Fine-Scale Structures in Saturn's Rings:\\Waves, Wakes and Ghosts - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2011

Fine-Scale Structures in Saturn's Rings:\\Waves, Wakes and Ghosts

Interactions Disque-Satellites dans les Anneaux de Saturne

Kévin Baillié

Résumé

The Cassini mission provided wonderful tools to explore Saturn, its satellites and its rings system. The UVIS instrument allowed stellar occultation observations of structures in the rings with the best resolution available (around 10 meters depending on geometry and navigation), bringing our understanding of the physics of the rings to the next level. In particular, we have been able to observe, dissect, model and test the interactions between the satellites and the rings. We first looked at kilometer-wide structures generated by resonances with satellites orbiting outside the main rings. The observation of structures in the C ring and their association with a few new resonances allowed us to estimate some constraints on the physical characteristics of the rings. However, most of our observed structures could not be explained with simple resonances with external satellites and some other mechanism has to be involved. We located four density waves associated with the Mimas 4:1, the Atlas 2:1, the Mimas 6:2 and the Pandora 4:2 Inner Lindblad Resonances and one bending wave excited by the Titan -1:0 Inner Vertical Resonance. We could estimate a range of surface mass density from $0.22 ~(\pm 0.03)~$ to $1.42 ~(\pm 0.21)~\mathrm{g~cm^{-2}}$ and mass extinction coefficient from $0.13~(\pm 0.03)$ to $0.28~(\pm 0.06)~\mathrm{cm^{2}~g^{-1}}$. These mass extinction coefficient values are higher than those found in the A ring (0.01 -- 0.02 $\mathrm{cm^{2}~g^{-1}}$) and in the Cassini Division (0.07 -- 0.12 $\mathrm{cm^{2}~g^{-1}}$ from Colwell et al. (2009), implying smaller particle sizes in the C ring. We can therefore imagine that the particles composing these different rings have either different origins or that their size distributions are not primordial and have evolved differently. We also estimate the mass of the C ring to be between $3.7~(\pm 0.9)\times 10^{16} ~\mathrm{kg}$ and $7.9~(\pm 2.0)\times 10^{16} ~\mathrm{kg}$, equivalent to a moon of $28.0 ~(\pm 2.3)$ km to $36.2 ~(\pm 3.0)$ km radius (a little larger than Pan or Atlas) with a density comparable to the two moons (400 $\mathrm{kg~m^{-3}}$). From the wave damping length and the ring viscosity, we also estimate the vertical thickness of the C ring to be between $1.9 ~(\pm 0.4)$ m and $5.6 ~(\pm 1.4)$ m, which is consistent with the vertical thickness of the Cassini Division (2 -- 20 m) from Tiscareno et al. (2007) and Colwell et al. (2009). Conducting similar analysis in the A, B rings and in the Cassini Division, we were able to estimate consistent masses with previous works for the these rings. We then investigated possible interactions between the rings and potential embedded satellites. Looking for satellite footprints, we estimated the possibility that some observed features in the Huygens Ringlet could be wakes of an embedded moon in the Huygens gap. We discredited the idea that these structures could actually be satellite wakes by estimating the possible position of such a satellite. Finally, we observed a whole population of narrow and clear holes in the C ring and the Cassini Division. Modeling these holes as depletion zones opened by the interaction of a moonlet inside the disk material (this signature is called a "propeller"), we could estimate a distribution of the meter-sized to house-sized objects in these rings. Similar objects, though an order of magnitude larger, have been visually identified in the A ring. In the C ring, we have signatures of boulders which sizes are estimated between $\rcmin$ and $\rcmax$ m, whereas similar measures in the Cassini Division provide moonlet sizes between $\rcdmin$ and $\rcdmax$ m. Using numerical simulations for the propeller formation, we estimate that our observed moonlets belong to a population of bigger particles than the one we thought was composing the rings: Zebker et al. (1985) described the ring particles population as following a power-law size distribution with cumulative index around 1.75 in the Cassini Division and 2.1 in the C ring. We believe propeller boulders follow a power-law with a cumulative index of 0.6 in the C ring and 0.8 in the Cassini Division. The question of whether these boulders are young, ephemeral and accreted inside the Roche limit or long-lived and maybe formed outisde by fragmentation of a larger body before migrating inward in the disk, remains a mystery. Accretion and fragmentation process are not yet well constrained and we can hope that Cassini extended mission will still provide a lot of information about it.
