LA MISSION CASSINIHUYGENS PRINCIPAUX RESULTATS Jean MERCIER 2018

LA MISSION CASSINI-HUYGENS PRINCIPAUX RESULTATS © Jean MERCIER 2018 © NASA : https: //www. nasa. gov/sites/default/files/thumbnails/image/pia 21439. jpg

LA MISSION NASA / JPL — http: //history. nasa. gov/SP-533. pdf, Domaine public, https: //commons. wikimedia. org/w/index. php? curid=24563221 Lancés le 15 octobre 1997, le satellite-orbiteur Cassini emportant l'atterrisseur Huygens allait être mis en orbite autour Saturne le 1 er juillet 2004, but final de cette mission. Lors de son long voyage, se rapprochant de Jupiter pour bénéficier de son assistance gravitationnelle, il allait en profiter pour compléter notre connaissance de cette planète sans oublier de faire un petit coucou à l'astéroïde (2685) Mazursky. Sa mission : l'étude de Saturne, de ses satellites et principalement Titan, cible de l'atterrisseur Huygens.

LA MISSION NASA — http: //www. planetary. org/blog/article/00001979/ Au cours de sa mission, la sonde spatiale Cassini a bouclé 293 orbites autour de Saturne et a effectué 127 survols de Titan, 23 d'Encelade et 162 d'autres lunes de la planète géante dans des conditions ayant permis d'effectuer des investigations poussées. 653 gigaoctets de données scientifiques ont été collectées et plus de 450 000 photographies ont été prises

(2685) MAZURSKY - RESULTATS Cet astéroïde découvert en 1981 par Edward Bowell est dédié à Harold Marsursky, géoplanétologue, ayant participé aux programmes Mercury et Apollo, ainsi qu'aux missions Viking et Voyager. Périhélie : 2, 59 ua Aphélie : 2, 83 ua Période de révolution : 4, 12 ans Dimensions : 15 -20 km Masse : ~ 5, 4. 1015 kg Les mesures spectrales effectuées par Cassini semblent infirmer le type spectral S qui lui avait été attribué précédemment. Mazursky vu de 1, 6 Mkm (21/01/2000) NASA/JPL — http: //photojournal. jpl. nasa. gov/mission/Cassini? subselect=Tar get: Masursky:

SURVOL DE JUPITER - OBJECTIFS Début de la campagne d'observation : 01/10/2000 (passage au plus proche à 9700000 km le 30/12/2000. Buts de la campagne : - étudier la magnétosphère de Jupiter ; - prendre des photos (première photo le 1/10 à 84 millions de km – Jupiter remplit le champ total dès 23 millions de km) ; - prendre des photos de l'atmosphère. Fin de la campagne d'observation : 22/03/2001

SURVOL DE JUPITER - RESULTATS Des problèmes techniques n'ont pas permis de réaliser les observations des lunes et anneaux comme elles avaient été programmées. Toutefois, il a pu être réalisé un cliché d'Himalia, l'une des petites lunes de Jupiter dont le diamètre était estimé à 170 km, l'analyse des photos donnant une taille de 150± 20 km x 20 km. L'analyse de la dispersion de la lumière par les particules des anneaux, a révélé la nature irrégulière de celles-ci, laissant conjecturer qu'elles peuvent provenir de l'impact de micro-météorites sur les petits satellites de Jupiter (probablement Métis et Adrastée) qui ont un très faible champ de gravité. http: //photojournal. jpl. nasa. gov/catalog/PIA 02881 Les résultats collectés sur la magnétosphère de Jupiter ont permis de prévoir les dispositifs de protection de la sonde New Horizons, qui était en cours de développement.

SURVOL DE JUPITER - RESULTATS 26 000 photos collectées dont le plus petit détail est de 60 km environ. La grande tache rouge Portait de Jupiter en vraies couleurs mosaîque de 3 x 9 images (RVB) www. nasa. gov/mission_pages/cassini/multimedia/pia 04866. html Credits: NASA/JPL-Caltech/ Space Science Institute De nombreuses photos de son atmosphère ont permis d'observer son comportement dynamique. Il a été observé de nombreuses cellules de tempête (nuages blancs) pratiquement partout. Il a été établi que les ceintures sombres, considérées comme des zones « descendantes » étaient en fait « ascendantes » .

