Saturn's rings revisited by the images of the CASSINI spacecraft: Dynamical evolution of the F ring and photometric study of the main rings
Les anneaux de Saturne revisités par les images de la sonde spatiale Cassini : Evolution dynamique de l'anneau F et étude photométrique des anneaux principaux
Résumé
In the Solar system, the planetary rings represent a fantastic opportunity of studying a majority of phenomena taking place in the thin discs. One can find discs at all redshifts and on all scales of the Universe. Planetary discs are very different~: among the jovian rings, one finds a halo of fine and diffuse dust; the rings of Uranus are very compact, like radially confined strings and the system of rings of Neptune consists of azimuthally stable arcs. However our interest goes on Saturn which has the most complex and widest system of rings known to date~: 484.000 km and a vertical extension which increases with the distance to Saturn (typically less than 1km to 10.000 km). The interest of such a matter organization around Saturn plus its many moons (more than one forty including 8 of a size of several hundreds kilometers) gave birth to the exploration mission CASSINI, supposed to allow the development and the refinement of models set up at the flybies of the two interplanetary probes VOYAGER. The CASSINI Mission began its nominal tour on january, 15th 2005 after the orbital insertion the 1st july 2004 and the dropping of HUYGENS probe on january, 14th 2005 on Titan's surface. The purpose of this thesis consists to revisite two subjects unsolved of long date in the photometric and dynamic behaviours of the Saturn's rings.
In a first part, we try to solve the problem of accretion of matter within the Roche limit by studying the F ring. This ring, since its discovery in 1979 by Pioneer 11, is involved in a most various dynamic theories to explain its complex multi-radial structure and its variable azimuthal structure.
We showed that the multi-radial structure of this ring can be understood by the existence of a spiral which is rolled up around a central area, bright, eccentric and inclined~: the core. The lifespan of this spiral is not the same one as the core, suggesting that the processes which create the spiral are periodic.
Moreover, we showed that the structure of the core is roughly stable on a scale of one year, but is very unstable on a shorter spatial and temporal scales, which is explained by multiple interactions with the satellite Prometheus and the ephemeris satellites. May be that these satellites came from the core and re-interact with him. Additional observations are necessary to refine this theory.
In a second part, we were interested in photometry of the Saturn's rings i.e. to the way that the ring particles reflect sunlight.
We were interested on the one hand in the opposition effect, an intense brightness observed in the main rings for the first time in 1878 by Müller at zero phase angle (the angle between the Sun, the rings and the observer), and which since was vainly explained by geometric optics theories (in particular by the means of the theory of shadow hiding). The use of models combining geometric optics and quantum optics (thanks to the theory of the coherent backscattering which allow to Philip Anderson to receive the Physics Nobel Prize in 1977) made it possible to understand a part of the opposition effect observed in the Saturn's rings. We show that five generally assertions on the shadow hiding and the coherent backscattering used by the community are false. Our study of the opposition surge caused by the coherent backscattering also showed than the taking into account of vectorial nature of light is necessary to understand this quantum phenomenon.
In addition, we studied the overall photometric behaviour of the Saturn's rings by obtaining for the first time the full phase curves, going from 0° to 180° of phase angle, at several optical wavelengths. We showed that the rings have the widest range of albedo and anisotropy of all planetary objects joined together. This could be explained by size distributions, compositions and very different filling factors, which we determined thanks to some photometric models and which are in agreement with dynamic simulations and hydrodynamic analytical computations.
In a first part, we try to solve the problem of accretion of matter within the Roche limit by studying the F ring. This ring, since its discovery in 1979 by Pioneer 11, is involved in a most various dynamic theories to explain its complex multi-radial structure and its variable azimuthal structure.
We showed that the multi-radial structure of this ring can be understood by the existence of a spiral which is rolled up around a central area, bright, eccentric and inclined~: the core. The lifespan of this spiral is not the same one as the core, suggesting that the processes which create the spiral are periodic.
Moreover, we showed that the structure of the core is roughly stable on a scale of one year, but is very unstable on a shorter spatial and temporal scales, which is explained by multiple interactions with the satellite Prometheus and the ephemeris satellites. May be that these satellites came from the core and re-interact with him. Additional observations are necessary to refine this theory.