La mission Cassini fourmille d'outils de haute précision pour l'exploration de Saturne, de ses satellites et de son système d'anneaux. L'instrument UVIS permet d'analyser la structure des anneaux par l'observation d'occultations stellaires. Il dispose pour cela de la meilleure résolution spatiale disponible (de l'ordre de la dizaine de mètres, variable avec la géométrie de l'occultation et la navigation de la sonde), ce qui permet de mieux comprendre la physique inhérente aux anneaux. En particulier, nous avons été à même d'observer, disséquer, modéliser et valider les interactions entre les anneaux et les satellites. Nous nous sommes intéressés dans un premier temps à des structures larges de quelques kilomètres, créées par des résonances avec des satellites extérieurs aux anneaux principaux. L'observation de telles structures dans l'anneau C, ainsi que l'association de certaines avec des résonances nous a permis de contraindre les paramètres physiques des anneaux. Cependant, la plupart des structures observées ne peuvent être expliquées par de simples résonances avec des satellites extérieurs, même si nous ne connaissons pas les autres mécanismes pouvant générer de telles signatures. Nous avons identifié 4 ondes de densité associées aux résonances de Linblad interne 4:1 avec Mimas, 2:1 avec Atlas, 6:2 avec Mimas ou 4:2 avec Pandore, ainsi qu'une onde verticale nodale, la Titan -1:0. En modélisant la relation de dispersion de ces ondes, nous avons pu déterminer la densité de masse surfacique (entre $0.22 ~(\pm 0.03)~$ to $1.42 ~(\pm 0.21)~\mathrm{g~cm^{-2}}$) et les coefficients d'extinction massique (entre $0.13~(\pm 0.03)$ et $0.28~(\pm 0.06)~\mathrm{cm^{2}~g^{-1}}$). Ces valeurs, plus grandes que dans l'anneau A et la Division de Cassini où Colwell et al., 2009 avait déterminé des coefficients d'extinction massiques de 0.01 -- 0.02 $\mathrm{cm^{2}~g^{-1}}$ dans l'anneau C et 0.07 -- 0.12 $\mathrm{cm^{2}~g^{-1}}$ dans la Division de Cassini, indiqueraient des particules plus petites dans l'anneau C. On peut alors emettre l'hypothèse que soit les particules des différents anneaux ont différentes origines, soit les présentes distributions ne sont pas primordiales et ont subi des évolutions différentes. La masse de l'anneau C est estimée équivalente à celle d'un satellite d'une trentaine de kilomètres de rayon, avec une densité proche de celle de Pan ou Atlas tandis que son épaisseur serait comprise entre 2 et 6 mètres. En appliquant une analyse similaire aux autres anneaux principaux, nous avons pu également déterminer leurs masses, en accord avec les précédentes études. L'étude des sillages de satellites tels que Pan ou Daphnis nous a permis d'invalider la presence de lune suffisament grosse dans la division de Huygens pour créer des sillages dans l'annelet Huygens. Cependant, nous avons observé une population de trous nets dans l'anneau C et la Division de Cassini. Nous interprétons ces "ghosts" comme les zones de vide créées autour de petites lunes au sein des anneaux (ces signatures, en forme de "S", sont appelées "propellers"). Plus petits que les propellers observés dans l'anneau A, ceux-là seraient larges de quelques dizaines de centimètres à quelques dizaines de mètres. Au moyen de simulations numériques et d'algorithmes de Monte-Carlo, nous avons montré que ces propellers définissent une seconde population de particules, ne pouvant être interprétée comme une prolongation des distributions de particules proposées par Zebker et al., 1985: nous estimons des indices de lois de puissance pour ces distributions cumulatives de taille de particules autour de 0.8 pour la Division de Cassini et 0.6 pour l'anneau C (au lieu de respectivmeent 1.75 et 2.1). La question de l'âge et de la durée de vie de ces propellers rejoint celle de leur formation: ont-ils été formés par accrétion ou ont-ils migré dans les anneaux après fragmentation d'un corps plus massif? Espérons que la prolongation de la mission Cassini pourra apporter des élements pour trancher sur l'origine des ces lunes.
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Dates et versions

tel-00649872 , version 1 (08-12-2011)
tel-00649872 , version 2 (13-10-2015)

Licence

Paternité - Pas d'utilisation commerciale - Pas de modification

Identifiants

  • HAL Id : tel-00649872 , version 2

Citer

Kévin Baillié. Fine-Scale Structures in Saturn's Rings:\\Waves, Wakes and Ghosts. Earth and Planetary Astrophysics [astro-ph.EP]. Université Paris-Diderot - Paris VII; University of Central Florida, 2011. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00649872v2⟩
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