Etude des interactions anneaux-satellites : implications dynamiques et photométriques pour les anneaux et les satellites internes de Saturne

par François Poulet

Thèse de doctorat en Astronomie fondamentale, mécanique céleste et géodésie

Sous la direction de Bruno Sicardy.

Le président du jury était Jean-Eudes Arlot.

Le jury était composé de Carl D. Murray, Jean-Marc Petit, Phillip D. Nicholson, Alain Vienne.

Les rapporteurs étaient Carl D. Murray, Jean-Marc Petit.


  • Résumé

    Les propriétés physiques et dynamiques des anneaux et des satellites internes de saturne sont étudiées grâce aux nouvelles observations obtenues lors des passages de la terre et du soleil dans le plan des anneaux en 1995. Dans ces circonstances particulières, plusieurs objectifs ont été atteints. Les propriétés optiques de quatre satellites internes (Prométhée, Pandore, Janus et Epiméthée) et des anneaux (anneaux principaux et anneau f) ont été déterminées de 0,3 à 0,9 m. L'étude spectrophotométrique (couleur et albédo) a révélé de fortes corrélations entre ces objets, fournissant ainsi des contraintes sur leur origine. Les profils photométriques des anneaux vus par la tranche ont permis d'étudier leur structure verticale. Le flux résiduel est dominé par l'anneau F. Une modélisation photométrique estime l'épaisseur physique de l'anneau F à 21 ± 4 km. Une telle distribution verticale peut être reliée aux interactions entre l'anneau f et ses satellites gardiens, et/ou révéler la présence de corps de quelques kilomètres de rayon en orbite dans l'anneau F. Cette période d'observations a été mise à profit pour découvrir de nouveaux objets en orbite dans l'anneau F. Nos observations combinées avec d'autres données montrent que ces nouveaux objets ont très probablement une durée de vie inferieure à quelques mois. Un scénario de formation et de destruction est proposé : chaque objet est un nuage de régolithe crée à la suite d'une collision entre deux corps parents. Les caractéristiques de la population des corps parents sont estimées à partir d'un modèle analytique faisant intervenir les processus de collision et d'accrétion. Pour compléter ces résultats directement issus des observations de 1995, j'ai modélise le comportement dynamique des satellites internes. Deux approches complémentaires (analytique et numérique) montrent que la convergence des orbites de Prométhée et pandore devraient se terminer par une rencontre proche en moins de 20 millions d'années. Les résonances primaires de moyen mouvement entre les deux satellites fournissent un mécanisme de protection contre cette convergence, ce qui permet d'augmenter la durée de vie dynamique du couple de satellites de plusieurs dizaines de millions d'années. Les conséquences de ce type d'évolution sur l'origine des anneaux sont évaluées.


  • Résumé

    The physical and dynamical properties of Saturn’s inner satellites and rings are studied from new observations obtained during the Earth and Sun ring plane crossings in 1995. In those particular circumstances, several goals have been achieved. The optical properties of four inner satellites (Prometheus, Pandora, Epimetheus, Janus) and five rings (the four main rings and the F ring) have been determined from 0. 3 to 0. 9 µm. The spectrophotometric study (albedo and color) has indicated strong correlations between these objects, which provides some constrains on their origin. The photometric profiles of edge-on rings allowed to study their vertical structure. The residual flux is dominated by the F ring. A photometric modelling gives a physical thickness of the F ring of 21 ± 4 km. Such a vertical distribution is consistent with the interactions between ring particles and shepherding satellites and/or with gravitational stirring by large bodies of a few km radius. This period of observations turned to account to discover new ring features lying near the F ring. Our observations combined with other data show that these new objects are likely to be transient with lifetime inferior to several months. A scenario to explain their formation and destruction is proposed : each objects is a regolith cloud resulting from a collision between two parent bodies. The characteristics of the parent bodies population are derived from an analytical model in which the processes of collision and accretion are included. In addition to the results directly stemming from ring plane crossing observations, I modeled the dynamical evolution of the inner satellites. Two complementary approaches (analytical and numerical) show that the converging orbits of Prometheus and Pandora should end up to a close encounter in less than 20 millions of years. The primary mean motion resonances between the two satellites play the role of protection mechanism against the convergence, which increases, the dynamical lifetime of the satellites couple by several tens millions of years. The implications of this evolution on the rings origin are discussed.

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  • Détails : 1 vol. (X-241 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 235-239

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