Modèle de satellite à trois couches élastiques : application à la libration en longitude de Titan et Mimas

par Andy Richard

Thèse de doctorat en Astronomie et astrophysique

Sous la direction de Jacques Laskar et de Nicolas Rambaux.

Soutenue en 2014

à Observatoire de Paris (1667-....) , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....) .

Le président du jury était Bruno Sicardy.

Le jury était composé de Jacques Laskar, Nicolas Rambaux, Anne Lemaître, Marianne Greff.

Les rapporteurs étaient Anne Lemaître, Marianne Greff.

mots clés

• Points de Lagrange
• Saturne (planète) -- Satellites
• Longitude

Résumé

Les librations en longitude d'un satellite naturel en rotation synchrone peuvent être définies comme étant des oscillations autour de sa rotation uniforme. Leurs amplitudes dépendent de la structure interne du stallite et des librations peuvent donc être utilisées pour sonder l'intérieur de ces corps célestes. Récemment, l'analyse des observations de la sonde Cassini a permis de suggérer la présence d'un océan interne sur Titan, la lune la plus massive de Saturne. La mesure de ses librations serait utile pour contraindre les caractéristiques de cet océan. Durant cette thèse, nous avons modélisé les librations en longitude d'un satellite de glace à trois couches élastiques évoluant sur une orbite non-Képlerienne et forcé par un couple atmosphérique. L'objectif était de déterminer l'influence de la structure interne et des déformations élastiques de marée sur l'amplitude des librations. Nous avons déterminé que les déformations élastiques des couches de Titan réduisent la libration à la fréquence orbitale au même ordre de grandeur que celle d'un modèle solide. La signature de l'océan est alors difficile à détecter et nécessite une précision de quelques dizaines de mètres sur les observations du mouvement de la surface. Nous avons également identifié deux librations de longues périodes dont l'amplitude est sensible à la présence de l'océan. Le modèle de libration développé ici est général et a été ensuite appliqué avec succès à Mimas. Les récentes observations des librations en longitude de Mimas ne peuvent être expliquées par un modèle solide du satellite. Nous avons montré que les librations d'un modèle de Mimas contenant un océan interne vérifient les amplitudes observées, ce qui permet de suggérer un nouveau scénario pour la structure interne de Mimas et d'ouvrir le débat sur l'histoire de sa formation.

Titre traduit

Longitudinal librations of Titan : an elastic three-layer satellite modelling

Résumé

The longitudinal librations of a natural satellite can be defined as the oscillations around its uniform rotation. Their amplitudes depend on the internal structure of the satellite and can be used to probe the interior of these celestial bodies. Recently, the analysis of the Cassini spacecraft observations has suggested the presence of an internal ocean Titan. The measurements of its librational motion could help to characterize the ocean. During the thesis, we modelized the librational motion of a three-layer icy satellite evolving on a non-Keplerian orbit and submitted to an atmospheric torque. The objectives were to determine the influence of the internal structure and the elastic tidal deformations on the longitudinal librations. We determined that the elastic deformations of Titan's layers reduce the orbital frequency libration at the same order as those obtained for a solid model. The signature of the ocean in the libration is thus difficult to delect and require a precision of a few tenth meter on the surface motion to be detacted. The recent observations of Mimas librational motion couldn't be explained by a solid model of the satellite. We showed that the librational motion of Mimas containing an internal ocean match the observed libration amplitude, providing a new scenario in Mimas formation and internal structure.