Astronomie : Pourquoi les lunes de Saturne sont si difficiles à trouver et ce qu'elles révèlent sur l'histoire du système solaire

Depuis que l'homme a commencé à regarder le ciel, notre lune nous regarde depuis son orbite à une distance relativement courte de notre planète. C'est le satellite naturel le plus visible de notre système solaire, mais ce n'est pas le seul.

Cependant, il est toujours difficile de savoir combien il y en a.

En mai dernier, des astronomes ont annoncé qu'ils avaient découvert 62 nouvelles lunes en orbite autour de Saturne, l'une des géantes gazeuses du système solaire.

Cela porte à 145 le nombre de lunes confirmées autour de ce léviathan situé à quelque 1,3 milliard de kilomètres du Soleil.

Saturne devient ainsi la planète ayant le plus grand nombre de lunes en orbite, détrônant sa géante voisine Jupiter dans ce que certains ont appelé la "course aux lunes".

Le nombre de lunes de Saturne ne cesse de croître et la même équipe a fait une nouvelle découverte quelques semaines plus tard.

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Les nouvelles lunes ont été localisées par une équipe dirigée par Edward Ashton, chercheur postdoctoral à l'Institut d'astronomie et d'astrophysique de l'Academia Sinica à Taïwan.

La découverte a pris plus de deux ans, grâce à un télescope installé au sommet du Mauna Kea, un volcan d'Hawaï.

Les astronomes observent Saturne et ses satellites depuis plus de trois siècles et demi. L'humanité a même envoyé quatre vaisseaux spatiaux vers Saturne, et pourtant ces lunes n'ont pas été découvertes.

Comment se fait-il que tant de lunes de Saturne restent cachées ? Pourquoi est-il si difficile de trouver des lunes lointaines, et combien d'autres pourraient attendre dans l'obscurité de l'espace ?

Difficile à détecter

La dernière fois qu'elles ont été recensées, il n'y avait pas moins de 290 lunes "traditionnelles" dans notre système solaire.

Il ne suffit pas d'observer une lune pour qu'elle soit officiellement une lune. Certains de ces nouveaux satellites ont déjà été observés, mais un long processus est nécessaire avant que l'Union astronomique internationale ne les qualifie officiellement de lunes. Ce processus implique plusieurs années d'observations constantes.

Pendant quatre siècles, nombre de nos voisins célestes étaient trop éloignés pour que nous puissions les distinguer.

En 1655, l'astronome néerlandais Christiaan Huygens découvre la plus grande des lunes de Saturne, Titan, plus grande que la planète Mercure. Il faudra attendre 16 ans pour que Jean-Dominique Cassini découvre Hapetus, puis Rhéa, Dioné et enfin Thétis en 1684. Ce n'est qu'en 1789 que l'astronome allemand William Herschel identifia Mimas et la lune glacée Encelade.

D'autres lunes de Saturne ont échappé à l'observation humaine pendant bien plus longtemps. Hypérion, qui a la forme d'une pomme de terre, a été découverte en 1848. Il a été suivi, une cinquantaine d'années plus tard, par Phoebe, qui se déplace autour de Saturne dans la direction opposée à celle de la plupart des lunes.

Avec l'avènement de l'ère spatiale et des télescopes modernes, la liste des lunes de Saturne s'est considérablement allongée. Des engins spatiaux tels que les sondes Voyager et Cassini ont permis d'élargir les découvertes en examinant de plus près le système complexe de Saturne.

Pourtant, la grande majorité des lunes de Saturne ont été découvertes relativement récemment, depuis l'an 2000.

L'une des raisons est que les satellites découverts au début de l'astronomie suivaient certains modèles : ils étaient relativement grands et suivaient des orbites prévisibles, ce que les astronomes appellent des orbites régulières.

"Toutes les planètes géantes ont des lunes régulières", explique Brett Gladman, astronome canadien à l'université de Colombie-Britannique et l'un des collègues d'Ashton impliqués dans les récentes découvertes autour de Saturne.

"Ses lunes orbitent dans le plan équatorial de la planète, tout comme ses anneaux. On pense qu'elles se sont formées en orbite (un disque aplati de gaz et de poussière qui s'est formé autour des planètes géantes) de la même manière que nos planètes se sont formées en orbite autour du soleil".

Selon M. Gladman, l'idée reçue était que, si des lunes se formaient à partir de planètes proches, elles resteraient très proches et orbiteraient autour de leur plan équatorial, comme le font les anneaux planétaires.

Or, il s'avère que certaines lunes ne suivent pas ces règles.

Les planètes ont également des satellites irréguliers dont les orbites ne suivent pas une trajectoire prévisible autour du plan équatorial de leur planète hôte. Leurs orbites sont plus elliptiques et inclinées, s'éloignent davantage de la planète et suivent souvent une direction différente de celle de la planète autour du soleil. En outre, nombre d'entre elles sont beaucoup plus petites.

La révolution numérique

Pendant des décennies, les détectives lunaires ont dû utiliser des plaques photographiques pour tenter de trouver des preuves de l'existence des lunes du système solaire. Plus elles étaient petites et plus leur orbite était irrégulière, plus il était difficile de les observer.

Mais dans les années 1990 et 2000, la photographie numérique a soudainement changé la façon dont les gens comme Gladman pouvaient les localiser. Les capteurs CCD des appareils photo numériques sont beaucoup plus sensibles à la lumière que les plaques photographiques, ce qui permet de détecter des objets beaucoup moins lumineux.

