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MIMAS

Autour de Saturne, Mimas cacherait un océan... ou un noyau aplati.

À partir d’observations réalisées par la sonde spatiale Cassini, une équipe internationale de chercheurs a mesuré la rotation de Mimas, une des nombreuses lunes de Saturne, et ils sont détecté des oscillations. Non conformes aux modèles prédictifs, elles laissent penser que ce petit satellite pourrait abriter soit un noyau fortement aplati soit, sous sa couche de glace, un océan.  Le 27/10/2014 Par le CNRS

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Mimas est un des nombreux satellites naturels gravitant autour de Saturne. Sur cette image prise en 2010 par la sonde spatiale Cassini, à environ 16.000 km de distance, on distingue à sa surface le grand cratère Herschel (130 km), caractéristique de cette lune de 396 km de diamètre. Son orbite est synchronisée avec la planète géante. © Nasa, JPL,Space Science Institute

Mimas est un satellite naturel de Saturne, découvert en 1789 par William Herschel. Il tire son nom de Mimas, un Géant de la mythologie grecque.

Mimas est le satellite sphéroïde, parmi six autres, le plus proche de Saturne mais aussi le plus petit. Son diamètre varie de 382 à 418 km. Les 7 autres petits satellites connus situés entre son orbite et la surface de la planète géante ont tous un diamètre inférieur à 200 km, autrement dit d'une masse trop faible pour assurer une forme sphérique de cohésion. La faible densité de Mimas (1,17) laisse à penser qu'il est principalement constitué de glace d'eau avec une petite proportion de roches.

Sa masse fut calculée par Hermann Struve grâce à l'effet de résonance avec Téthys, qui induit des oscillations dans les longitudes de ces deux satellites. Le rapport de celles-ci est proportionnel au rapport des masses.

La rotation de Mimas a été mesurée à partir des images de Cassini (Esa, Nasa), à l’aide d’une technique à l’utilisation peu connue, dite de stéréophotogrammétrie. Elle permet de reconstituer en trois dimensions une portion de surface d’un objet dès lors qu’il est observé au moins deux fois sous des angles différents. Tout comme la Lune autour de la Terre, Mimas est en rotation synchrone autour de Saturne. Cela signifie que ce satellite tourne sur lui-même à la même vitesse qu’il effectue une révolution autour de la planète géante, montrant ainsi toujours la même face à sa planète. Toutefois, à ce mouvement moyen uniforme, se superposent des oscillations. Celles-ci sont appelées librations, car elles résultent du couple de force gravitationnelle exercée par Saturne sur le satellite d’environ 400 km de diamètre.

Les travaux menés par une équipe internationale impliquant des chercheurs français de l’Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (IMCCE) de l’observatoire de Paris (CNRS, Université Pierre et Marie Curie, Université Lille 1) et du laboratoire AIM (CEA, CNRS, Université Paris Diderot) et des scientifiques de l’observatoire Royal de Belgique, l’université de Namur (Belgique) et l’université de Cornell (États-Unis) ont permis de mettre en évidence deux types de librations : l’un à basse fréquence, l’autre à haute fréquence. Or, sur ces deux types, celui à haute fréquence présente une amplitude deux fois plus importante, incompatible avec le modèle de rotation d’un satellite solide, à l’équilibre hydrostatique. Cette amplitude est révélatrice de la distribution de masse à l’intérieur du corps et de la présence ou non de couches liquides.

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Mimas est un des satellites naturels sphériques les plus proches de Saturne. Bien que photographié par Cassini à plus de 3 millions de km de distance, le cratère Herschel qui domine la surface de cette petite lune se remarque sans difficulté. © Nasa, JPL, Space Science Institute

Mimas pourrait cacher un océan

Ces observations sont donc surprenantes et révèlent une structure interne intrigante. Après avoir exploré plusieurs hypothèses, il apparaît que cette forte amplitude peut s’expliquer soit par la présence, sous le manteau de glace de Mimas, d’un noyau de roche de forme très allongée, soit par l’existence d’un océan interne caché entre sa surface glacée et son noyau. En effet, les planétologues supposent que le noyau du petit satellite doit être à l’équilibre hydrostatique (où les forces de gravitation, centrifuge et de pression s’équilibrent dans le corps), par conséquent d’un âge de formation très ancien. Or la forte amplitude de la libration à haute fréquence pourrait indiquer un noyau présentant un allongement de 20 à 60 km plus important que dans le cas hydrostatique.

Si le noyau de Mimas est bien allongé, alors il aurait gelé depuis sa formation et aurait conservé en grande partie sa forme initiale. En revanche, si cette lune possède un océan, elle rejoindrait alors le club des « satellites à océan interne » du Système solaire où figurent plusieurs lunes de Jupiter (Europe, Ganymède…) et, autour de Saturne, Titan et Encelade. Un tel océan global serait une véritable surprise, car la surface de Mimas ne présente aucun signe d’activité géologique récente.

