Saturne est surtout connue pour deux choses : ses structures annulaires emblématiques et son vaste système de satellites naturels. Actuellement, 146 lunes et petits satellites ont été découverts en orbite autour de la géante aux anneaux, dont 24 sont des satellites réguliers. Il s’agit notamment des sept plus grandes lunes, Titan, Rhéa, Iapetus, Dione, Téthys, Encelade et Mimas, qui sont des corps glacés censés posséder des océans intérieurs.
De plus, des questions restent en suspens sur l’âge de ces satellites, certains soupçonnant qu’ils se sont formés plus récemment (comme les anneaux de Saturne, vieux de quelques centaines de millions d’années).
Pour répondre à ces questions, une équipe internationale d’astronomes a créé une série de simulations à haute résolution couplées à des estimations améliorées des populations d’objets transneptuniens (TNO).
Cela leur a permis de construire une chronologie des impacts pour les satellites réguliers les plus fortement cratérisés de Saturne : Mimas, Encelade, Téthys, Dioné et Rhéa. Cela a établi des limites d’âge de 4,1 et 4,4 milliards d’années pour les cinq lunes, les deux lunes les plus intérieures semblant plus jeunes que les trois extérieures. Ces résultats pourraient avoir des implications significatives pour notre compréhension de la formation et de l’évolution des marées des lunes dans le système solaire externe.
La recherche a été dirigée par Emily Wai Wong, chercheuse à l’Institut des sciences de la Terre et de la vie (ELSI) de l’Institut de technologie de Tokyo. Elle a été rejointe par Ramon Brasser, professeur agrégé à l’ELSI et à l’Institut de recherche sur les origines du Centre de recherche en astronomie et sciences de la Terre (ORI-RCAES), Stephanie C. Werner, directrice adjointe du Centre d’habitabilité planétaire (PHAB) à l’Université d’Oslo, et la chercheuse principale Michelle R. Kirchoff du Southwest Research Institute (SwRI).
Leur article, « Les anciens satellites réguliers de Saturne », a été publié dans la revue Icare.
Comme aucune mission de retour d’échantillons n’a encore été envoyée vers le système Saturne, il est très difficile d’obtenir des âges précis pour ses satellites. Au lieu de datation radiométrique d’échantillons, Wong et son équipe se sont tournés vers l’établissement d’une chronologie des cratères de ces satellites.
En datant les cratères d’impact à la surface, certaines contraintes générales peuvent être établies quant à la durée d’existence de ces lunes. La première étape de ce processus consistait à modéliser les taux de cratérisation dans le système solaire externe, où la migration des planètes géantes a conduit à des périodes de bombardement par des TNO et d’autres objets déplacés.
Dans un étude précédente, Wong et ses collègues ont mené une simulation chronologique du système solaire externe à partir du début de la migration des planètes géantes, qu’ils ont fixée à 4,5 milliards d’années. Ils ont ensuite utilisé des simulations prédictives de Monte Carlo pour déterminer les densités de cratères attendues, en supposant deux distributions différentes de taille et de fréquence des TNO rencontrant les planètes géantes et leurs satellites. Ceux-ci ont été combinés pour obtenir des âges de surface pour les satellites les plus fortement cratérisés de Jupiter, Saturne et Uranus, allant de 3,8 à 4,4. milliards d’années.
Malheureusement, ces simulations et d’autres précédentes ont souffert d’une mauvaise résolution au cours des 3,5 milliards d’années en raison du nombre limité de planétésimaux dans leurs simulations. Cela les a empêchés d’obtenir des âges précis des satellites avec de faibles densités de cratères (comme Encelade), et les âges dérivés ont montré une variation significative en fonction des deux tailles différentes de TNO. Comme ils le notent dans leur article :
« Dans ce travail, nous avons obtenu une chronologie des cratères plus précise sur les satellites réguliers glacés qui peut être appliquée à toute l’histoire du système solaire. Nous avons calculé l’âge de la surface du modèle pour lesdits satellites pour différents diamètres de cratère à partir d’isochrones d’âge similaires à celles qui existent. pour la Lune et Mars dans le système solaire interne. Nous avons appliqué cette nouvelle chronologie aux satellites saturniens internes pour calculer des âges de surface modèles plus précis de leurs surfaces les plus densément cratérisées.
À partir de là, ils ont calculé de nouveaux âges pour les satellites réguliers de Saturne, qui étaient environ 110 à 300 millions d’années plus vieux que les estimations précédentes obtenues par Wong et ses collègues. Les estimations d’âge qu’ils ont obtenues à partir de cette étude pour les plaines de cratères de Mimas et d’Encelade étaient respectivement de 4,16 Ga et 4,10 Ga, tandis que celles de Téthys, Dioné et Rhéa étaient d’environ 4,4 Ga, avec des incertitudes d’environ 300 millions d’années. Comme ils l’ont écrit, ils ont également noté une tendance intéressante dans ces estimations :
» Quelle que soit l’approche utilisée, l’âge de la surface des satellites suit généralement une tendance croissante avec la distance orbitale, à l’exception de Mimas et Encelade : ces deux satellites intérieurs et plus petits sont inversés et leurs surfaces sont environ 200 millions d’années plus jeunes que celles-là. de Téthys, Dione et Rhéa. »
Ces résultats impliquent que les satellites réguliers de Saturne sont anciens, ce qui a des implications sur leur formation et leur évolution par marée. Les techniques qu’ils ont utilisées sont également applicables aux satellites de Jupiter, d’Uranus et éventuellement de Neptune, permettant aux astronomes d’en apprendre beaucoup sur l’évolution de ces planètes, de leurs satellites et de l’histoire du système solaire.
Plus d’information:
EW Wong et al, les anciens satellites réguliers de Saturne, Icare (2023). DOI : 10.1016/j.icarus.2023.115763. Sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2309.03861