Pendant des décennies, les astronomes ont pensé que seuls les planètes géantes possédaient des anneaux. Cette vision a changé en 2013, lorsqu'un petit corps sombre orbitant entre Saturne et Uranus est passé devant une étoile et a clignoté deux fois de chaque côté de l'événement principal, révélant deux anneaux étroits autour d'un objet mesurant à peine 250 kilomètres de diamètre. " C'était une surprise ", déclare Pablo Santos-Sanz, astronome à l'Instituto de Astrofísica de Andalucía à Grenade, en Espagne. Depuis lors, la question est de savoir de quoi sont faits ces anneaux et combien de temps ils peuvent durer.

Dans une étude récente, Santos-Sanz et ses collègues ont utilisé le télescope spatial James Webb pour observer le même corps, désormais connu sous le nom de Chariklo, passer à nouveau devant une étoile en arrière-plan. Ils ont constaté que l'un de ses anneaux était devenu plus dense et que l'autre avait presque disparu. Nous ne savons pas exactement pourquoi.

La technique derrière l'observation est simple. " Nous prévoyons quand un objet du Système solaire passe devant une étoile ", a expliqué M. Santos-Sanz. La lumière de l'étoile s'atténue pendant un moment, et la forme de cette baisse révèle la taille, la forme et l'environnement de l'objet qui l'a provoquée. " C'est particulièrement difficile pour les petits corps, et encore plus difficile pour les petits corps distants ", a-t-il souligné.

La difficulté réside dans le fait que la silhouette de la cible sur le ciel est minuscule, et savoir quand elle croisera une étoile particulière exige des données de positionnement très précises pour les deux. Pourtant, en 2013, nous avons utilisé des télescopes terrestres pour discerner les deux anneaux de Chariklo, C1R et C2R. Ceux-ci se trouvaient à 390 et 405 kilomètres de son centre, n'avaient que quelques kilomètres de large et étaient séparés d'environ 7 kilomètres.

Réaliser cette opération avec un télescope spatial rend cependant l'alignement nettement plus difficile. Le JWST se trouve au point de Lagrange L2, et les contrôleurs doivent corriger la trajectoire du télescope toutes les quelques semaines pour maintenir son orbite stable. " C'est une tâche assez délicate ", a déclaré Santos-Sanz.

Son équipe a identifié une occultation potentielle de Chariklo en août 2022 et a recalculé la prévision chaque semaine. Entre la première prévision et l'une des dernières, la ligne de visée projetée s'est déplacée d'environ 110 kilomètres, ce qui suffisait à l'écarter complètement du corps.

Malheureusement, le JWST exige que de telles observations soient planifiées au moins 14 jours à l'avance. " Nous l'avons fait un peu à l'aveugle, car nous ne savions pas exactement où se trouvait la ligne de visée ", a confié Santos-Sanz. " Je vais déplacer l'un des télescopes spatiaux les plus grands et les meilleurs, et nous ne savons pas si nous allons finalement l'attraper ou non. "

Mais tout s'est bien passé. L'occultation a eu lieu le 18 octobre 2022. La géométrie reconstituée montre que la ligne de visée du JWST vers l'étoile d'arrière-plan a frôlé la surface de Chariklo à 7,4 kilomètres au-dessus, manquant le corps mais capturant ses anneaux.

Le JWST a enregistré l'événement simultanément dans deux bandes du proche infrarouge, à 1,5 et 3,2 micromètres, ce qui constitue la première fois que quelqu'un capture les anneaux d'un petit corps dans une bande supérieure à trois micromètres, une plage que l'atmosphère terrestre rend inaccessible aux télescopes terrestres.

L'anneau interne est apparu sans ambiguïté, avec des bords abrupts et distincts, mais il était beaucoup plus sombre qu'auparavant. En faisant la moyenne d'environ 10 occultations terrestres précédentes, l'opacité normale de C1R (la fraction de lumière stellaire qu'il bloque) s'établissait à 0,303. Le JWST l'a mesurée à 0,431.

" Nous n'y croyions pas au début, alors nous avons beaucoup bataillé avec les données ", a déclaré Santos-Sanz. L'explication la plus simple était la géométrie. Les anneaux ne sont pas toujours uniformes, et le JWST a tout simplement pu traverser un amas plus dense.