CASSINI – OBJECTIFS - Déterminer la température, les propriétés des nuages et la composition de l'atmosphère de Saturne. - Prendre des images de l'atmosphère de Saturne sur une large gamme de latitudes et longitudes. - Déterminer les émissions thermiques à la longueur d'onde de 2 cm des nuages bas dans l'atmosphère. - Etudier les variations de la concentration en ammoniaque dans les structures de la ceinture. - Mesurer le champ planétaire des vents, y compris ses variations ; réaliser des observations à long terme des structures nuageuses pour voir comment elles grossissent, évoluent et se dissipent. - Déterminer la structure interne ainsi que la rotation de l'atmosphère profonde. - Explorer les propriétés dynamiques jusqu'ici inconnues de l'atmosphère. - Etudier l'ammoniaque en tant que traceur de la circulation atmosphérique. - Déterminer le gradient de température de l'équateur aux pôles, ainsi que les structures longitudinales des nuages bas encore inconnues. - Etudier les variations journalières et les relations entre l'ionosphère et le champ magnétique de la planète. - Déterminer la composition, le flux de chaleur et l'environnement radiatif présent lors de la formation de Saturne et de son évolution. - Investiguer les sources et la nature des éclairs de Saturne. - Comprendre la dynamique de la magnétosphère de Saturne, et les interactions de cette magnétosphère avec les multiples satellites de Saturne, les anneaux et l'atmosphère de Saturne. ( source CNES : https: //cassini-huygens. cnes. fr/fr/CASSINI/Fr/GP_mission. htm)

SATURNE – RESULTATS ATMOSPHERE Les modèles laissaient prévoir un taux d'hélium proche de 28% et 72% pour l'hydrogène, ce qui n'est pas retrouvé dans la mesure du taux d'hélium dans les couches supérieures de l'atmosphère saturnienne. A basse température, l'hélium de transforme en gouttelettes, alors que l'hydrogène s'ionise. Les deux corps ne sont plus miscibles, et la pression importante conduit à la séparation en deux phases. Cassini a permis de déterminer que cette séparation se situe à environ 20 000 km de la surface, soit à 65% du rayon de la planète. http: //photojournal. jpl. nasa. gov/catalog/PIA 08934 Il avait été observé des tempêtes tous les 28 à 29 ans, alors que la période de révolution synodique est de 29, 5 ans. En 2011, une violente tempête fut observée (grande tache blanche). L'eau, plus lourde que l'air saturnien reste en profondeur à quelques centaines de km et emmagasine de l'énergie. Lorsque la surface s'est suffisamment refroidie, le gradient de température surface-intérieur atteint une valeur critique et la convection humide peut s'opérer, générant un gigantesque orage. http: //www. jpl. nasa. gov/news. cfm? release=2011 -203

SATURNE – RESULTATS ATMOSPHERE https: //www. nasa. gov/mission_pages/cassini/images/index. html http: //photojournal. jpl. nasa. gov/catalog/PIA 17652 Le pôle a révélé une étrange structure hexagonale : - côtés de 13 800 km environ ; - période de révolution : 10 h 39 mn ; - au centre un ouragan de 2 000 km de diamètre eniron ; - nuages se déplaçant à plus de 500 km/h

SATURNE – RESULTATS DETERMINATION DE LA PERIODE SIDERALE La connaissance de la période sidérale d'une planète permet d'établir un système de longitude servant de référence pour l'étude des phénomènes physiques qui y sont associés. Malheureusement, pour une planète gazeuse, on ne peut pas le faire en observant le sol, comme pour une planète tellurique. La seule période observable qui est liée à la rotation du cœur de ces planètes est celle de leur champ magnétique. On étudie donc les modulations induites par la rotation du champ magnétique de la planète étudiée sur ses émissions radios naturelles pour connaître sa période de rotation sidérale. La période de rotation de 10 h 39 mn 24 s déterminée par la sonde Voyager n'a pas été confirmée par les mesures faites par l'instrument RPWS/HFR qui a trouvé une période environ 1% plus longue, variant lentement dans le temps. La vitesse de rotation du cœur ne peut pas changer, il faut donc revoir l'interprétation des modulations des émissions radio, à ce jour aucune nouvelle interprétation n'explique réellement la variabilité observée. Si cette période est réellement plus longue que celle déterminée par Voyager, il se pourrait que le système atmosphérique de Saturne soit en « super rotation » (tourne plus vite que le cœur de la planète).

