Saturne est la deuxième planète la plus massive du Système solaire, d'une masse 3,3 fois moindre queJupiter, mais5,5 fois supérieure à celle deNeptune et6,5 fois supérieure à celle d'Uranus[6]. Jupiter et Saturne représentant respectivement 318 fois et 95 fois lamasse terrestre, les deux planètes possèdent 92 % de la masse planétaire totale du Système solaire[6].
Saturne est la planète la moins dense du Système solaire avec0,69g/cm3, soit environ 70 % de la densité de l'eau[2],[4]. En effet, bien que lenoyau de Saturne soit considérablement plus dense que l'eau, ladensité moyenne est abaissée en raison de son importante atmosphère[7]. Pour illustrer cela, il est parfois évoqué que s'il existait un océan assez grand pour la contenir, elle flotterait[4],[7],[8]. En réalité, il serait impossible d'avoir une planète avec un océan suffisamment profond — elle serait de l'ordre de grandeur du Soleil et ne serait ainsi pas stable — et la cohésion de Saturne ne serait pas maintenue, car elle est gazeuse, son noyau très dense coulerait donc en conséquence[9],[10].
Schéma simplifié de la structure interne de Saturne.
Saturne est classée comme unegéante gazeuse, car elle est principalement composée d'hydrogène et d'hélium[11]. Ainsi, les modèles planétaires standards suggèrent que l'intérieur de Saturne est similaire à celui de Jupiter, avec un noyau rocheux entouré d'hydrogène et d'hélium ainsi que de traces desubstances volatiles — aussi appelées « glaces »[4],[12].
Saturne possède une température interne très élevée, atteignant12 000 K (11 727 °C) en son cœur et irradiant, comme Jupiter, plus d'énergie dans l'espace qu'elle n'en reçoit du Soleil — 1,78 fois environ[16]. L'énergie thermique de Jupiter est générée par lemécanisme de Kelvin-Helmholtz decompression gravitationnelle lente, mais un tel processus à lui seul n'est pas suffisant pour expliquer la production de chaleur de Saturne, car elle est moins massive[17]. Un mécanisme alternatif ou supplémentaire serait la génération de chaleur par la« pluie » de gouttelettes d'hélium dans les profondeurs de Saturne. Au fur et à mesure que les gouttelettes descendent à travers l'hydrogène de densité inférieure, le processus libérerait ainsi de la chaleur parfrottement et laisserait les couches externes de Saturne appauvries en hélium[18]. Ces gouttelettes descendantes peuvent s'être accumulées dans une coquille d'hélium entourant le noyau[19]. Cetteimmiscibilité de l'hydrogène et de l'hélium, prévue théoriquement depuis lesannées 1970, a été vérifiée expérimentalement en 2021[20],[21]. Il est également suggéré que des pluies dediamants se produisent à l'intérieur de Saturne, tout comme au sein de Jupiter[22] et desgéantes de glace Uranus et Neptune[23].
Cependant, étant donné sa distance au Soleil, la température de Saturne descend rapidement jusqu'à atteindre134 K (−139 °C) à1 bar puis84 K (−189 °C) à0,1 bar[2], pour une température effective de95 K (−178 °C)[16],[18].
La haute atmosphère de Saturne est constituée à 96,3 % d'hydrogène et à 3,25 % d'hélium en volume[2]. Cette proportion d'hélium est significativement plus faible que l'abondance de cet élément dans leSoleil. La quantité d'éléments plus lourds que l'hélium (appeléemétallicité) n'est pas connue avec précision, mais les proportions sont supposées correspondre aux abondances primordiales issues de laformation du Système solaire ; la masse totale de ces éléments est estimée à 19 à 31 fois celle de laTerre, une fraction significative étant située dans la région du noyau de Saturne[25]. Des traces deméthane CH4, d'éthane C2H6, d'ammoniac NH3, d'acétylène C2H2 et dephosphine PH3 ont également été détectées[2],[26],[27].
Les bandes entourant Saturne sont causées par leméthane.Dioné est visible sous les anneaux à droite[29].
De manière similaire à Jupiter, l'atmosphère de Saturne est organisée en bandes parallèles, même si ces bandes sont moins contrastées et plus larges près de l'équateur[30]. Ces bandes sont causées par la présence de méthane dans l'atmosphère planétaire, celles-ci étant d'autant plus foncées que la concentration est grande[29].
Le système nuageux de Saturne n'est observé pour la première fois que lors des missionsVoyager dans les années 1980. Depuis, lestélescopes terrestres ont progressé et permettent de pouvoir suivre l'évolution de l'atmosphère saturnienne[31]. Ainsi, des caractéristiques courantes sur Jupiter, comme les orages ovales à longue durée de vie, sont retrouvées sur Saturne ; par ailleurs, la nomenclature utilisée pour décrire ces bandes est la même que sur Jupiter[32]. En1990, letélescope spatialHubble observe un très grand nuage blanc près de l'équateur de Saturne qui n'était pas présent lors du passage des sondes Voyager, et en 1994 une autre tempête de taille plus modeste est observée[33],[34].
