Dynamique des anneaux et des satellites planétaires : aplication aux arcs de Neptune et au système Prométhée-Pandore

Dynamics of planetary rings and satellites : application to Neptune's ring arcs and to the Prometheus-Pandora system

• Auteur / Autrice : Stéfan Renner
• Direction : Bruno Sicardy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des systèmes gravitationnels
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Observatoire de Paris (1667-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Laskar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Sicardy, Jacques Laskar, Jacques Henrard, Carl D. Murray, François Mignard, Alain Vienne, Richard G. French
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jacques Henrard, Carl D. Murray

Mots clés

Mots clés contrôlés

Saturne (planète)

Neptune (planète)

Orbites

Anneaux planétaires

Mécanique céleste

Résumé

Cette thèse porte tout d’abord sur la dynamique des satellites co-orbitaux. En généralisant le problème des points de Lagrange, des résultats sur l’existence de configurations stationnaires ont été obtenus. Pour N co-orbitaux de masses arbitraires et négligeables devant celle du corps central, l’existence de points d’équilibre dépend de la parité de N. Le cas N=3 est traité globalement, en donnant l’ensemble des solutions d’équilibre et leur stabilité. Pour N > 3, des méthodes numériques sont présentées. Ces résultats ont permis d’élaborer un modèle de confinement des arcs de Neptune compatible avec l’ensemble des observations : les arcs de Neptune compatible avec l’ensemble des observations : les arcs sont piégés entre des petits satellites co-orbitaux (de rayons inférieurs à 5 km) en équilibre stable dans l’anneau Adams. Dans un deuxième volet, la dynamique Prométhée et Pandore est examinée. Nous confirmons numériquement, en incluant les perturbations des satellites principaux de Saturne, le mouvement chaotique de Prométhée et Pandore. Les masses de deux satellites ont été déterminées par ajustement des simulations numériques aux données HST récentes, et correspondent à des masses volumiques moyennes de l’ordre de 0,5 g cm-3. Des éphémérides pour Prométhée et Pandore, durant la mission Cassini autour de Saturne, sont déduites de ces ajustements. Finalement, des simulations à long terme indiquent que Prométhée et Pandore transfèrent du moment cinétique aux satellites co-orbitaux Janus et Epiméthée, augmentant ainsi le temps de vie du système Prométhée-Pandore.

First, this thesis considers the dynamics of co-orbital satellites. The problem of the Lagragian points is extended to derive general results on the existence of stationary configurations. For N co-orbital satellites with small but otherwise arbitrary masses, the existence of equilibrium points depends on the parity of N. The case N=3 is treated completely, giving all the possible solutions and their stability. For N > 3, numerical methods are given. These results are applied to explain the confinement of Neptune’s ring arcs, with a model compatible with the entire set of observations : the arcs are trapped between small co-orbital satellites (with radii less than 5 km), which are in a stable stationary of configuration. Then the dynamics of Prometheus and Pandora is studied. Taking into account the perturbations by the major saturnian satellites, the chaotic motions of the two satellites are numerically confirmed. By fitting the numerical integrations to recent HST data, Prometheus and Pandora’s masses are derived. They are equivalent to mean densities of about 0,5 g cm-3. The fits allow to produce an ephemeris of the two satellites during the Cassini tour. Finally, performing long term integrations, a transfer of angular momentum from Prometheus and Pandora to the co-orbital satellites Janus and Epimetheus is detected, which could increase the lifetime of the Prometheus-Pandora system.