Dates clés :

1979 : La sonde Pioneer 11 survole Saturne.

1981 : Voyager 1 atteint la planète géante.

1982 : Voyager 2 arrive à son tour dans ses parages.

1997 : Lancement de la sonde Cassini-Huygens.

2004 : Cassini-Huygens atteint le système saturnien.

2017 : Fin de la mission Cassini-Huygens.

Pioneer 11, en éclaireur

L'histoire de l'exploration spatiale de Saturne commence par une rencontre brève et audacieuse, un survol lancé à travers le Système solaire extérieur comme on jette une sonde dans l'inconnu. Le 1^er septembre 1979, Pioneer 11, une petite sonde de 260 kilogrammes lancée six ans plus tôt, franchit le plan des anneaux à une distance de seulement 21 000 kilomètres de la couche nuageuse supérieure de la planète. C'est la première fois qu'un objet fabriqué par l'humanité pénètre le royaume de Saturne. 

La sonde, protégée par son antenne parabolique utilisée comme bouclier contre les micrométéorites, traverse le plan des anneaux en un point que les astronomes ont soigneusement choisi, là où les particules sont supposées assez rares pour ne pas la détruire. Elle survit. Pendant ces heures fiévreuses, ses instruments rudimentaires mais robustes enregistrent une moisson de premières : la température de la planète, la structure du champ magnétique, et surtout, la confirmation que l'anneau E, un disque diffus soupçonné depuis la Terre, existe bel et bien. Pioneer 11 découvre aussi l'anneau F, une structure étroite et ténue à la limite extérieure du système principal, dont personne ne soupçonnait l'existence.

La sonde photographie la planète en basse résolution, révélant des bandes nuageuses parallèles, et mesure un champ magnétique saturnien plus faible que celui de Jupiter, mais parfaitement aligné avec l'axe de rotation, une curiosité qui intrigue les théoriciens. Puis Pioneer 11 s'éloigne, laissant derrière elle un système dont elle n'a fait qu'esquisser l'exploration, mais dont elle a confirmé qu'il mérite une expédition bien plus ambitieuse. Ce sera le programme Voyager.

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Les anneaux vus par Pioneer 11.
(Source : Nasa / JPL).

• Voyager 1 a été lancée le 5 septembre 1977 à destination de Jupiter et Saturne. Elle atteint les parages de Jupiter 5 mars 1979, puis elle s'approche à 64 000 kilomètres de Saturne le 12 novembre 1980.  Elle plonge dans le système avec une trajectoire qui privilégie l'étude de Titan, le satellite le plus prometteur. La sonde effleure le gros satellite, passant à moins de 7000 kilomètres de sa surface orangée. Les caméras et les spectromètres enregistrent un disque entièrement voilé par une brume épaisse. Aucune surface n'est visible. Mais les instruments détectent une atmosphère d'azote, dense, plus épaisse que celle de la Terre, avec du méthane, de l'éthane, et une chimie organique complexe qui évoque une Terre primitive plongée dans un congélateur cosmique. La déception de ne pas voir la surface est largement compensée par la révélation d'un monde météorologique actif et d'un laboratoire de chimie prébiotique. Voyager 1, après ce survol rapproché, est déviée vers le nord, hors du plan de l'écliptique, et quitte le système.

Gros plan sur l'atmosphère Saturnienne par Voyager 2.
(Source : Nasa / JPL).

• Voyager 2  a été lancée 16 jours avant Voyager 1, le 20 août 1977, à destination des quatre planètes géantes. Placée sur une trajectoire moins rapide, elle est parvenue à proximité de Jupiter quatre mois après sa jumelle, le 9 juillet 1979, puis elle est passée à quelque 41 000 kilomètres de Saturne le 26 août 1981.  Sa trajectoire est différente. Elle est conçue pour maximiser l'étude des anneaux, des satellites glacés et de la magnétosphère. Les caméras, plus sensibles et mieux programmées après les leçons de Voyager 1, révèlent une richesse de détails qui sidère les équipes au Jet Propulsion Laboratory. Les anneaux se décomposent en milliers d'annelets, des lacunes se révèlent, des ondes de densité spiralées apparaissent comme des sillons sur un disque vinyle cosmique. Les satellites bergers prédits par la théorie sont enfin photographiés. Prométhée et Pandora, deux petites lunes irrégulières, encadrent l'anneau F et le sculptent par leur champ gravitationnel. La division de Encke dans l'anneau A montre en son centre un petit satellite, Pan, qui nettoie la lacune par sa seule présence gravitationnelle. Les caméras de Voyager 2 photographient les surfaces des lunes découvertes depuis la Terre depuis des siècles, et elles se révèlent être des mondes d'une diversité à couper le souffle. Mimas exhibe un cratère d'impact si vaste, nommé Herschel, que la lune semble avoir frôlé la dislocation. Téthys porte une vallée immense, Ithaca Chasma, qui court sur les trois quarts de sa circonférence. Japet confirme l'intuition de Cassini : son hémisphère avant est couvert d'un matériau sombre, tandis que l'hémisphère arrière brille d'une glace éclatante. Hypérion, photographié de loin, montre une forme chaotique. Encelade, en revanche, intrigue : sa surface est d'une blancheur éclatante, criblée de cratères par endroits, mais étrangement lisse ailleurs, suggérant un renouvellement récent. Les survols, toutefois, sont trop rapides pour comprendre la nature de cette activité. Voyager 2 poursuit ensuite sa route vers Uranus, laissant Saturne transformée en un système complexe, dynamique, habité par des lunes actives et un anneau aux structures d'une finesse inouïe.