La composition des nuages de Saturne varie avec la profondeur et la pression croissante. Dans les régions les plus hautes, où les températures évoluent entre100 K (−173 °C) et160 K (−113 °C) et la pression entre 0,5 et2 bars, les nuages se composent de cristaux d’ammoniac. Entre 2,5 et9 bars se trouve de la glace d’eau H2O à des températures de185 K (−88 °C) à270 K (−3 °C)[35]. Ces nuages s’entremêlent à des nuages de glace d’hydrosulfure d’ammonium NH4SH comprise entre 3 et6 bars, avec des températures de190 K (−83 °C) à235 K (−38 °C)[36]. Enfin, les couches inférieures, où les pressions sont comprises entre 10 et20 bars et les températures de270 K (−3 °C) à330 K (57 °C), contiennent une région de gouttelettes d'eau avec de l'ammoniaque (ammoniac ensolution aqueuse)[35].
Dans les images transmises en 2007 par la sondeCassini, l'atmosphère de l'hémisphère nord apparaît bleue, de façon similaire à celle d'Uranus[37]. Cette couleur est probablement causée pardiffusion Rayleigh[38].
Lesvents de Saturne sont les deuxièmes plus rapides parmi les planètes du Système solaire, après ceux deNeptune[40]. Les données deVoyager indiquent des vents d'est allant jusqu'à500m/s (1 800km/h)[41],[42].
La tempête observée en1990 est un exemple deGrande tache blanche, un phénomène unique mais de courte durée se produisant une fois par année saturnienne, soit toutes les 30 années terrestres, à l'époque dusolstice d'été de l'hémisphère nord[17],[43]. De grandes taches blanches sont précédemment observées en1876,1903,1933 et1960[44]. La dernière Grande tache blanche est observée parCassini en 2010 et 2011[45]. Lâchant de larges quantité d'eau de façon périodique, ces tempêtes indiquent que la basse atmosphère saturnienne contiendraient plus d'eau que celle de Jupiter[45].
Pôle Sud : Vue en infrarouge révélant le vortex chaud[b],[47].
Un système ondulatoirehexagonal persistant autour du vortex polaire nord vers une latitude d'environ +78° — appeléhexagone de Saturne — est noté pour la première fois grâce aux images deVoyager[48],[49]. Les côtés de l'hexagone mesurent chacun environ 13 800 km de long, soit plus du diamètre de la Terre[50]. La structure entière tourne avec une période d'un peu plus de10 h 39 min 24 s, ce qui correspond à la période des émissionsradio de la planète et est supposé être la période de rotation de l'intérieur de Saturne[51]. Ce système ne se décale pas en longitude comme les autres structures nuageuses de l'atmosphère visible[52]. L'origine du motif n'est pas certaine mais la plupart des scientifiques pensent qu'il s'agit d'un ensemble d'ondes stationnaires dans l'atmosphère. En effet, des formes polygonales similaires ont été reproduites en laboratoire par rotation différentielle de fluides[53],[54].
Au pôle sud, les images prises par letélescope spatial Hubble indiquent de 1997 à 2002 la présence d'uncourant-jet, mais pas d'un vortex polaire ou d'un système hexagonal analogue[55]. Cependant, laNASA signale en novembre 2006 queCassini avait observé une tempête analogue à uncyclone, stationnant au pôle sud et possédant unœil clairement défini[56],[57]. Il s'agit du seul œil jamais observé sur une autre planète que la Terre ; par exemple, les images de la sonde spatialeGalileo ne montrent pas d'œil dans laGrande Tache rouge de Jupiter[58]. Aussi, lathermographie révèle que cevortex polaire est chaud, le seul exemple connu d'un tel phénomène dans le Système solaire[59]. Alors que la température effective sur Saturne est de95 K (−178 °C), les températures sur le vortex atteignent jusqu'à151 K (−122 °C), faisant de lui probablement le point le plus chaud de Saturne[47],[59]. Celui-ci ferait près de 8 000 km de large, une taille comparable à celle de la Terre, et connaîtrait des vents de550km/h[57]. Il pourrait être vieux de plusieurs milliards d'années[60].
De2004 à2009, lasondeCassini observe la formation, le développement et la fin de violents orages, dont latempête du Dragon[61] ou encore des lacunes dans la structure nuageuse formant des« chaînes de perles »[62]. Les orages de Saturne sont particulièrement longs ; par exemple, un orage s'est étalé de novembre 2007 à juillet 2008[63]. De même, un très violent orage a débuté en janvier 2009 et a duré plus de huit mois[64]. Ce sont les plus longs orages observés jusque-là dans le Système solaire[63]. Ils peuvent s'étendre sur plus de 3 000 km de diamètre autour de la région appelée « allée des tempêtes » située à 35° au Sud de l'équateur[63],[65]. Les décharges électriques provoquées par les orages de Saturne émettent des ondes radio dix mille fois plus fortes que celles des orages terrestres[64].
Vidéo d'une double aurore boréale capturée parHubble en 2009[72].
Très probablement, le champ magnétique est généré de la même manière que celui de Jupiter avec des courants deconvection dans la couche d'hydrogène métallique liquide créant uneffet dynamo[67],[71]. Cette magnétosphère est efficace pour détourner les particules duvent solaire[67]. L’interaction de la magnétosphère de Saturne et des vents solaires, comme dans le cas de la Terre, produit desaurores boréales sur les pôles de la planète dans le domaine duvisible, de l’infrarouge et de l’ultraviolet[66],[72].