Des observations supplémentaires de Cassini permettront d’affiner les modèles d’intérieur de Mimas.

Que ce soit l’une ou l’autre de ces deux solutions, nous savons dorénavant que Mimas, malgré sa surface apparemment ancienne criblée de cratères et sa petite taille, n’est pas l’astre froid et inerte que l’on imaginait. Percer le secret de son intérieur éclairera sûrement sur sa formation, et par là même sur la formation du système de Saturne dans sa globalité.

Le cratère Herschel

La première chose que l'on remarque sur Mimas est l'énorme cratère d'impact de 130 km de diamètre qui porte le nom du découvreur de Mimas, Herschel. Ses flancs ont environ 5 km de haut ; on y rencontre des gouffres de 10 km de profondeur et un pic central qui s'élève de 6 km au-dessus du plancher du cratère. Ces caractéristiques en font un exemple quasi parfait de cratère d'impact. Comme on peut le voir sur les photographies de Mimas, la ressemblance avec l'Étoile Noire du film Star Wars est assez frappante. Un cratère équivalent sur Terre n'aurait pas moins de 4 000 km de diamètre, soit plus grand que le Canada ou l'Europe entière.

Le choc qui a produit ce cratère a manqué de peu de détruire totalement Mimas : la lune en est fracturée jusqu'à la face opposée au point d'impact, probablement à cause de l'onde de choc qui a dû traverser complètement le corps. Ce choc cataclysmique est sans doute à l'origine du diamètre très hétérogène de Mimas qui varie de 382 à 418 km, ce dernier étant 9,4 % supérieur à son plus petit diamètre.

Mimas est un des plus petits corps sphéroïdes du système solaire. Cela peut laisser supposer que des corps de masse inférieure manqueraient, lors de leur formation, de force de cohésion pour former un sphéroïde de faible viscosité avant de se refroidir et de se solidifier.

Par ailleurs, la surface de Mimas est presque totalement saturée de cratères de plus petites dimensions. Mais la répartition en est très hétérogène : on trouve un peu partout des cratères de plus de 40 km de diamètre, sauf dans la région du pôle Sud où aucun ne dépasse les 20 km. Les astronomes supposent qu'un phénomène encore à décrire a dû y effacer les cratères plus importants.

L'influence gravitationnelle de Mimas

Le rôle gravitationnel de Mimas au sein du système saturnien n'est pas négligeable. Ainsi, l'orbite du satellite se trouvant en résonance avec la division de Cassini (espace large de 4 500 km situé entre les anneaux A et B de Saturne), les passages successifs de Mimas maintiendraient la faible densité de particules dans la division de Cassini qui, contrairement à d'autres divisions plus étroites des anneaux, n'est pas vide de matières. Mimas, par résonance également, maintiendrait la cohésion de l'anneau diffus G qui se situe juste à l'intérieur de son orbite.

Températures

En mars 2010, la NASA publie sur le site de la mission Cassini des images présentant la température à la surface de Mimas. La distribution obtenue diffère sensiblement de celle qui était attendue (diminuant graduellement en s'éloignant de l'équateur) avec des limites distinctes formant une image proche d'un Pac-Man gobant une pac-gomme (le cratère Herschel).

Ils expliquent ces variations de température par la présence de matériaux de conductivités thermiques différentes : la partie froide de la surface serait composée de matériaux de conductivité supérieure, absorbant l'énergie du Soleil en direction des couches inférieures au lieu de chauffer la surface elle-même. Toutefois les variations de conductivité à la surface de Mimas restent mystérieuses.

Mouvement et structure

Mimas est en rotation synchrone autour de Saturne. Mais à ce mouvement moyen se superposent des oscillations, appelées librations. Les fréquences de ces oscillations sont celles du forçage orbital agissant sur Mimas. Notamment, on y trouve les librations diurnes, dont la période (0.942 jour) est celle du mouvement orbital de Mimas autour de Saturne et ses harmoniques, ainsi que des oscillations à plus long période, dues aux perturbations gravitationnelles des autres satellites orbitant autour de Saturne. L'amplitude des librations diurnes est deux fois plus importante que prévu, i.e. si Mimas avait été le mélange de glace et de roches à l'équilibre hydrostatique anticipé par la communauté scientifique. Ceci permet de poser deux hypothèses quant à sa structure interne :

Noyau de roche de forme allongée sous le manteau de glace de Mimas ;

Ou

Un océan interne caché entre sa surface et son noyau.

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