Cependant, un nouveau problème est apparu. Les capteurs CCD étant petits, le champ de vision qu'ils pouvaient capturer était très limité.

"Les planètes géantes sont très grandes. La région qui les entoure - où l'on pourrait orbiter autour des planètes au lieu d'orbiter autour du soleil - est très vaste", explique M. Gladman.

"En 1997, j'ai découvert deux lunes près d'Uranus à l'aide d'une caméra. Il ajoute que la distance relative de la planète par rapport à la Terre impliquait un champ de vision relativement limité.

C'est alors qu'est intervenue une autre avancée : les caméras CCD mosaïques, qui regroupent plusieurs capteurs CCD en un réseau. "Cela permet d'obtenir un champ de vision beaucoup plus large", explique M. Gladman. "Lorsque cela s'est produit, il y a eu une explosion (de découvertes) à la fin des années 1990 et au début des années 2000.

En 2000, M. Gladman s'est lui-même amusé à utiliser cette nouvelle technique. "J'en ai découvert 12 en 2000 avec quelques télescopes", explique-t-il. "Les caméras mosaïques multi-CCD de grand format ont commencé à être disponibles sur les télescopes à grande ouverture. Il était alors possible de capturer suffisamment de ciel pour ne pas avoir à pêcher dans l'obscurité.

La détection des lunes est un travail minutieux. "Autrefois, nous prenions une image, puis une heure plus tard, une autre image, et encore une heure plus tard, une autre image", explique M. Gladman. Ces trois images nous permettaient de savoir si un objet - peut-être une lune - se déplaçait dans une direction particulière.

"Auparavant, lorsque les caméras CCD n'étaient pas très grandes, je faisais tout à l'œil. Mais maintenant que les ensembles de données sont énormes, ce n'est plus possible. Nous avons des programmes informatiques qui prennent l'image, trouvent tous les objets, éliminent tout ce qui ne bouge pas et cherchent ce qui bouge.

Les lunes qui restent à découvrir sont petites et ne reflètent qu'une infime quantité de lumière, ce qui a obligé les scientifiques à utiliser de nouvelles approches.

La découverte de May a fait appel à une technique appelée "shift stacking", qui s'apparente au mode d'exposition multiple d'un appareil photo.

Ce que les nouvelles lunes peuvent révéler

Les astronomes estiment que la recherche de lunes est un domaine qui mérite d'être approfondi. Et les découvertes récentes - ces petits morceaux de roche qui reflètent à peine la lumière - donnent des indices alléchants sur le passé du système solaire.

Mike Alexandersen, chercheur postdoctoral au Centre des planètes mineures, qui a également participé à la découverte des nouvelles lunes de Saturne, estime que ces découvertes permettront de mieux comprendre comment ces lunes se sont formées.

"On pense que la raison pour laquelle elles sont regroupées et ont des orbites similaires est qu'elles étaient autrefois un seul objet qui a subi une collision. Puis, pendant des milliards d'années, les fragments ont continué à s'écraser les uns sur les autres".

Gladman appelle cela une "cascade collisionnelle" : une série de collisions qui donnent naissance à des lunules de plus en plus petites.

Lui et ses collègues ont récemment suggéré qu'une collision relativement récente, au cours des dernières centaines de millions d'années, pourrait avoir créé certaines des plus petites lunes irrégulières de Saturne.

Alexandersen a effectué de nombreuses recherches sur la ceinture de Kuiper, une vaste agglomération de débris glacés 20 fois plus grande que la ceinture d'astéroïdes du système solaire.

Selon lui, la cartographie de quelque 4 000 objets de la ceinture de Kuiper a permis d'élaborer quelques théories sur la formation des planètes et sur les raisons pour lesquelles tant de petites lunes sont disséminées dans le système solaire.

Un cataclysme ancien pourrait avoir plongé ces petits satellites dans l'obscurité, à un moment où l'attraction gravitationnelle des géantes gazeuses (Jupiter et Saturne) était supérieure à celle du Soleil, bien qu'Alexandersen souligne que le Soleil continue d'exercer une influence même à ces énormes distances.

Les lunes que recherchent ces détectives astronomiques sont à la limite de ce que la technologie actuelle peut capturer : des satellites d'au moins un kilomètre de diamètre.

L'intelligence artificielle pourrait être la prochaine étape. "Nous pourrions utiliser les techniques d'apprentissage automatique de l'intelligence artificielle pour donner les ensembles de données à un ordinateur et lui demander de trouver les lunes", explique M. Gladman.

"Nous y travaillons encore... c'est un véritable défi. Mais ce n'est que ces dernières années que l'on a commencé à faire de réels progrès.

Quoi qu'il en soit, les découvertes ne semblent s'arrêteront pas de si tôt.

Quelques semaines après l'annonce des 62 nouvelles découvertes, les scientifiques ont eu une autre surprise : ils avaient une lune de plus à ajouter à la liste.

"Une lune supplémentaire a été annoncée, mais elle ne figurait pas dans le communiqué de presse, car nous n'avions pas obtenu l'orbite correcte", a déclaré M. Alexandersen à la BBC. "Mais nous l'avons corrigée. Ce n'est donc pas 62, mais 63. Cela porte le nombre total de lunes de Saturne à 146.