Le mécanisme de formation le plus communément adopté pour laformation des planètes est lemodèle d'accrétion de cœur à partir dudisque d'accrétion[75],[76]. Lesplanètes géantes, comme Saturne, se forment au-delà de laligne des glaces, zone au-delà de l’orbite deMars où la matière est suffisamment froide pour que différents types de glaces restent à l'état solide[76]. Elles grandissent jusqu'à devenir suffisamment massives pour pouvoir commencer à accumuler du gazhélium-hydrogène provenant du disque, les éléments les plus légers mais aussi les plus abondants[11],[77]. Ce phénomène s'emballant, il est estimé que Jupiter et Saturne auraient accumulé la majeure partie de leur masse en seulement 10 000 ans[75]. La masse significativement plus réduite de Saturne par rapport à Jupiter s'expliquerait par le fait qu'elle se serait formée quelques millions d'années après Jupiter, alors qu'il y avait moins de gaz disponible dans son environnement[76].
Deux caractéristiques de Saturne sont surprenantes dans le contexte des schémas classiques de formation des planètes : sonobliquité d'environ 26,7°, trop élevée pour être expliquée par unimpact[78], et la présence d'imposants anneaux vieux d'environ100 millions d'années[79]. L'éloignement rapide deTitan, encore observé aujourd'hui, pourrait avoir dans un premier temps augmenté l'obliquité jusqu'à 36° lors du passage par unerésonance deprécession avecNeptune. Un évènement soudain aurait alors décalé la résonance, l'éloignement de Titan ayant alors pour conséquence de réduire l'obliquité jusqu'à sa valeur actuelle. Cet évènement pourrait être la disparition d'un satellite dénommé Chrysalis, dont la déstabilisation de l'orbite expliquerait aussi la formation des anneaux par une rencontre rasante avec Saturne[80],[81].
Vidéo de la rotation de Saturne pendant quatre jours parCassini. On observe notamment la rotation de l'hexagone au pôle nord et une grande tempête ovale vers +60° de latitude[84].
De façon similaire à Jupiter, les caractéristiques visibles sur Saturne tournent à des vitesses différentes en fonction de lalatitude — unerotation différentielle — et ainsi ont toutes despériodes de rotation propres[85]. Par convention, plusieurs systèmes sont définis, avec chacun leur période de rotation.
Le premier, ayant une période10 h 14 min 0 s, correspond à la zone équatoriale s'étendant entre le bord nord de la ceinture équatoriale méridionale et le bord sud de la ceinture équatoriale boréale[86],[87]. Les régions polaires nord et sud sont également rattachées au premier système.
Le deuxième concerne toutes les autres latitudes et possède quant à lui par convention une période de rotation de10 h 39 min 24 s[86],[87].
Finalement, un troisième système s'appuie sur la rotation des émissionsradio de Saturne, notamment détectées parVoyager 1 etVoyager 2 car les ondes émises par Saturne sont à des fréquences basses bloquées par l'atmosphère terrestre[88], et a pour période de rotation10 h 39 min 22 s[89]. Cette valeur était alors considéré comme égale à la période de rotation interne de la planète, même si celle-ci restait inconnue[90]. En approchant de Saturne en 2004,Cassini constate cependant que la période de rotation radio de Saturne avait augmenté sensiblement depuis les précédents survols, à environ10 h 45 min 45 s sans que la cause exacte du changement soit connue[88],[90].
En mars 2007, il est ensuite observé que la variation de la période des émissions radio de la planète ne correspondait en réalité pas à la rotation de Saturne mais était causée par des mouvements de convection du disque de plasma entourant Saturne, lesquels sont indépendants de la rotation. Ceux-ci pourraient être la conséquence de la présence desgeysers de la luneEncelade[91]. En effet, la vapeur d'eau émise dans l'orbite de Saturne par cette activité se charge électriquement et induit une traînée sur lechamp magnétique de Saturne, ralentissant légèrement sa rotation par rapport à celle de la planète[91],[92],[93].
En 2019, une étude avance que les variations saisonnières pourrait être une variable de confusion en ce qui concerne la mesure de la période de rotation[94],[88]. En effet, contrairement à Jupiter dont la période de rotation est connue depuis longtemps grâce aux mesures radio et qui a uneinclinaison de l'axe de 3°, Saturne a une inclinaison de 27° — soit plus que les 23° de la Terre — et connaît donc dessaisons[6]. Cette variation de l'énergie solaire reçue affecterait le plasma autour de Saturne et donc sa période de rotation en créant une traînée[88],[95]. La même année, laNASA avance que la période de rotation de Saturne, d'après les dernières données captées par la sonde Cassini, est de10 h 33 min 38 s[96]. Cette valeur a été obtenue en observant des perturbations dans sesanneaux[97],[96]. Cependant, en 2020, le NASAFact Sheet de la planète indique toujours comme période de rotation la valeur du troisième système retournée parVoyager, à savoir 10,656 heures ou10 h 39 min 22 s[2].
Quatre lunes de Saturne sont visibles sur cette image deCassini :Titan (la plus grande) etDioné en bas,Prométhée (sous les anneaux) etTélesto dans le quart haut/gauche[98].
