Mimas et Encelade : formation et structure interne par contraintes observationnelles des images iss de la sonde spatiale Cassini

Mimas and Enceladus : training and internal structure of the observational constraints iss pictures of the spacecraft Cassini

• Auteur / Autrice : Radwan Tajeddine
• Direction : Sébastien Charnoz, Valéry Lainey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites

Photogrammétrie

Astrométrie

Résumé

L'origine et l'évolution des satellites de Saturne est depuis quelques années très débattue. Longtemps on a pensé qu'ils s'étaient formés dans la sous nébuleuse de Saturne il y a 4. 5 milliards d'années, avant que n'apparaisse récemment un autre modèle dans la communauté formant les satellites de petite et moyenne taille à partir des anneaux. Au même moment, un autre résultat concernant le facteur de dissipation Q dans Saturne était présenté impliquant une expansion rapide des lunes à l'exception de Mimas, pour lequel une accélération séculaire (plutôt qu'une décélération) semblait être observée. Ouvrant un nouveau débat sur la dynamique dans le système de Saturne. Dans ce travail, nous avons utilisé les images NAC ISS de Cassini pour contraindre, par l'astrométrie et la photogrammétrie, la structure interne et l'origine des satellites Mimas et Encelade. Dans la première partie nous avons effectué la réduction astrométrique des images de ces deux satellites. Un modèle décrivant le comportement de la caméra NAC de Cassini, ainsi qu'une méthode de mesure du centre de figure du satellite ont été développés. Au total, 1790 images de ces deux satellites ont été réduites avec une précision sur les positions observées de quelques kilomètres par comparaison aux éphémérides SAT317 et SAT351. Ces observations ont ensuite été utilisées pour mesurer un décalage du centre de masse du satellite par rapport à son centre de figure. Cette mesure a été faite en comparant les positions mesurées (du centre de figure) du satellite à celles calculées par les éphémérides (de centre de masse) SAT317 et SAT351. Les mesures montrent un décalage du centre de masse de Mimas dirigé dans l'axe orienté vers Saturne, révélant une dissymétrie éventuelle dans son intérieur. Toutefois aucun décalage n'a été observé dans Encelade, suggérant qu'une relaxation isostasique a eu lieu dans ce satellite. Une carte topographique de 260 points choisis à la surface de Mimas a été construite dans la deuxième partie. Une reconstruction photogrammétrique a été appliquée utilisant les équations de colinéarité pour calculer les positions 3-D des points de contrôle, avec une incertitude moyenne de l'ordre de 580 mètres. La forme triaxiale de Mimas a été construite en utilisant ces points, confirmant que ce satellite n'est pas en équilibre hydrostatique. Le réseau de points de contrôle a également été utilisé pour mesurer indirectement les amplitudes des librations physiques en longitudes de Mimas, confirmant ainsi les valeurs calculées théoriquement, à l'exception de celle dépendant de la structure interne du satellite qui a une amplitude double à ce qui était attendu théoriquement, impliquant une valeur de (B-A)/C = 0. 085. Une analyse plus approfondie montre que le noyau de Mimas se serait formé dans les anneaux près de la limite de Roche pour s'être éloigné ensuite tout en gardant jusqu'à nos jours sa forme initiale et causant donc la forte amplitude de libration observée.

The origin and the evolution of Saturn's satellite are being debated. For a long time, it has been thought that they were formed in Saturn's sub-nebula 4. 5 billion years ago, when another model has recently appeared, forming the small and mid sized moons in the rings. At the same moment, another result concerning Saturn's dissipation factor Q appeared implying a fast expansion of the moons, except for Mimas, which is having a secular acceleration, starting a new debate about the Saturn's system dynamics. In this work, we used Cassini ISS NAC images to constrain, by astometry and photogrammetry, the internal structure and the origin of the satellites Mimas and Enceladus. In a first part, we performed astrometric reduction of these two satellites. A model describing Cassini NAC's behaviour and a method for the satellite's centre of figure measurement were developed. A total number of 1790 images of Mimas and Enceladus were reduced obtaining position precision of few kilometres, compared to JPL ephemerides SAT317 and SAT351. These observations were then used to measure a shift in the satellite's centre of mass to its centre of figure. These measurements were done comparing the observed positions (as a centre of figure) to the computed ones (as a centre of mass) by SAT317 and SAT351 ephemerides. The measurements show a shift in Mimas' centre of mass in the Saturn facing axis direction, revealing a possible asymmetry in its interior. However, no shift has been observed in Enceladus, suggesting the presence of isostatic relaxation in the satellite. A topographic map of 260 surface chosen points has been built in the second part. A photogrammetric reconstruction method has been applied using colinearity equations to compute 3-D positions of control points, with a mean uncertainty of about 580 metres. A tri-axial shape of Mimas was built with these points, confirming that this satellite is not in the state of hydrostatic equilibrium. The control point network was also used to measure indirectly the amplitudes of the longitudinal physical librations of Mimas, confirming all the computed theoretical values, except the internal structure depending one, which almost doubles the theoretically predicted amplitude, resulting in a value of (B-A)/C = 0. 085. A further analysis shows that Mimas' core was formed in the rings near the Roche limit and moved away keeping its initial shape until today causing the observed strong libration amplitude.