In a second part, we were interested in photometry of the Saturn's rings i.e. to the way that the ring particles reflect sunlight.
We were interested on the one hand in the opposition effect, an intense brightness observed in the main rings for the first time in 1878 by Müller at zero phase angle (the angle between the Sun, the rings and the observer), and which since was vainly explained by geometric optics theories (in particular by the means of the theory of shadow hiding). The use of models combining geometric optics and quantum optics (thanks to the theory of the coherent backscattering which allow to Philip Anderson to receive the Physics Nobel Prize in 1977) made it possible to understand a part of the opposition effect observed in the Saturn's rings. We show that five generally assertions on the shadow hiding and the coherent backscattering used by the community are false. Our study of the opposition surge caused by the coherent backscattering also showed than the taking into account of vectorial nature of light is necessary to understand this quantum phenomenon.
In addition, we studied the overall photometric behaviour of the Saturn's rings by obtaining for the first time the full phase curves, going from 0° to 180° of phase angle, at several optical wavelengths. We showed that the rings have the widest range of albedo and anisotropy of all planetary objects joined together. This could be explained by size distributions, compositions and very different filling factors, which we determined thanks to some photometric models and which are in agreement with dynamic simulations and hydrodynamic analytical computations.
Les anneaux planétaires représentent une fabuleuse opportunité d'étudier à portée de main une majorité de phénomènes ayant lieu dans les disques fins. Que ce soient les disques galactiques, les disques circumstellaires ou les disques d'accrétion, on retrouve à tous les redshifts et à toutes les échelles de l'Univers des disques.
Depuis l'arrivée de l'orbiteur spatial Cassini autour de Saturne en juillet 2004, notre connaissance des disques planétaires s'est considérablement accrue et un long travail s'amorce pour comprendre tous les phénomènes qui y sont observés en temps réel. Ceci est dû aux observations effectuées par Cassini qui sont inédites et uniques en termes de résolution spatiale, sensibilité, variété des géométries d'illumination et suivi temporel.
Parmi ces phénomènes, deux tout à fait exceptionnels ont été choisis pour l'élaboration de la thèse que je vais vous présenter.
Une première partie porte sur un anneau à l'activité dynamique particulièrement importante : l'anneau F. Cet anneau, depuis sa découverte en 1979 par la sonde interplanétaire Pioneer 11, a suscité les théories dynamiques les plus diverses pour expliquer sa structure multi-radiale complexe et sa structure azimutale variable.
J'ai montré que la structure multi-radiale de cet anneau pouvait être comprise par l'existence d'une spirale qui s'enroule autour d'une région centrale, brillante, excentrique et inclinée : le cœur. La durée de vie de cette spirale n'est pas la même que le cœur, suggérant que les processus qui créent la spirale sont périodiques.
De plus, la structure du cœur est stable à grande échelle sur près d'un an, mais est très instable sur une plus courte échelle spatiale et temporelle, ce qui s'explique par des interactions multiples avec le satellite Prométhée et des satellites éphémères. Grâce à la meilleure caractérisation de la géométrie du cœur, j'ai pu montrer que ces satellites éphémères croisent plusieurs fois par an l'orbite du cœur, ce qui pourrait expliquer la courte durée de vie de ces petits objets (~ 10 km) d'une part et leur rôle dans la création de la structure spiralée d'autre part.
La seconde partie est consacrée à la photométrie des anneaux de Saturne et à une surbrillance particulière observée lorsque le Soleil et l'observateur sont alignés : l'effet d'opposition. Cette surbrillance a été observée dans les anneaux principaux pour la première fois en 1878 par Müller, et est demeurée jusqu'à présent profondément mystérieuse. L'utilisation de modèles préexistants couplant l'optique géométrique et l'optique quantique (grâce à la théorie de la rétro-diffusion cohérente qui a valu à Philip Anderson le Prix Nobel de Physique en 1977) a permis de comprendre une partie de l'effet d'opposition dans les anneaux de Saturne. J'ai pu toutefois démontrer que cinq hypothèses généralement admises sur le masquage des ombres et la rétro-diffusion cohérente sont inexactes, ce qui souligne les insuffisances des modèles actuels de l'effet d'opposition.