En 2020, 82 satellites naturels de Saturne sont connus[99], 53 parmi eux étant nommés et les 29 autres ayant unedésignation provisoire[100]. Ce compte est toutefois multiplié dans les années qui suivent, arrivant en mars 2025 à 274 lunes et faisant ainsi de Saturne la planète duSystème Solaire ayant le plus de satellites naturels connus ; elle devance Jupiter et ses 95 lunes[101],[102]. En outre, il existe des preuves de dizaines à centaines desatellites mineurs avec des diamètres allant de 40 à 500 mètres présents dans lesanneaux de Saturne, qui ne peuvent cependant pas être considérés comme des lunes[103]. La plupart des lunes sont petites : 34 ont un diamètre inférieur à 10 km et 14 autres en ont un compris entre 10 et 50 km[104]. Seules sept sont suffisamment massives pour avoir pu prendre une forme sphéroïdale sous leur propre gravité :Titan,Rhéa,Japet,Dioné,Téthys,Encelade etMimas (par masse décroissante)[104],[105]. AvecHypérion, qui pour sa part possède une forme irrégulière, ces huit lunes sont dites« majeures »[106].
Traditionnellement, les 24 satellites réguliers de Saturne — c'est-à-dire ceux ayant une orbite prograde, presque circulaire et peu inclinée — sont nommés d'après desTitans de lamythologie grecque ou des personnages associés au dieuSaturne[107]. Les autres sont tous dessatellites irréguliers ayant une orbite bien plus éloignée et fortementinclinée par rapport au plan équatorial de la planète — suggérant qu'il s'agit d'objets capturés par Saturne — ainsi qu'une taille inférieure à trente kilomètres, à l'exception dePhœbé etSiarnaq[104],[108]. Ils sont quant à eux nommés d'après desgéants desmythologies inuits,nordiques etceltes[107].
La deuxième plus grande lune de Saturne,Rhéa, possède son propresystème d'anneaux et uneatmosphère ténue[121],[122]. Japet, quant à elle, est remarquable par sa coloration — l'un de ses hémisphères étant particulièrement brillant tandis que l'autre est très sombre — et par sa longue crête équatoriale[4],[123]. Avec, Dioné et Téthys, ces quatre lunes sont découvertes parJean-Dominique Cassini entre 1671 et 1684[107].
William Herschel découvre ensuiteEncelade etMimas en 1789[107]. La première, dont lacomposition chimique semble similaire auxcomètes[124], est notable car elle émet de puissantsgeysers de gaz et de poussières et pourrait contenir de l'eau liquide sous son pôle Sud. Ainsi, elle est également considérée comme unhabitat potentiel pour la vie microbienne[125],[126]. La preuve de cette possibilité inclut par exemple des particules riches ensel ayant une composition « semblable à unocéan » qui indique que la majeure partie de laglace expulsée d'Encelade provient de l'évaporation d'eau salée liquide[127],[128]. Un survol deCassini en 2015 à travers un panache sur Encelade relève la présence de la plupart des ingrédients nécessaires à soutenir des formes de vie pratiquant laméthanogenèse[129]. Mimas, quant à elle, est responsable de la formation de ladivision de Cassini[130] et son apparence — avec un cratère faisant le tiers de son diamètre — fait qu'elle est régulièrement comparée à l'Étoile de la mort de la sagaStar Wars[4],[106].
Représentation à l'échelle des principales lunes de Saturne et de la position de leur orbite.
Ils sont aperçus pour la première fois le par le savantitalienGalilée grâce à unelunette astronomique de sa fabrication[138],[139]. Celui-ci interprète ce qu'il voit comme deux mystérieux appendices de part et d'autre de Saturne, disparaissant et réapparaissant au cours de l'orbite de la planète vu depuis la Terre[138],[139]. Bénéficiant d'une meilleure lunette que Galilée, lehollandaisChristian Huygens est le premier à suggérer en1655 qu'il s'agit en fait d'un anneau entourant Saturne, expliquant ainsi les disparitions observées par le fait que la Terre passe dans le plan de celui-ci[139],[140]. En1675,Jean-Dominique Cassini découvre qu'il y en a réalité plusieurs anneaux en une division entre ceux-ci ; à ce titre la séparation observée, située entre les anneaux A et B, est baptisée « division de Cassini » en son honneur[139]. Un siècle plus tard,James Clerk Maxwell démontre que les anneaux ne sont pas solides mais en réalité composés d'un très grand nombre de particules[139],[141].
Image de Cassini montant notamment les anneaux ténus et distantsE etG (à partir de la droite).
Les anneaux sont nommés de façon alphabétique dans l'ordre de leur découverte[132]. Ils sont relativement proches les uns des autres, espacés par« divisions » souvent étroites — à l'exception de la division de Cassini, d'une largeur de près de 5 milliers de kilomètres — où la densité de particule diminue grandement[132]. Ces divisions sont causées pour la plupart par l'interaction gravitationnelle des lunes de Saturne, notamment dessatellites bergers[142]. Par exemple,Pan se situe dans ladivision d'Encke[143] etDaphnis se situe dans ladivision de Keeler[144], qu'ils auraient respectivement créés par leurs effets — cela permettant par ailleurs de calculer précisément la masse de ces satellites[145]. La division de Cassini, quant à elle, semble formée par l’attraction gravitationnelle deMimas[130].
Image deVoyager 2 le 4 août 1981 à 21 millions de kilomètres. On observe notamment la luneTéthys, projetant une ombre sur la planète, puisDioné etRhéa en dessous. Un quatrième satellite,Mimas, est plus difficile à voir car il se situe devant la planète : il se trouve en haut à droite de Thétys, un point clair devant une bande un peu plus sombre. Son ombre est projetée au-dessus de l'ombre de Thétys, près des anneaux[146].
