edmond Roelof, Abigail Rymer, Nick Sergis, Thomas Smith (2018) A radiation belt of energetic protons located between Saturn and its rings, Science, doi: 10.1126/science.aat1962
• Article de Presse : Grand final de Cassini : une nouvelle ceinture de radiation pour Saturne, Futura Sciences

Contact IRAP

• Iannis Dandouras, Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP / OMP, CNRS / Université Paul Sabatier-Toulouse III), iannis.dandourasSPAMFILTER@irap.omp.eu, 05 61 55 83 20