Enfin, grâce à la qualité et la diversité des observations de Cassini, j'ai pu obtenir des informations sur la nature et l'état de surface des particules des anneaux. Pour la première fois, à l'aide d'inversion des courbes de phase avec des modèles photométriques analytiques, l'albédo, l'anisotropie, la rugosité macroscopique, la taille effective des grains et des particules ont pu être déterminées et corrélées avec la profondeur optique des anneaux. Ces valeurs montrent d'une part que les anneaux de Saturne possèdent une gamme de comportements photométriques plus large que celle de tous les objets planétaires réunis. D'autre part, la perspective d'expliquer ces comportements photométrique via la dynamique semble être une issue incontournable. Des simulations photométriques et dynamiques futures devraient permettre d'aller dans ce sens.
Depuis l'arrivée de l'orbiteur spatial Cassini autour de Saturne en juillet 2004, notre connaissance des disques planétaires s'est considérablement accrue et un long travail s'amorce pour comprendre tous les phénomènes qui y sont observés en temps réel. Ceci est dû aux observations effectuées par Cassini qui sont inédites et uniques en termes de résolution spatiale, sensibilité, variété des géométries d'illumination et suivi temporel.
Parmi ces phénomènes, deux tout à fait exceptionnels ont été choisis pour l'élaboration de la thèse que je vais vous présenter.
Une première partie porte sur un anneau à l'activité dynamique particulièrement importante : l'anneau F. Cet anneau, depuis sa découverte en 1979 par la sonde interplanétaire Pioneer 11, a suscité les théories dynamiques les plus diverses pour expliquer sa structure multi-radiale complexe et sa structure azimutale variable.
J'ai montré que la structure multi-radiale de cet anneau pouvait être comprise par l'existence d'une spirale qui s'enroule autour d'une région centrale, brillante, excentrique et inclinée : le cœur. La durée de vie de cette spirale n'est pas la même que le cœur, suggérant que les processus qui créent la spirale sont périodiques.
De plus, la structure du cœur est stable à grande échelle sur près d'un an, mais est très instable sur une plus courte échelle spatiale et temporelle, ce qui s'explique par des interactions multiples avec le satellite Prométhée et des satellites éphémères. Grâce à la meilleure caractérisation de la géométrie du cœur, j'ai pu montrer que ces satellites éphémères croisent plusieurs fois par an l'orbite du cœur, ce qui pourrait expliquer la courte durée de vie de ces petits objets (~ 10 km) d'une part et leur rôle dans la création de la structure spiralée d'autre part.
La seconde partie est consacrée à la photométrie des anneaux de Saturne et à une surbrillance particulière observée lorsque le Soleil et l'observateur sont alignés : l'effet d'opposition. Cette surbrillance a été observée dans les anneaux principaux pour la première fois en 1878 par Müller, et est demeurée jusqu'à présent profondément mystérieuse. L'utilisation de modèles préexistants couplant l'optique géométrique et l'optique quantique (grâce à la théorie de la rétro-diffusion cohérente qui a valu à Philip Anderson le Prix Nobel de Physique en 1977) a permis de comprendre une partie de l'effet d'opposition dans les anneaux de Saturne. J'ai pu toutefois démontrer que cinq hypothèses généralement admises sur le masquage des ombres et la rétro-diffusion cohérente sont inexactes, ce qui souligne les insuffisances des modèles actuels de l'effet d'opposition.
Enfin, grâce à la qualité et la diversité des observations de Cassini, j'ai pu obtenir des informations sur la nature et l'état de surface des particules des anneaux. Pour la première fois, à l'aide d'inversion des courbes de phase avec des modèles photométriques analytiques, l'albédo, l'anisotropie, la rugosité macroscopique, la taille effective des grains et des particules ont pu être déterminées et corrélées avec la profondeur optique des anneaux. Ces valeurs montrent d'une part que les anneaux de Saturne possèdent une gamme de comportements photométriques plus large que celle de tous les objets planétaires réunis. D'autre part, la perspective d'expliquer ces comportements photométrique via la dynamique semble être une issue incontournable. Des simulations photométriques et dynamiques futures devraient permettre d'aller dans ce sens.