Les modules Cassini et (à droite) Huygens.
(Source : Esa, Copyright : David Ducros).

Dès les premières orbites, Cassini dirige ses instruments vers les anneaux de Saturne. La résolution des images est sans commune mesure avec celle de Voyager. Les ondes de densité, les divisions, les annelets se révèlent avec une précision de quelques mètres. La sonde mesure la température des particules, découvrant que la face non éclairée des anneaux est plus froide que la face éclairée, ce qui indique une structure fragmentée en blocs de glace de quelques centimètres à quelques mètres. Le spectromètre infrarouge et l'analyseur de poussière détectent un disque de vapeur d'eau et de produits oxygénés autour des anneaux, preuve que la glace se sublime et se redépose constamment. L'expérience de radio-occultation sonde la structure verticale des anneaux, confirmant que leur épaisseur ne dépasse pas quelques dizaines de mètres, comme l'avait prédit Öpik soixante ans plus tôt. Des lunes minuscules, jamais vues, sont découvertes dans les lacunes. Daphnis, dans la division de Keeler, crée des vagues verticales de plusieurs centaines de mètres de haut en perturbant les particules sur son passage. Les hélices, des structures en forme de pales découvertes dans l'anneau A, trahissent la présence de lunes de quelques centaines de mètres qui ne parviennent pas à nettoyer complètement leur sillage, formant des motifs tourbillonnaires.

L'étude de Saturne elle-même par Cassini transforme la vision de la planète géante. Les caméras et les spectromètres surveillent l'atmosphère pendant plus d'une saison saturnienne complète, soit près de trente années terrestres. Une immense tempête, la Grande Tache Blanche, éclate en décembre 2010 dans l'hémisphère nord. Cassini assiste à sa naissance, à sa croissance fulgurante, puis à son enroulement autour de la planète en une bande turbulente qui fait le tour complet du globe. Les instruments mesurent des éclairs, des orages d'une violence inouïe, et détectent la signature de la vapeur d'eau remontant des profondeurs. Le radiomètre et le spectromètre infrarouge sondent la structure thermique verticale et révèlent une onde hexagonale stable entourant le pôle nord, une structure géométrique persistante dont la dynamique est modélisée comme un courant-jet confiné par les gradients de vitesse. Le champ magnétique, mesuré avec une précision extrême par le magnétomètre, confirme un alignement presque parfait avec l'axe de rotation, posant une énigme aux théoriciens des dynamos planétaires. La sonde détecte aussi un courant électrique circulant entre la planète et les anneaux, une connexion électromagnétique insoupçonnée.

Titan constitue un chapitre à part entière. Le module Huygens, largué le 25 décembre 2004, pénètre dans l'atmosphère de Titan le 14 janvier 2005. Pendant sa descente de deux heures et demie sous un parachute, il mesure la température, la pression, la composition chimique, et prend des images panoramiques. Il se pose sur une surface molle, un mélange de glace d'eau et de sédiments organiques gorgés de méthane liquide. Huygens révèle un paysage de collines, de lits de rivières asséchés, de canaux de drainage, un monde où le méthane joue le rôle de l'eau, avec un cycle hydrologique complet. Cassini, pendant ses centaines de survols, cartographie Titan par radar, perçant l'opacité de la brume. Des lacs et des mers d'hydrocarbures liquides apparaissent dans les régions polaires, principalement composés d'éthane et de méthane. Des dunes équatoriales de sable organique s'étendent sur des milliers de kilomètres. Des montagnes de glace d'eau, dure comme la roche à ces températures, se dressent. Des volcans de glace, ou cryovolcans, sont soupçonnés. Titan se révèle comme une Terre exotique, un monde où la chimie organique est reine, et où les processus géologiques sont d'une familiarité troublante.