Pour écarter ce scénario, l'équipe a construit un modèle d'anneau irrégulier et a exécuté 10 millions d'occultations simulées. La reproduction d'une opacité aussi élevée que celle enregistrée par le JWST s'est avérée avoir une chance sur 1 000 environ à 1,5 micromètre, et 4 sur 100 000 à 3,2 micromètres pour une seule mesure. Le télescope a capturé l'anneau deux fois, à l'entrée et à la sortie, ce qui a rendu les probabilités encore plus faibles.

Santos-Sanz a conclu que l'anneau interne s'était très probablement épaissi. En même temps, l'anneau externe a fait le contraire.

L'anneau C2R s'est à peine manifesté à 1,5 micromètre et n'est pas apparu du tout à 3,2 micromètres, alors même que le télescope enregistrait la même portion d'anneau dans les deux bandes au même instant. " Au début, nous ne voyions même pas l'anneau externe dans la courbe de lumière ", a déclaré Santos-Sanz. " Nous avons dû utiliser des modèles. Il était vraiment à peine visible, alors nous nous sommes dit : 'Que se passe-t-il ici ?' "

L'équipe a avancé deux explications possibles. La première est que le JWST, observant à des longueurs d'onde où presque aucune occultation n'a jamais été enregistrée, voit simplement des grains qui diffusent la lumière différemment dans l'infrarouge. L'autre est que les anneaux ont réellement changé physiquement.

Santos-Sanz soutient que les modèles de transfert radiatif penchent pour cette dernière hypothèse. Les anciennes observations en lumière visible étaient cohérentes avec un mélange de glace et de silicates, mais une fois les points de données du JWST ajoutés, aucune combinaison de matériaux et de tailles de grains ne pouvait expliquer ce que le télescope a vu.

" Nous sommes témoins d'une véritable évolution des anneaux au fil du temps ", a déclaré Santos-Sanz. " Bien sûr, ce n'est pas une certitude, mais pour moi c'est l'explication privilégiée. " De plus, cette évolution ne consistait très probablement pas simplement en un transfert de matière de l'anneau externe qui s'affaiblit vers l'anneau interne. Mesuré en largeur équivalente, l'anneau interne a gagné environ 10 fois plus que ce que l'anneau externe a perdu.

" Nous ne savons pas d'où vient la matière supplémentaire, mais il y a quelques hypothèses ", a déclaré Santos-Sanz.

L'explication principale, explique Santos-Sanz, est un petit satellite berger partageant l'orbite de l'anneau externe. Un tel objet expliquerait la stabilité des anneaux ainsi que leurs bords tranchants, et pourrait également libérer des débris qui réapprovisionnent C1R. " Ce satellite n'a pas encore été détecté, s'il existe ", a précisé Santos-Sanz.

Un modèle informatique basé sur les données du JWST donne également un indice sur la composition des deux anneaux. Santos-Sanz indique toutefois clairement que cette partie du travail n'est pas achevée. " Notre sentiment après ce modèle est que l'anneau interne devrait être composé de particules plus grosses que l'anneau externe. Nous pensons que l'anneau externe est plus poussiéreux ", a-t-il déclaré. " Mais c'est un travail en cours. Je ne peux pas affirmer avec certitude que ceci est poussiéreux et cela ne l'est pas. "

Le meilleur test, selon l'équipe, serait de capturer une autre occultation de Chariklo, cette fois en utilisant la lumière visible, ce qui permettrait de séparer un changement réel d'un effet lié à la longueur d'onde. " Nous recherchons de nouvelles occultations ", a déclaré Santos-Sanz.

Comprendre comment les anneaux autour des petits corps évoluent au fil du temps est important, explique-t-il, car Chariklo n'est pas le seul à en posséder. Des anneaux sont désormais connus autour d'un autre corps de la même catégorie que Chariklo, appelé Chiron, de la planète naine Haumea, et de l'objet transneptunien Quaoar. Les anneaux des planètes géantes changent déjà au fil des mois et des ans ; l'anneau D de Saturne a mesurablement rétréci, et les arcs d'Adams de Neptune se réorganisent.

Maintenant, les petits corps semblent faire de même. " Je pense que ce travail n'est qu'une pièce du puzzle ", a déclaré Santos-Sanz, " mais cela pourrait être un indice important pour des études plus vastes sur les anneaux autour des petits corps et des planètes géantes. " L'étude de Santos-Sanz est publiée dans Science Advances : https://doi.org/10.1126/sciadv.aeh4794