L'abondance en eau des anneaux varie radialement, l'anneau le plus externe A étant le plus pur en eau glacée ; cette variance d'abondance peut être expliquée par un bombardement demétéorites[147]. Lesanneaux A,B etC sont les plus visibles — l'anneau B est le plus lumineux parmi eux — et ainsi considérés comme« principaux »[148],[132]. Les anneauxD,E,F etG, quant à eux, sont plus ténus et ont été découverts plus tardivement[132]. Une partie de la glace dans l'anneau E provient des geysers de la luneEncelade[149],[150].
En 2009, un anneau beaucoup plus lointain est mis en évidence par le satelliteSpitzer en infrarouge[151],[152]. Ce nouvel anneau, appeléanneau de Phœbé, est très ténu et est aligné avec une des lunes de Saturne :Phœbé[151]. Il est ainsi supposé que la lune en serait l'origine et partage sonorbite rétrograde[153].
Caractéristiques des anneaux et des divisions de Saturne
Il n'existe pas de consensus quant au mécanisme de leur formation, mais deux hypothèses principales sont principalement proposées concernant l'origine des anneaux. Une hypothèse est que les anneaux sont les restes d'une lune détruite de Saturne[154] et la deuxième est que les anneaux sont restés du matériaunébulaire originel à partir duquel Saturne s'est formée[155]. Si ces modèles théoriques supposent que les anneaux seraient apparus tôt dans l'histoire du Système solaire[156], les données de la sondeCassini indiquent cependant qu'ils pourraient s'être formés beaucoup plus tard et leur âge est ainsi estimé à environ 100 millions d'années en 2019[157],[158]. De plus, ils pourraient disparaître d'ici 100 millions d'années[159],[160]. À la suite de ces découvertes, le mécanisme privilégié pour expliquer l'apparition des anneaux est qu'une lune glacée ou une très grande comète aurait pénétré lalimite de Roche de Saturne[160].
Vue panoramique des anneaux de Saturne à une distance de 1,8 million de kilomètres de la planète par Cassini (2004)[161].Scan légendé des principaux anneaux de Saturne et de leurs divisions[162].
Simulation de l'apparence de Saturne vue de la Terre à l'opposition pendant une orbite de Saturne (de 2001 à 2029).
SiUranus est visible à l'œil nu dans de très bonnes conditions — notamment lorsqu'elle est en opposition — et dans un ciel très sombre[166], Saturne est souvent considérée comme la planète la plus éloignée du Soleil et de la Terre visible à l'œil nu de façon générale[167],[168]. Dans le ciel nocturne, la planète apparaît comme un point lumineux brillant et jaunâtre avec samagnitude apparente moyenne de 0,46 — écart type de 0,34[2]. La majeure partie de la variation de magnitude est due à l'inclinaison du système d'anneau par rapport au Soleil et à la Terre. En effet, la magnitude la plus brillante -0,55 se produit à peu près au moment où le plan des anneaux est le plus incliné, et la plus faible magnitude 1,17 se produit au moment où il l'est le moins[2],[169].
De plus, Saturne et ses anneaux sont mieux visibles lorsque la planète est proche de l'opposition, à uneélongation de 180° par rapport au Soleil[169]. Une opposition saturnienne se produit presque chaque année car lapériode synodique de Saturne est de 378 jours mais a un impact moindre que la position des anneaux sur sa visibilité[170]. Par exemple, lors de l'opposition du, Saturne est apparue à son plus brillant en raison d'une orientation favorable de ses anneaux par rapport à la Terre, même si la planète était pourtant plus proche lors de l'opposition suivante fin 2003[171].
Vue de Saturne avec un télescope amateur enAllemagne en.
Afin de pouvoir obtenir une image nette des anneaux de Saturne, il est nécessaire d'utiliser des jumelles puissantes ou un petittélescope[172]. Lorsque la Terre traverse le plan des anneaux, ce qui se produit deux fois par année saturnienne (environ tous les 15 ans terrestres), les anneaux disparaissent brièvement de la vue du fait de leur épaisseur de quelques centaines de mètres en moyenne[169]. Une telle « disparition » se produira pour la prochaine fois en 2025, mais Saturne sera trop proche de la direction du Soleil pour pouvoir l'observer[168],[169]. Par ailleurs, il est également possible d'observer des caractéristiques majeures à l'aide d'un télescope amateur, comme lesgrandes taches blanches qui apparaissent près du solstice d'été de l'hémisphère nord[173].
Il faut environ 29,5 ans à Saturne pour réaliser une orbite complète et terminer un circuit entier de l'écliptique devant les constellations de fond duzodiaque. De temps en temps, Saturne estoccultée par laLune — c'est-à-dire que la Lune recouvre Saturne dans le ciel[174]. Comme pour toutes les planètes du Système solaire, les occultations de Saturne se produisent en « saisons d'occultation »[174]. Les occultations saturniennes ont lieu tous les mois pendant environ 12 mois, suivis d'environ cinq ans pendant lesquels aucune activité de ce genre n'est enregistrée. L'orbite de la Lune étant inclinée de plusieurs degrés par rapport à celle de Saturne, les occultations ne se produisent que lorsque Saturne est près de l'un des points du ciel où les deux plans se croisent — à la fois la longueur de l'année de Saturne et la période de précession nodale de 18,6 années terrestres de l'orbite de la Lune influencent la périodicité —[174],[175].
