Anneaux de Neptune - Définition

Exploration

Les anneaux ont été scrutés en détail au cours du survol de la sonde Voyager 2 en août 1989. Ils ont été étudiés par imagerie optique, et avec des observations d'occultations dans l'ultraviolet et la lumière visible. Voyager 2 a observé les anneaux sous plusieurs angles par rapport au Soleil, produisant des images de la lumière diffusée de face, traversant les anneaux et comme diffractée, ou les éclairant selon un angle intermédiaire. L'analyse de ces images permit de déduire la fonction de phase des particules de l'anneau (i.e. la réflectivité de l'anneau selon l'angle entre l'observateur et le Soleil), ainsi que les albédos géométrique et de Bond des particules de l'anneau. L'analyse des images de Voyager a également conduit à la découverte de six lunes intérieures de Neptune, dont Galatée, le berger de l'anneau Adams.

Anneau Adams

Arcs dans l'anneau Adams (de gauche à droite: Fraternité, Égalité, Liberté), ainsi que l'anneau Le Verrier à l'intérieur

L'anneau Adams extérieur, dont l'orbite a un rayon de 63 930 km, est l'anneau qui fut le plus étudié. Il doit son nom à John Couch Adams, qui put prédire la position de Neptune indépendamment des travaux de Le Verrier. Cet anneau est fin, légèrement excentrique et incliné, d'une largeur totale d'environ 35 km (de 15 km à 50 km), et son épaisseur optique normale est d'environ 0,011 ± 0,003 hors des arcs, ce qui correspond à une profondeur équivalente d'à peu près 0,4 km. L'anneau est composé de poussières à raison de 20% à 40% (moins que dans les autres anneaux fins). La petite lune Galatée, en orbite le long de la bordure intérieure de l'anneau Adams à 61 953 km, fait office de satellite berger et maintient les particules de l'anneau dans un petit intervalle orbital en suivant une résonance orbitale de 42:43. L'influence gravitationnelle de Galatée forme dans l'anneau Adams 42 perturbations radiales, dont l'amplitude est d'environ 30 km. Cela permit de calculer la masse de Galatée.

Arcs

Les arcs, qui sont les parties les plus brillantes de l'anneau Adams, furent les premiers éléments du système d'anneaux de Neptune à être découverts. Les arcs sont des régions distinctes au sein de l'anneau , où le cortège de matière est plus dense et forme des blocs sur l'anneau. L'anneau Adams contient cinq arcs courts, qui occupent une gamme de longitudes assez restreinte , sur 52°. En 1986, ils étaient situés respectivement à :

• 247-257° (Fraternité),
• 261-264 ° (Égalité 1),
• 265-266 ° (Égalité 2),
• 276-280 ° (Liberté),
• 284,5-285,5 ° (Courage).

L'arc le plus long et le plus clair était Fraternité ; le plus ténu était Courage. L'épaisseur optique des arcs mesurée se trouve dans une fourchette de 0,03 à 0,09 (0,034 ± 0,0005 pour la bordure antérieure de l'arc Liberté, mesurée lors d'une occultation d'étoile). Leur largeur radiale est approximativement la même que celle de l'anneau continu, soit environ 30 km. La profondeur équivalente des arcs varie entre 1,25 km et 2,15 km (0,77 + 0,13 km pour la bordure antérieure de l'arc Liberté). Les arcs sont composés de poussière à hauteur de 40% à 70%. Les arcs dans l'anneau Adams sont assez semblables à l'arc dans l'anneau G de Saturne.
Les images de Voyager 2 prise à la plus haute résolution révèlent que l’arc présente une répartition nettement "grumeleuse", où les amas observés sont généralement séparés par des interstices de 0,1 à 0,2°, ce qui équivaut à 100-200 km le long de l'anneau. Etant donné qu'il ne fut pas possible de ramener l'étude de ces amas à celle de leurs éléments plus petits, ils pourraient éventuellement contenir des corps assez grands, mais sont sûrement associés à des concentrations de poussières microscopiques, comme en témoigne leur luminosité accrue lorsqu'ils sont rétro-éclairés par le Soleil. Les arcs sont des structures assez stables. Ils furent détectés par des observations au sol lors d'occultations stellaires dans les années 1980, par Voyager 2 en 1989 et par le télescope spatial Hubble et des télescopes au sol, de 1997 à 2005. Toutefois, on put observer certains changements. La luminosité de l'ensemble des arcs a diminué depuis 1986. L'arc Courage a fait un bond en avant de 8 °, pour se situer à 294° de longitude (sans doute passant d'une position stable de résonance co-rotationnelle à la suivante), tandis que l'arc Liberté avait presque disparu en 2003. Les arcs Fraternité et Égalité (1 et 2) ont montré des variations irrégulières de luminosité. Leur dynamique observée est probablement liée à l'échange de poussière entre eux. Courage, arc très ténu qui fut découvert lors du survol de la planète par Voyager, est apparu d'une luminosité flamboyante en 1998, bien différente de l'aspect obscur habituel qu'on lui connaît de nouveau. Les observations en lumière visible montrent que la quantité totale de matière dans les arcs est restée à peu près constante, bien que ceux-ci soient maintenant plus sombres dans les longueurs d'onde infrarouges qui avaient déjà été observées auparavant.

Confinement des arcs

L'existence surprenante des arcs de l'anneau Adams n'a toujours pas reçu d'explication satisfaisante. La dynamique orbitale élémentaire permet de supposer qu'ils devraient se dissiper jusqu'à former un anneau uniforme en quelques années. Plusieurs théories furent proposées afin de rendre compte de cette tendance des arcs à perdurer. Celle ayant fait le plus d'écho soutient que c'est Galatée qui maintient les arcs dans leurs limites par résonance co-rotationnelle d'inclinaison^{terme exact ?} (RCI) de rapport 42:43. La résonance crée 84 sites stables le long de l’anneau, chacun occupant 4° de section d'orbite, les arcs occupant les sites adjacents. Néanmoins, les mesures du Mouvement moyen (en) des anneaux (i.e. de la vitesse angulaire moyenne sur l'orbite) grâce au télescope Hubble et à l'Observatoire W.M. Keck en 1998 permirent de conclure que les anneaux ne sont pas en RIC avec Galatée.

Un modèle ultérieur suggéra que le confinement des arcs était la conséquence d'une résonance co-rotationnelle d'excentricité^{terme exact ?} (RCE). Le modèle prend en compte la masse finie de l'anneau Adams, ce qui est requis pour rapprocher la résonance de l'anneau. Cette théorie motiva une estimation de la masse de l'anneau Adams —environ 0,2% de la masse de Galatée.

Une troisième théorie proposée en 1986 suppose qu'une lune supplémentaire est en orbite à l'intérieur de l'anneau, les arcs étant pris au piège dans les points de Lagrange stables de celle-ci. Cependant, les observations de Voyager 2 apportent des contraintes importantes sur la taille et la masse d'éventuelles lunes inconnues, ce qui fragilise une telle théorie.
D'autres théories plus complexes supposent qu'un certain nombre de petites lunes sont prises au piège dans des résonances co-rotationnelles avec Galatée, et assurent ainsi le confinement des arcs tout en leur apportant des poussières.