Champ magnétique, magnétosphère et aurores de Saturne
Les aurores de Saturne et sa magnétosphère naissent d'un champ magnétique engendré dans sa couche profonde d'hydrogène métallique liquide. Son moment magnétique total vaut environ 580 fois celui de la Terre, même si, au sommet des nuages, le champ est un peu plus faible que celui que l'on mesure à la surface terrestre. Sa particularité la plus frappante est son alignement : l'axe magnétique s'écarte de moins de 0,01° de l'axe de rotation, une symétrie que la théorie de la dynamo peine à expliquer. Ce champ délimite une immense magnétosphère remplie d'un plasma issu de l'eau d'Encelade et canalise les particules vers les pôles, où elles allument des aurores ultraviolettes et infrarouges.
Sommaire
Découverte et intensité
Le champ magnétique de Saturne a été mesuré directement pour la première fois par Pioneer 11, lors de son survol du 1er septembre 1979 ; jusque-là, son existence n'était qu'une déduction indirecte. Les survols des sondes Voyager en 1980 et 1981 ont affiné le tableau, puis Cassini, en orbite de 2004 à 2017, l'a cartographié en détail, jusqu'aux 22 orbites du Grand Final entre la planète et les anneaux.
À l'équateur, au niveau de 1 bar, le champ atteint environ 21 microteslas, un peu moins que les quelque 30 microteslas de l'équateur terrestre. Mais Saturne est si grande que son moment magnétique total, qui mesure la puissance de l'aimant dans son ensemble, vaut environ 580 fois celui de la Terre. Seule Jupiter fait mieux. Ce champ provient d'une dynamo : convection et rotation de la couche d'hydrogène métallique conductrice, loin sous les nuages, entretiennent des courants électriques qui le produisent. Voir la structure interne.
Un champ trop symétrique
L'axe magnétique de la Terre est incliné d'environ 10° sur son axe de rotation, celui de Jupiter aussi, et ceux d'Uranus et de Neptune d'environ 59° et 47°. Celui de Saturne, mesuré lors du Grand Final et publié par Michele Dougherty et ses collègues en 2018, l'est de moins de 0,01°. En pratique, le champ est parfaitement axisymétrique. Son centre est cependant décalé un peu au nord du centre de la planète, de quelques pour cent du rayon de Saturne.
Cette symétrie est une énigme. Un théorème de la magnétohydrodynamique, le théorème de Cowling, établit qu'un champ parfaitement axisymétrique ne peut pas être entretenu par une dynamo. L'explication la plus répandue, avancée par David Stevenson au début des années 1980, fait intervenir une couche stratifiée située au-dessus de la région de la dynamo, peut-être liée à la pluie d'hélium : en tournant à une vitesse différente, elle filtrerait les composantes non symétriques du champ et ne laisserait passer vers l'extérieur que la partie symétrique. La dynamo elle-même pourrait donc être inclinée sans que nous puissions le voir.
Cette symétrie a eu une conséquence très concrète : faute de champ oscillant servant de phare, mesurer la durée du jour sur Saturne est devenu un casse-tête, résolu seulement en 2019 grâce à la sismologie des anneaux.
La magnétosphère et son plasma
Le champ magnétique creuse dans le vent solaire une bulle protectrice, la magnétosphère. Côté Soleil, sa frontière, la magnétopause, se situe en général à une vingtaine de rayons saturniens de la planète, soit environ 1,2 million de km, mais elle avance et recule entre 17 et 30 rayons environ selon la pression du vent solaire. Côté nuit, la magnétosphère s'étire en une longue queue. Titan orbitant vers 20 rayons saturniens, elle se trouve tantôt à l'intérieur de la magnétosphère, tantôt exposée au vent solaire. Voir Titan.
La magnétosphère de Saturne est dominée par une source interne. Les geysers d'Encelade éjectent quelques centaines de kilogrammes de vapeur d'eau par seconde, qui forment un nuage de gaz neutre le long de l'orbite de la lune. La lumière solaire et les collisions ionisent ces molécules en ions dits du groupe de l'eau (ions oxygène, hydroxyle, eau et hydronium), qui sont happés par le champ magnétique en rotation et entraînés autour de la planète dans un disque de plasma. Encelade joue pour Saturne le rôle que tient la lune volcanique Io pour Jupiter, même si la magnétosphère de Saturne contient globalement bien moins de plasma. Les mêmes grains de glace alimentent le discret anneau E. Voir les geysers d'Encelade.