La plus grande surprise de la mission Cassini vient d'Encelade. Dès 2005, les caméras détectent des jets de particules glacées s'élevant du pôle sud de la petite lune. Cassini est reprogrammée d'urgence pour survoler Encelade à très basse altitude. En plongeant à travers les panaches, les analyseurs de poussière et les spectromètres de masse détectent de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone, du méthane, de l'ammoniac, et surtout des sels de sodium. La composition est celle d'un océan d'eau salée sous la croûte de glace, en contact direct avec un noyau rocheux. Les jets proviennent de fractures profondes, les rayures de tigre, qui balafrent le pôle sud. L'océan d'Encelade, chauffé par les forces de marée, remplit toutes les conditions d'habitabilité : eau liquide, éléments chimiques essentiels, source d'énergie hydrothermale probable. Encelade devient une cible prioritaire pour les estudes astrobiologiques dans le Système solaire.

Les autres lunes glacées ne sont pas en reste. Dioné montre des falaises de glace et des traces d'une activité tectonique passée. Rhéa exhibe une surface saturée de cratères, mais Cassini détecte autour d'elle un faible disque de poussière et d'oxygène, vestige d'une érosion spatiale. Japet livre enfin le secret de sa dichotomie : le matériau sombre est de la poussière provenant de Phoebé, le satellite irrégulier lointain, qui tombe en spirale vers la planète et se dépose préférentiellement sur l'hémisphère avant de Japet. La chaleur solaire provoque la sublimation de la glace sur ces zones assombries, concentrant encore le matériau sombre en un effet boule de neige. Hypérion, photographié en haute résolution, ressemble à une éponge de glace, criblée de cratères aux bords acérés, avec une porosité de plus de quarante pour cent. Mimas, malgré son air de faux calme, montre des indices de chauffage interne insuffisants pour effacer les cicatrices anciennes.

La magnétosphère de Saturne, immense bulle magnétique qui englobe la planète, les anneaux et les satellites intérieurs, est cartographiée par Cassini pendant treize ans. Le plasma, composé principalement de produits ionisés provenant d'Encelade et de Titan, interagit avec le vent solaire, créant des aurores polaires sur Saturne. La rotation du champ magnétique, mesurée par les émissions radio, varie de quelques minutes selon les époques, un mystère qui reste non résolu. La sonde détecte des courants électriques entre la planète et l'anneau D, le plus interne, et observe une pluie de particules chargées tombant dans l'atmosphère.

La mission Cassini s'achève par un acte délibéré de destruction contrôlée. Afin d'éviter toute contamination biologique d'Encelade ou de Titan par des microbes terrestres potentiellement présents sur la sonde, les contrôleurs de mission conçoivent une trajectoire finale audacieuse, le Grand Final. À partir d'avril 2017, Cassini plonge vingt-deux fois dans l'espace étroit entre la planète et les anneaux, une région jamais traversée auparavant. Ces orbites rasantes permettent de mesurer le champ gravitationnel des anneaux, d'en déduire leur masse totale, et de sonder in situ la poussière et le plasma. Les données révèlent que les anneaux sont plus jeunes que la planète, peut-être seulement cent à deux cents millions d'années, et qu'ils sont en train de disparaître lentement, aspirés par la planète sous forme de pluie de particules. Le 15 septembre 2017, Cassini, en panne de carburant, plonge dans l'atmosphère de Saturne. Ses propulseurs luttent pour maintenir l'antenne pointée vers la Terre jusqu'au dernier instant, transmettant des données sur la composition atmosphérique. Puis le signal se perd. La sonde se désintègre, fond, se vaporise.

Aucune sonde n'a depuis repris le chemin de Saturne. Le système saturnien, désormais connu comme un monde d'anneaux dynamiques et jeunes, de lunes-océans potentiellement habitables, d'une planète gazeuse agitée de tempêtes cyclopéennes et d'une magnétosphère complexe, attend la prochaine visite. La mission Dragonfly, un drone nucléaire destiné à voler dans l'atmosphère de Titan, est en cours de développement, avec un lancement prévu pour 2027 et une arrivée en 2034. D'autres projets, comme un orbiteur d'Encelade ou un retour d'échantillons des panaches, sont à l'étude.