SATURNE – RESULTATS ANNEAUX - FORMATION Composés essentiellement de glace, leur origine est encore mal expliquée : - intrusion d'une lune à l'intérieur de la limite de Roche (zone à l'intérieur de laquelle un satellite commencerait à se disloquer sous l'effet des forces de marée) Près de la limite le corps est déformé par les forces de marée. À l'intérieur de la limite la gravité du fluide n'est plus suffisante pour maintenir la structure du corps, et les forces de marée le désintègrent. Les particules plus proches orbitent plus rapidement que celles plus éloignées. La différence de vitesse orbitale finit par former un anneau à partir des particules du corps initial. - restes du disque d'accrétion de la nébuleuse à partir de laquelle Saturne s'est formée. L'éclat et la pureté de la glace des anneaux laisseraient présager un âge beaucoup plus jeune (environ 100 millions d'années) que Saturne. L'hétérogénéité des matériaux ne permet de trancher définitivement car il y a un un recyclage permanent des matériaux et des apports de micrométéorites.

SATURNE – RESULTATS ANNEAUX - STRUCTURE Domaine public, https: //commons. wikimedia. org/w/index. php? curid=519557 - Découverte de l'anneau G, 5000 km de large à la limite de Janus et Epiméthée ; - Découverte d'arcs (portions d'anneaux) sur les orbites de d'Anthée, Méthone, Palléne ; - Découverte du fait que l'anneau E est alimenté par les geysers d'Encélade ; - Mesure de l'épaisseur des anneaux, qui dans certains ne dépasse pas quelques mètres (3 à 5 m pour les anneaux B et C, 30 à 40 m pour l'anneau A), mais peuvent aller à plusieurs milliers de kilomètres (anneau E).

SATURNE – RESULTATS ANNEAUX - STRUCTURE Explication de la division de Keeler (largeur 42 km) dans l'anneau A, par la découverte d'un satellite Daphnis (9 x 9 x 6 km env. ). Sa rotation provoque des vagues, pouvant atteindre 1, 5 km de haut, sur la bordure extérieure de la division (comme Pan dans la division de Encke). http: //photojournal. jpl. nasa. gov/catalog/PIA 11452 http: //photojournal. jpl. nasa. gov/catalog/PIA 08319 Observation des « spokes » (rayons lumineux) de l'anneau B, découverts par Voyager 1. Ils se déplacent de manière quasi-synchrone avec la magnétosphère de Saturne. Ils apparaissent, puis disparaissent, selon un rythme saisonnier (à l'échelle de l'année Saturnienne). La théorie de leur formation est encore incertaine à ce jour (particules de poussières microscopiques en suspension au-dessus de l'anneau, maintenues à distance par des forces de répulsion électrostatiques).

SATURNE – RESULTATS ANNEAUX - STRUCTURE http: //photojournal. jpl. nasa. gov/catalog/PIA 12684 http: //www. ciclops. org Les déformations de l'anneau F sous l'influence des lunes Prométhée et Pandore, ses satellites bergers qui l'encadre, ont pues être observées.

SATURNE – RESULTATS ANNEAUX - STRUCTURE http: //photojournal. jpl. nasa. gov/catalog/PIA 08329 Cassini a profité de plusieurs occultations, lors d'orbites spécialement faites pour çà, afin de déterminer la répartition et la taille des particules composant les anneaux (par l'étude – variations de fréquence et/ou de phase – des émissions radio émises en direction de la terre), ainsi que la composition de l'atmosphère de Saturne.

SATURNE – RESULTATS MAGNETOSPHERE La connaissance de la magnétosphère de Saturne, depuis les survols de Pionner 11 et de Voyager 1 et 2, restait incomplète. Cassini a permis de déterminer que : - le champ magnétique de Saturne a un axe qui correspond exactement à celui de l'astre, de l'ordre de 21 µT (47 µT au niveau du sol en France) ; - il fluctue de façon importante avec une période de 10 h 47 mn. La magnétosphère de Saturne : - est composée de plasma dont les matériaux provien-nent essentiellement des geysers d'Encélade ; - inter-réagit avec le vent solaire pour former des aurores boréales ; - le rayon de la magnétopause, depuis le centre de l'astre, est de 16 à 27 fois le rayon de saturne ; - l'arc de choc est situé à 27 fois le rayon. http: //photojournal. jpl. nasa. gov/catalog/PIA 06345

LES SATELLITES DE SATURNE Un des objectifs majeurs de la mission Cassini, était d'étudier certaines lunes de Saturne, Titan (objet de la sonde embarquée Huygens), et Encélade, en particulier, ces lunes réunissant les conditions nécessaires à l'apparition de la vie. Cette mission a aussi été l'occasion de visiter d'autres lunes. http: //saturn. jpl. nasa. gov/photos/imagedetails/index. cfm? image. Id=4483