Ceintures de radiation et anneaux
Saturne possède des ceintures de particules énergétiques piégées, mais moins intenses que celles de Jupiter, en partie parce que les lunes et les anneaux absorbent les particules qui croisent leur route. Les anneaux principaux font barrage et effacent les radiations sur toute leur étendue. Lors du Grand Final, Cassini a découvert une ceinture de radiation distincte et étroite dans l'intervalle entre l'anneau D, le plus interne, et l'atmosphère, alimentée par des particules produites quand les rayons cosmiques frappent les anneaux.
Le champ relie aussi les anneaux à la planète. Des grains de glace chargés et des ions issus des anneaux spiralent le long des lignes de champ jusqu'à la haute atmosphère, aux latitudes moyennes : c'est l'un des aspects de la pluie des anneaux, qui laisse une empreinte mesurable dans l'ionosphère.
Des aurores aux deux pôles
Comme la Terre, Saturne a ses aurores : des particules chargées, guidées par le champ magnétique, percutent la haute atmosphère autour des pôles et font briller le gaz. Elles ont d'abord été détectées dans l'ultraviolet par Voyager, puis photographiées à maintes reprises par Hubble depuis les années 1990 ; elles brillent aussi dans l'infrarouge grâce à l'ion H₃⁺, observé depuis des télescopes au sol.
Les ovales auroraux principaux de Saturne se situent à haute latitude, vers 70° à 80°. Ils obéissent à plusieurs influences : les rafales de vent solaire qui compriment la magnétosphère les font s'intensifier et s'élargir, tandis que des courants liés à la rotation et au disque de plasma les modulent avec une période d'environ 10,6 à 10,8 heures. Cassini a également repéré une tache aurorale liée à Encelade, là où l'interaction de la lune avec le champ magnétique envoie un courant jusqu'à l'atmosphère de Saturne.
L'énergie des aurores ne se limite pas au spectacle. Les données du Grand Final indiquent que la chaleur déposée par les aurores se propage des pôles vers l'équateur, ce qui aide à comprendre pourquoi la haute atmosphère de Saturne est plus chaude de centaines de degrés que ne le permettrait le seul Soleil. Voir la température de Saturne. Les mêmes régions émettent un intense rayonnement radio kilométrique, dont la périodicité variable a longtemps faussé la mesure de la rotation.
Questions fréquentes
Saturne a-t-elle un champ magnétique ?
Oui. Au sommet des nuages, il est un peu plus faible que le champ à la surface de la Terre, mais la planète étant immense, son moment magnétique global vaut environ 580 fois celui de la Terre.
Qu'a de particulier le champ magnétique de Saturne ?
Il est presque parfaitement aligné sur l'axe de rotation, avec un écart inférieur à 0,01°. La théorie classique de la dynamo affirmant qu'un champ parfaitement symétrique ne peut s'auto-entretenir, les chercheurs pensent qu'une couche située au-dessus de la dynamo en filtre les parties asymétriques.
Y a-t-il des aurores sur Saturne ?
Oui, autour des deux pôles. Elles sont surtout intenses dans l'ultraviolet et l'infrarouge, et dépendent du vent solaire ainsi que de courants liés à la rotation de la planète et au plasma d'Encelade. Cassini a aussi enregistré de faibles aurores visibles.
Quelle est la taille de la magnétosphère de Saturne ?
Côté Soleil, elle s'étend en général sur environ 1,2 million de km, soit une vingtaine de rayons saturniens, selon l'état du vent solaire. Côté nuit, elle s'étire bien plus loin en une longue queue.
Sources
- Dougherty, M. K. et al. (2018), « Saturn's magnetic field revealed by the Cassini Grand Finale », Science 362
- Stevenson, D. J. (1982), « Reducing the non-axisymmetry of a planetary dynamo and an application to Saturn », Geophysical & Astrophysical Fluid Dynamics 21
- Pryor, W. R. et al. (2011), « The auroral footprint of Enceladus on Saturn », Nature 472
- NASA Science : mission Cassini