En grec ancien, la planète est connue sous le nom deΦαίνωνPhainon, puis à l'époque romaine comme« l'étoile deSaturne », le dieu dutemps, dont la planète tire son nom moderne[4],[183]. Les Romains considèrent le dieu Saturne comme l'équivalent duTitanCronos ; engrec moderne, la planète conserve d'ailleurs le nom deKronos (grec moderne :Κρόνος)[184]. Par ailleurs, le nom grec reste utilisé enforme adjectivale, notamment pour lesastéroïdes kronocroiseurs[185]. L'astronome grecClaude Ptolémée fonde ses calculs de l'orbite de Saturne sur des observations qu'il réalise alors qu'elle est enopposition et suppose qu'elle est très froide en raison de son éloignement au Soleil, qu'il situe alors entreVénus etMars[186],[187].
L’étoile desRois mages, ouétoile de Bethléem, est parfois évoquée comme ayant été unenova,supernova ou encore lacomète de Halley, ces hypothèses ayant finalement été mises de côté, car aucun de ces phénomènes ne s'est déroulé durant le règne d’Hérode. Ainsi, l'explication actuelle est que l'intense lumière ait été produite par une tripleconjonction entreJupiter et Saturne en mars, octobre et décembre de l'année[194],[195]
Dessins deHuygens en 1659 représentant l'évolution de la perception de Saturne depuis la première observation (I) deGalilée.Galilée.
En1610,Galilée, après avoir découvert quatre lunes de Jupiter — lessatellites galiléens — grâce à unelunette astronomique de sa conception, décide d'utiliser son nouvel instrument pour observer Saturne[196],[138]. En le braquant sur la planète, il observe pour la première fois ses anneaux, mais ne comprend pas leur nature à cause de la trop faible résolution de sa lunette (grossissement de 20)[139],[197] : il les voit et les dessine comme deux très larges lunes entourant Saturne[196],[198]. Dans une lettre, il décrit la planète comme« non pas une étoile simple, mais une composition de trois qui se touchent presque, ne bougeant jamais relativement les unes aux autres, et qui sont alignées le long du zodiaque, celle du milieu étant trois fois plus grande que les deux latérales »[d],[138],[159].
En1612, la Terre passant dans le plan des anneaux — ce qui arrive environ une fois tous les 15 ans —, ceux-ci disparaissent de sa vue : cela le surprend, mais lui permet de comprendre que Saturne est en réalité un corps unique[138] ; il est par ailleurs le premier de l'histoire à avoir observé cet événement astronomique[139]. Il ne comprend toutefois pas l'origine de cette disparition, et écrit même, en référence à l'origine mythologique du nom de l'astre, que Saturne aurait« dévoré ses propres enfants »[e],[138],[140]. Puis, en1613, ils réapparaissent sans que Galilée ne puisse émettre non plus une hypothèse quant à ce qu'il observe[199].
En 1616, il dessine à nouveau les anneaux, cette fois-ci comme des anses autour de la planète[196]. Il écrit alors :« les deux compagnons ne sont plus de petits globes mais sont à présent bien plus grands et ne sont plus ronds… ils sont demi-ellipses avec de petits triangles noirs au milieu et de la figure et contigus au globe de Saturne, qui est lui toujours vu comme rond »[f],[139],[140].
En1655,Christian Huygens, disposant d'un télescope avec un grossissement de 50, découvre près de Saturne un astre qui sera nommé plus tardTitan[139]. Par ailleurs, il postule pour la première fois que Saturne serait entourée d'un anneau solide, formé de« bras »[139],[200]. Trois ans plus tard, dans son livreSystema Saturnium, il explique le phénomène de disparition des anneaux observé auparavant par Galilée[139],[200],[140]. En 1660,Jean Chapelain spécule que ces anneaux seraient composés d'un très grand nombre de petits satellites, ce qui passe inaperçu, car la majorité des astronomes pensent alors que l'anneau est solide[139].
Robert Hooke note les ombres (a etb) projetées par le globe et les anneaux l'un sur l'autre dans ce dessin de Saturne en 1666[140].
En 1671 et 1672, pendant un phénomène de disparition des anneaux,Jean Dominique Cassini découvreJapet puisRhéa, les deux plus grandes lunes de Saturne après Titan[107]. Plus tard, en 1675 et 1676, il détermine que l'anneau est composé de plusieurs anneaux, séparés par au moins une division[159],[197] ; la plus large d'entre elles — et celle qu'il a probablement observée, séparant les anneaux A et B — sera plus tard nommée ladivision de Cassini d'après lui. Finalement, il découvre en 1684 deux nouvelles lunes :Téthys etDioné[107],[139]. Il nomme alors les quatre lunes découvertesSidera Lodoicea (« les étoiles de Louis ») en l'honneur duroi de FranceLouisXIV[201],[202].
Aucune autre découverte d'importance n'est faite pendant un siècle jusqu'aux travaux deWilliam Herschel — également découvreur de la planèteUranus. En 1780, il rapporte un trait noir sur l'anneau B, une division qui est probablement la même que celle observée parJohann Franz Encke en 1837 et qui prendra le nom de ce dernier en tant quedivision d'Encke. En 1789, lors d'une disparition des anneaux, il identifie deux autres lunes :Encelade etMimas[107]. Cette observation lui permet de plus de confirmer que la planète est aplatie aux pôles, ce qui était seulement suspecté auparavant, et de faire la première estimation de l'épaisseur des anneaux, à environ 500 kilomètres[139]. Finalement, il détermine en 1790 la période de rotation des anneaux comme étant de10 h 32 min, une valeur très proche de la réalité[139].Pierre-Simon de Laplace, avec leslois de Kepler, fournit ensuite une première estimation de la distance de la planète au Soleil à 1,4 milliard de kilomètres. Aussi, à partir de sataille apparente, il évalue le diamètre de la planète à 100 000 km et le diamètre des anneaux à 270 000 km[203].
