Depuis quelques années, des anneaux ont été découverts autour de petits corps du système solaire, comme les objets de type Centaure Chariklo et Chiron, ou des objets trans-neptuniens comme Hauméa et Quaoar. Contrairement aux planètes géantes, qui sont pratiquement axisymétriques, ces petits corps sont irréguliers, ce qui crée de fortes résonances de type spin-orbite entre l’objet central et ses anneaux. Plusieurs des anneaux découverts sont ainsi près de la résonance spin-orbite 1/3 avec le corps, dans laquelle ce dernier effectue trois rotations lorsqu’une particule des anneaux effectue une révolution orbitale.
Ce n’est pas la première fois que des résonances sont associées à la présence d’anneaux confinés. En fait plusieurs des anneaux de Saturne, Uranus et Neptune se trouvent confinés à des résonance d’ordre un de type m/m-1 avec un satellite, celui-ci effectuant m-1 révolutions lorsque la particule en effectue m. Ces résonances, dite de Lindblad, ont été étudiées dans les années 1960 dans le cadre de la dynamique galactique. Elles forcent l’apparition de bras spiraux dans le disque, et dans le cas des anneaux, elles peuvent conduire au confinement d’anneaux étroits.
A priori, l’effet d’une résonance d’ordre deux de type m/m+2 (donc 1/3 pour m=1) est destructif. En effet, contrairement aux résonances de Lindblad, la résonance 1/3 conduit au croisement des lignes de courant forcées par cette résonance, une situation hautement dangereuse pour un anneau collisionnel. C’est comme si l’on construisait des voies d’autoroute qui se croisent sans feux rouge ! Ceci est illustré dans la figure ci-contre, où l’on voit le corps central avec une anomalie de masse (petit cercle accolé au corps central), entouré à gauche par l’orbite périodique d’une particule en résonance spin-orbite 1/2 avec le corps central. Cette orbite ne se croise pas, contrairement à l’orbite périodique correspondant à la résonance 1/3 à droite, qui possède un point d’auto-croisement (point bleu).
Les auteurs de la publication ont utilisé des simulations N-corps, dans lesquelles des dizaines de milliers de particules avec des rayons de quelques dizaines de mètres entrent en collision inélastiques, tout en étant perturbées par un corps central irrégulier. Cette irrégularité est modélisée par une anomalie de masse décrivant par exemple une montagne ou un cratère à la surface de Chariklo, voir la figure ci-dessus. Cette anomalie de masse est quantifiée par un paramètre sans dimension µ, qui mesure sa masse par rapport à celle du corps central.
Après une phase d’excitation qui conduit à l’auto-croisement de la ligne de courant excitée par la résonance 1/3, un phénomène surprenant apparaît : l’anneau transfère l’énergie reçue vers des modes libres de Lindblad, supprimant ainsi l’auto-croisement des orbites. Plus surprenant encore, ces modes libres conduisent finalement au confinement radial de l’anneau.
Ce processus est illustré dans la figure ci-dessus. Elle résulte d’une simulation N-corps avec 40000 particules de rayon 25 mètres subissant des collisions inélastiques et perturbées par la résonance 1/3. Les positions des particules sont montrées dans un diagramme longitude-rayon, la ligne pointillée montrant le rayon de la résonance 1/3. Dans le cas de Chariklo, l’intervalle de rayon couvert ici (de 2.03 à 2.12) correspond à une distance radiale d’environ 18 km centrée sur le rayon orbital de la résonance vers le rayon 2.08, correspondant 400 km pour Chariklo. Le temps indiqué est en unité de période de rotation de Chariklo (environ 7 h), soit environ 130, 136 et 205 ans pour les panneaux de gauche, du centre et de droite, respectivement. On voit à gauche la ligne de courant forcée par la résonance 1/3, avec un auto-croisement, puis une période de transition dans le panneau du centre qui aboutit à droite à une anneau fortement confiné, qui évite maintenant tout auto-croisement. L’analyse de Fourier de cet anneau montre qu’il résulte de la superposition de modes libres de Lindblad.
En faisant varier l’anomalie de masse µ et le rayon des particules, et via des arguments dimensionnels, les auteurs montrent que l’anneau principal de Chariklo peut être confiné avec des anomalies de masse de l’ordre de µ≈10-3, en supposant des particules de taille de l’ordre du mètre. Cette valeur correspond à une montagne (ou un cratère) d’environ 10 km de haut (ou de profondeur) à la surface de Chariklo, ce qui est physiquement plausible pour un petit corps dont le diamètre est d’environ 250 km.
Cette animation montre le confinement d’un anneau autour de la résonance 1/3 avec Chariklo. Elle résulte d’une simulation N-corps avec 40000 particules de rayon 25 mètres subissant des collisions inélastiques et perturbées par la résonance 1/3 avec Chariklo, ce dernier effectuant trois rotations quand les particules parcourent une révolution orbitale. L’anse de l’anneau est montrée en perspective, la distance en abscisse (2 à 2.12) correspondant à environ 24 km. Le temps en années écoulé depuis le début de la simulation, est indiqué en bas à droite de l’image.
Ce mécanisme pourrait s’appliquer également aux anneaux de Hauméa et de Quaoar, sachant que ce dernier possède également un anneau qui est proche de la résonance 5/7 avec le corps central. Comme la résonance 1/3, elle est d’ordre deux, et a donc la même structure topologique, avec auto-croisements des orbites périodiques, et possiblement le même comportement que l’anneau de Chariklo.
Référence
L’article est publié sous le titre : "Rings around irregular bodies II. Numerical simulations of the 1/3 spin-orbit resonance confinement and applications to Chariklo" en date du 26 mars 2026, https://doi.org/10.1051/0004-6361/202556946.
Un autre article exposant l’aspect théorique des résonances par Sicardy, Salo, El Moutamid, Renner et Souami a été publié le 25 novembre 2025, https://doi.org/10.1051/0004-6361/202556950.
Cette recherche a été partiellement financée par le projet « Roche » de l’Agence Nationale de la Recherche ANR-23-CE49-0012. Elle est le fruit d’activités scientifiques menées en France, à l’Observatoire de Paris - PSL au Laboratoire Temps et Espace (Observatoire de Paris – PSL / CNRS / Sorbonne Université / Université de Lille) et à l’Université d’Oulu en Finlande.
Contacts
Bruno Sicardy, Professeur émérite des universités SU, LTE
+33 (0) 1 40 51 23 34
bruno.sicardy@observatoiredeparis.psl.eu
Heikki Salo, Space Physics & Astronomy Research unit, University of Oulu
90014 Oulu, Finland
Heikki.salo@oulu.fi