LES SATELLITES DE SATURNE TITAN Titan, découvert par Huygens en 16655, deuxième plus grosse lune du système solaire après Ganymède, est à une distance de 1 222 000 kilomètres de Saturne (soit 20, 2 rayons saturniens) et a un diamètre de 5 151 kilomètres. Titan, vu par Cassini (image recomposée) http: //photojournal. jpl. nasa. gov/jpeg/PIA 20016. jpg L'atterrisseur Huygens sera chargé de se poser sur Titan pour : - déterminer les abondances des constituants de l'atmosphère (gaz rares inclus) ; - observer les distributions verticales et horizontales des gaz en trace ; - mesurer les vents et les températures globales ; - déterminer l'état physique, la topographie et la composition de la surface ; en déduire la structure interne du satellite ; - investiguer la haute atmosphère, son ionisation, ainsi que son rôle en tant que source de matière neutre et ionisée pour la magnétosphère de Saturne. ( source CNES : https: //cassinihuygens. cnes. fr/fr/CASSINI/Fr/GP_mission. htm)

LES SATELLITES DE SATURNE TITAN L'atmosphère de Titan est apparue relativement uniforme avec une brume entre 70 et 30 km de la surface, composée essentiellement de méthane et d'azote. Les pluies sont des pluies de méthane, avec des traces d'hydrocarbure. Un cyclone stagne en permanence au-dessus du pôle Sud. http: //apod. nasa. gov/apod/ap 120724. html

LES SATELLITES DE SATURNE TITAN Lors de l'atterrissage, le sol est apparu de consistance souple, comme du sable ou de la boue. Il est très façonné et présente des traces d'abrasion, d'érosion, des réseaux de chenaux de drainage, des systèmes fluviaux, des lacs asséchés. Pas d'eau, mais du méthane sous forme liquide. http: //www. sciencedaily. com/releases/2009/09/090915202244. htm Vallée fluviale Cratère d'impact

LES SATELLITES DE SATURNE TITAN Cette mission a permis de découvrir Ontario Lacus, lac d'éthane liquide, premier site découvert dans le système solaire avec du liquide en surface. Plusieurs lacs de méthane ont été observés par la suite. http: //photojournal. jpl. nasa. gov/catalog/PIA 09102 Le relief présente des traces d'une éventuelle activité cryovolcanique (commee Sotra Facula ci-contre). http: //photojournal. jpl. nasa. gov/catalog/PIA 13695 Sur son sol, gelé à -180°C, d'innombrables galets de glace

LES SATELLITES DE SATURNE ENCELADE Encélade, fut découvert par William Herschel en 1789. 6ème satellite de Saturne par sa taille (environ 500 km de diamètre) , 14ème par son éloignement (orbite quasicirculaire d'environ 240 000 km de diamètre) se trouvant au sein de l'anneau E, avec une période 1, 37 j. Il se distingue essentiellement, par sa forme, particulièrement lisse, et sa luminosité. http: //photojournal. jpl. nasa. gov/catalog/PIA 06254 23 survols, dont un à 48 km d'altitude, ont permis de mieux observer ce satellite, et préciser ce qui avait pu être entrevu à partir des seuls clichés réalisés par les sondes Voyager 1 en décembre 1980, Voyager 2 en août 1981, et qui laissaient à penser à l'existence d'une activité géologique.

LES SATELLITES DE SATURNE ENCELADE La déformation du champ magnétique de Saturne, à proximité d'Encélade, révèle la présence d'une atmosphère. Les survols rapprochés ont montrés la présence de geysers, qui éjectent à 400 m/s un mélange de glace hydrique et de composés chimiques simples, ce qui laisse supposer l'existence de poches de liquide sous la surface (malgré une température au sol de -200°C). Une partie des matériaux éjectés forme l'anneau E. Le reste retombe sur la surface, les analyses montrent qu'ils contiennent de la silice, ce qui suppose de l'eau à 90°C (l'eau doit donc être en contact avec le noyau rocheux). Image: Enceladus "Cold Geyser" Model PIA 07799. jpg by NASA

LES SATELLITES DE SATURNE ENCELADE http: //photojournal. jpl. nasa. gov/jpeg/PIA 19660. jpg http: //photojournal. jpl. nasa. gov/catalog/PIA 06247 La surface est parcourue de crevasses profondes appelées « rayures de tigre » , d'où émergent les geysers. Elle subit des mouvements tectoniques, provenant vraisemblablement des forces de marée de Saturne. De la mesure du champ de gravité et des mouvements de libration, il a été déduit la présence d'un océan de 10 km de profondeur sous 30 à 40 km de glace au niveau du pôle Sud. Chaleur, eau, composés organiques, tous les ingrédients de la vie !