Dans les années 1850, plusieurs observations sont faites à travers l'anneau C, tout juste découvert par le père et le fils Bond, mettant à mal la théorie d'anneaux solides[139]. En 1859,James Clerk Maxwell publie son livreOn the Stability of the Motion of Saturn's Rings dans lequel il avance que les anneaux sont en réalité composés d'un« nombre indéfini de particules non connectées », toutes orbitant autour de Saturne indépendamment ; ces travaux lui vaudront leprix Adams[141]. Cette théorie est prouvée correcte en1895 par des étudesspectroscopiques menées parJames Keeler etWilliam Campbell à l'observatoire Lick, dans lesquelles ils observent que les parties internes des anneaux orbitent plus rapidement que les parties externes[139].
En 1872, Daniel Kirkwood parvient à définir que les divisions de Cassini et d'Encke sont en résonance avec les quatre lunes intérieures alors connues : Mimas, Encelade, Téthys et Dioné[139].
En 1899,William Henry Pickering découvrePhoebé, unsatellite irrégulier n'étant pas en rotation synchrone et ayant uneorbite rétrograde[107]. Il s'agit du premier de ce type trouvé et, par ailleurs, il s'agit de l'unique lune de Saturne découverte depuis une observation terrestre sans profiter d'une disparition des anneaux[139].
Après avoir utilisé l'assistance gravitationnelle deJupiter,Pioneer 11 effectue le premier survol de Saturne en septembre 1979 et passe à environ 21 000 km du sommet des nuages de la planète, se glissant entre l'anneau interne et les couches hautes de l'atmosphère[4],[209]. La sonde prend des photographies en basse résolution de la planète et de quelques-uns de ses satellites, bien que leur résolution soit trop faible pour discerner des détails de leur surface[209]. La sonde spatiale étudie également les anneaux de la planète, révélant le finanneau F et confirmant l'existence de l'anneau E[4] ; aussi, le fait que les divisions dans les anneaux sont montrées comme brillantes lorsque vues avec unangle de phase élevé par la sonde révèle la présence d'un matériau fin diffusant la lumière et qu'elles ne sont donc pas vides[209]. De plus,Pioneer 11 fournit de nombreuses données sur lamagnétosphère et l'atmosphère de Saturne ainsi que la première mesure de la température deTitan à80 K (−193 °C)[209],[210].
Un an plus tard, en novembre1980,Voyager 1 visite à son tour le système saturnien[212]. La sonde renvoie les premières images en haute résolution de la planète, de ses anneaux et de ses lunes, dontDioné,Mimas etRhéa[213].Voyager 1 effectue également un survol deTitan, accroissant les connaissances sur l'atmosphère de cette lune, notamment qu'elle est impénétrable dansles longueurs d'onde visibles — empêchant l'imagerie de détails de surface — et la présence de traces d'éthylène et d'autreshydrocarbures[213]. Ce dernier survol a pour conséquence de profondément changer la trajectoire de la sonde et de l'éjecter hors du plan de l'écliptique[212],[214].
Des« spokes » dans l'anneau B de Saturne, vues parVoyager 2[216].
LeprogrammeVoyager permet de nombreuses découvertes comme celle de plusieurs nouveaux satellites orbitant près ou dans les anneaux de la planète, dontAtlas et lessatellites bergersProméthée etPandore (les premiers jamais découverts), ou de trois nouvelles divisions dans les anneaux, ensuite respectivement appeléesMaxwell,Huygens etKeeler[139],[212]. Par ailleurs, l'anneau G est découvert[217] et des« spokes » — des taches sombres — sont observées sur l'anneau B[208],[218].
Huygens collecte des informations et réalise un flot de photographies durant la descente et après son atterrissage[224]. Malgré des problèmes de conception et la perte d'un canal de communication, l'atterrisseur parvient à se poser près d'unlac d'hydrocarbures pour y réaliser des mesures[4].
Cassini continue quant à lui d'orbiter autour de Saturne et poursuit l'étude scientifique de la magnétosphère et des anneaux de Saturne, en profitant de ses passages à faible distancedes satellites pour collecter des données détaillées sur ceux-ci et obtenir des images de qualité du système saturnien[219].
En ce qui concerne leslunes de Saturne,Cassini permet d'affiner la connaissance de la surface de Titan — avec ses grands lacs d'hydrocarbures et ses nombreuses îles et montagnes — et sur lacomposition de son atmosphère, de découvrir lesgeysers d'Encelade faisant d'elle un endroit propice à l'apparition de lavie[226],[227], d'obtenir les premières images détaillées dePhœbé — qu'il survole en juin 2004 — et de découvrir six nouvelles lunes nommées, parmi lesquellesMéthone etPollux par exemple[219].
L'orbiteur analyse en détail la structure desanneaux de Saturne, en photographiant même un nouveau auparavant inconnu situé à l'intérieur des anneauxE etG, et observe des formations étonnantes de l'atmosphère de la planète géante à ses pôles — comme l'hexagone de Saturne[219]. Par ailleurs, les données collectées sur les anneaux de Saturne au cours des dernières orbites permettent d'estimer leur âge : ceux-ci seraient apparus il y a moins de 100 millions d'années et devraient disparaître d'ici 100 millions d'années[159].
En somme, la sonde spatialeCassini réalise au cours de sa mission 293 orbites autour de Saturne et effectue 127 survols de Titan, 23 d'Encelade et 162 d'autres lunes de la planète dans des conditions ayant permis d'effectuer des investigations poussées. 653 gigaoctets de données scientifiques sont collectées et plus de 450 000 photographies sont prises. La missionCassini-Huygens remplit tous ses objectifs scientifiques et est ainsi considérée comme un grand succès grâce aux nombreuses données de qualité produites[228].
Le jour où la Terre a souri, photographie réalisée le 19 juillet 2013 parCassini lors d'uneéclipse duSoleil. Le fait que sa lumière soit masquée permet notamment de distinguer les anneaux externes diffus E et G. Finalement, comme le nom de la photographie l'indique, on peut observer la Terre comme unpoint bleu à droite de la planète sous ses anneaux[229].
Les projets d'exploration à l'aide d'unesonde spatiale d'une planète aussi lointaine que Saturne sont freinés par leur coût très élevé, à la fois technologique et en termes de ressources humaines. Les principaux facteurs limitants sont (1) la vitesse importante nécessaire à un engin spatial pour effectuer le trajet en un temps raisonnable, (2) la durée de la mission et (3) la nécessité de recourir à des sources d'énergie capables de compenser le rayonnement solaire plus faible comme despanneaux solaires photovoltaïques de très grande taille ou ungénérateur thermoélectrique à radioisotope[230],[231].
Cependant, devant l'intérêt scientifique de Saturne et de ses lunes (notammentTitan etEncelade qui pourraient abriter lavie), des successeurs à Cassini-Huygens sont proposés dans le cadre duprogramme New Frontiers de la NASA[235],[236]. Ainsi, en 2017, cinq missions sont en cours d'évaluation[237],[236] : un engin spatial qui effectuerait un sondage en plongeant dans l'atmosphère de Saturne (SPRITE)[238], deux missions qui analyseraient de manière précise les matériaux éjectés par lesgeysers d'Encelade en survolant cette lune à plusieurs reprises et détermineraient la présence éventuelle d'indices de formes de vie (ELSAH etELF)[239],[240] et enfin deux missions destinées à étudier en profondeur Titan, la première en orbite (Oceanus)[241] et la deuxième, plus audacieuse sur le plan technique, au moyen d'undrone effectuant des vols de plusieurs dizaines de kilomètres à la surface de la lune en exploitant sa faible gravité et la forte densité de son atmosphère (Dragonfly)[242],[243]. Finalement, seule la missionDragonfly est sélectionnée en 2019 pour un départ prévu en 2026 et une arrivée sur Titan en 2034[244].
Voltaire, dansMicromégas, décrit les habitants de Saturne comme mesurant deux kilomètres.
Saturne est présente dans de nombreuses œuvres descience-fiction et sa représentation a évolué en fonction des connaissances sur la planète. Parmi les premières œuvres touchant à la science-fiction évoquant Saturne se trouve notammentMicromégas (1752) deVoltaire[245]. À l'époque, elle est la planète la plus éloignée du Soleil connue — Uranus sera ensuite découverte en 1781 et Neptune en 1846 — et sa structure gazeuse est inconnue. Ainsi, la planète est décrite comme solide et habitée par desgéants de deux kilomètres de hauteur, ayant 72 sens et une espérance de vie de 15 000 ans ; le secrétaire de l'« Académie de Saturne » accompagne ensuite le personnage principal Micromégas surTerre[245],[246]. Un siècle plus tard, dansHector Servadac (1877),Jules Verne fait passer les aventuriers près de Saturne en chevauchant unecomète[247]. L'auteur la décrit et la dessine alors comme rocheuse avec une surface solide déserte et possédant 8 satellites et 3 anneaux[248].
Si Saturne est une planète « très maléfique » pour lesastrologues traditionalistes[254], les praticiens de l'astrologie psychologique(en) considèrent que Saturne n'est ni bon ni mauvais, mais porteur de sens multiples. Par exemple, pourLiz Greene(en), le principe saturnien ne représente pas uniquement la souffrance, la restriction et la discipline, mais aussi« le processus psychique par lequel l'individu peut utiliser la souffrance, la restriction et la discipline comme moyens de parvenir à une conscience plus vaste »[255].
↑« the star of Saturn is not a single star, but is a composition of three, which almost touch each other, never change or move relative to each other, and are arranger in a row along the zodiac, the middle one being three times larger than the lateral ones » - Galilée, 1610 (rapporté en anglais par Deiss et Nebel).
↑« Perhaps Saturn has devoured his own children ? » - Galilée, 1612 (rapporté en anglais par Deiss et Nebel).
↑« The two companions are no longer two small perfectly round globes (…) but are present much larger and no longer round […] that is, two half ellipses with two little dark triangles in the middle of the figure and contiguous to the middle globe of Saturn, which is seen, as always, perfectly round » - Galilée, 1616 (rapporté par Calvin J. Hamilton).
↑Distance minimale du survol par rapport au centre de la planète.
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