LES SATELLITES DE SATURNE AUTRES LUNES Cassini a permis de mieux connaître certaines lunes de Saturne : Phoebé se situe à 13 Mkm de Saturne (diamètre 220 km) sur une orbite rétrograde quasi polaire, présente une surface sombre, fortement marquée d'impacts. Ces caractéristiques et sa composition (30% d'eau contre 50% pour les autres lunes), font conjecturer une proto-planète issue de la Ceinture de Kuiper, captée par Saturne. Elle est à l'origine d'un anneau formé par les matériaux arrachés par les impacts. Photo NASA Japet (1500 km de diamètre à 3, 5 Mkm), en rotation synchrone, un équateur bousouflé, a une face sombre (à l'avant dans le sens de son déplacement) due aux matériaux éjectés de Phoebé. http: //photojournal. jpl. nasa. gov/catalog/PIA 06166 Hypérion satellite irrégulier (410 x 260 x 220 km), dont la surface évoque une éponge provient sans doute de la destruction d'un corps plus important. En résonance avec Titan. http: //photojournal. jpl. nasa. gov/catalog/PIA 07740

LES SATELLITES DE SATURNE NOUVELLES LUNES La mission Cassini a permis de découvrir une dizaine de nouvelles lunes de Saturne : Méthone d'environ 3 km à une distance d'environ 194000 km, en résonance 14/15 avec Mimas. Pourrait être constituée de neige. http: //saturn. jpl. nasa. gov/photos/rawimagedetails Pallène 4 km de diamètre environ à 210 000 km. Constitue avec Méthone le groupe des Alcyonides. By NASA -Public Domain, https: //commons. wikimedia. org/w/index. php? curid=57368561 Polux 3, 5 km de diamètre env. à 277000 km. Co-rbitale avec Dioné. Se trouve au point de Lagrange L 5, pouvant s'éloigner de +/- 32° de ce point. By NASA -Public Domain

LES SATELLITES DE SATURNE NOUVELLES LUNES Daphnis 2ème plus proche satellite de Saturne après Pan, 9 x 8, 6 x 6, 2 km à environ 136000 km, se situe à l'intérieur de l'anneau A, provoquant la division de Képler (42 km de largeur), et générant des vagues sur les bords de l'anneau. Anthée 2 km de diamètre environ à 1, 76 Mkm. Fait aussi partie du groupe des Alcyonides. http: //photojournal. jpl. nasa. gov/catalog/PIA 08369 Egéon 0, 5 km de diamètre environ à 167000 km en résonance 7/6 avec Mimas. http: //saturn. jpl. nasa. gov/photos/imagedetails/index. cfm? image. Id=3434 (photos prises à 10 mn d'intervalle)

VERIFICATION DE LA VALIDITE DE LA RELATIVITE GENERALE Lors d'une opposition Terre-Saturne en été 2002 (les deux planètes étaient alors séparées de 1 milliard de km), des chercheurs italiens (Bertotti, Lucciano, Tortora) ont mesurés de déplacement de fréquence d'un signal radio émis depuis le satellite vers la terre. Passant près du soleil, ces ondes ont un chemin modifié par la courbure d'espace lors de leur passage près du soleil, allongé ce qui explique le « shift » de fréquence. Le « retard » du signal permet de tester la théorie d'Einstein. Les résultats obtenus (publiés le 25/09/2013), ont confirmé les prédictions de la théorie avec une précision 50 fois supérieure que les mesures précédentes faites par les sondes Viking. Ils en accord avec la théorie avec une précision de 1 pour 50 000, ne montrant aucune déviation à la théorie, que prévoyait certains modèles cosmologiques. Cassini-science-br. jpg

PRINCIPALES SOURCES : Wikipédia : https: //fr. wikipedia. org/wiki/Cassini-Huygens CNES : https: //cassini-huygens. cnes. fr/fr NASA : https: //www. nasa. gov/mission_pages/cassini/main/index. html ESA : https: //www. nasa. gov/mission_pages/cassini/main/index. html CIEL ET ESPACE n° 555 (septembre-octobre 2017).