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Saturne Les anneaux L'étrangeté des anneaux de Saturne est entrevue par Galilée en 1610 lorsqu'il croît voir deux objets de part et d'autre de Saturne.
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La sonde Cassini a pris cette image lorsqu'elle se trouvait dans l'alignement Saturne - Terre. Cela permit une occultation des anneaux, dont la première eut lieu le 3 mai 2005. Trois signaux radio furent émis sur les fréquences de 0,94 - 3,6 et 13 cm (bande Ka, X, S), à travers les anneaux. Le changement observé de chaque signal permis d'obtenir un profil des anneaux en fonction de l'éloignement de Saturne et de leur profondeur. Cette image a été reconstituée à partir des profils optiques de profondeur mesurés. Elle montre la structure des anneaux avec une résolution d'environ 10 kilomètres. La couleur est utilisée pour représenter des informations sur des dimensions particulaires des anneaux dans les différentes zones, basées sur les effets des trois signaux par radio. La couleur pourpre indique des régions où il y a un manque de particules de moins de 5 centimètres. Les nuances vertes et bleues indiquent des régions où il y a des particules inférieures à 5 centimètres et 1 centimètre. La large bande blanche saturée près du milieu de l'anneau B est la région la plus dense de cet anneau, au-dessus duquel deux des trois signaux radio ont été bloqués à la résolution 10 kilomètre, empêchant une représentation en couleur précise au-dessus de cette bande. De plus nous remarquons une autre évidence dans ces observations radio, toutes les régions des anneaux semblent être peuplées par une large étendue de matière allant de la particule jusqu'au rocher dont plusieurs mesurent plusieurs mètres de diamètre.
Les chercheurs ne savent pas si ces anneaux sont issus d'un protosatellite "avorté" formé en même temps que Saturne et qui n'a pas pu se condenser à l'intérieur de la limite de Roche ou bien d'un corps capturé plus tard par Saturne et brisé au moment de son passage à l'intérieur de la limite de Roche. Même si les anneaux sont jeunes, ils présentent un grand intérêt pour la cosmogonie: leur dynamique est en effet en beaucoup de points analogue à la dynamique de la nébuleuse protoplanétaire et peut-être décrite par des équations semblables. L'hypothèse d'anneaux jeunes est cependant plus difficile à soutenir. En effet, la comparaison de la période de rotation de Saturne sur lui-même (10h34) et de la période de révolution d'un satellite en orbite à la limite de Roche (plus de 12h) montre que, de la même manière que pour le système Terre-Lune, un satellite s'éloigne lentement de la planète par effet de marée. Par ailleurs, un corps venu de l'infini serait brisé à l'intérieur de la limite de Roche et les morceaux repartiraient à l'infini; seule l'intervention d'un hypothétique troisième corps permettrait la capture.
La collision entre les particules en orbite autour d'une planète conduisent rapidement à l'aplatissement du système et à la formation d'un disque d'épaisseur finie dans le plan équatorial. En effet, ces collisions s'accompagnent d'une perte d'énergie et ont donc pour conséquence de placer les particules issues de ces collisions sur des orbites moyennes plus proches de la planète. Le système formé par l'ensemble des particules possède un axe de rotation moyen, les collisions qui ont lieu perpendiculairement à cet axe (c'est-à-dire dans le sens du mouvement) sont donc beaucoup moins violentes que les collisions qui ont lieu parallèlement à cet axe et le système s'aplatit beaucoup plus qu'il ne se contracte. A terme, l'ensemble de la matière se retrouve dans le plan équatorial où elle atteint un équilibre centrifuge: sa rotation compense les effets de la force de gravitation. Les chercheurs ont simulé des particules placées au hasard autour d'une planète. Ils ont constaté qu'elles se rassembleraient sous l'effet des collisions en quelques semaines seulement. La lumière solaire réfléchie par les anneaux révèle la présence de glace d'eau à - 180°C. On pense donc que les particules sont constituées de glace ou sont au moins recouvertes de givre. Dans les anneaux principaux, les blocs de glace caractéristiques ont une taille de l'ordre du centimètre à quelques dizaines de mètres. Les plus gros, bien que de très loin les moins nombreux, constituent la majeure partie de la masse des anneaux. Des flocons de neige, des grêlons, des boules de neige et des icebergs composent les anneaux principaux. Parfois les constituants ont la taille d'une maison. |
Nous observons que tous les anneaux se situent dans la banlieue immédiate de leurs planètes. Plus précisément, ils se situent à l'intérieur d'une zone dont le rayon est égale à 2,45 fois le rayon de la planète (voir le calcul). De petits satellites de moins de 150 km de diamètre peuvent y naviguer, mais jamais un satellite de taille supérieure.
Ensuite les collisions entre ses blocs plus ou moins gros, conduisent à un aplatissement du système et à la formation d'un disque fin ( < 1 km d'épaisseur pour Saturne) dans le plan équatorial de l'astre. Il ne faut que quelques dizaines d'années pour former un système d'anneau. Ces collisions s'accompagnent d'une perte d'énergie qui a pour conséquence de placer les blocs sur des orbites proches de l'astre. Le système ainsi formé a un axe de rotation moyen. Les collisions qui ont lieu perpendiculairement à cet axe sont moins violentes que celles qui se produisent parallèlement. Le système s'aplatit plus qu'il ne se contracte. Si une grande quantité de matériaux s'était trouvée proche des planètes telluriques, le même phénomène se serait produit. Les anneaux sont toujours plus près de la planète que ses satellites. Ils sont confinés à un endroit où les forces de marées les empêchent de se rassembler. Vers l'extérieur cette zone s'étend jusqu'à la limite de Roche.
Distances à partir du centre de Saturne dont le rayon est de 60 268 km au niveau de l'équateur. From Murray, C. D., and S. F. Dermott 1999. Solar System Dynamics, Cambridge University Press. |
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Ce n'est qu'en 1649 que Huygens comprit l'étrangeté du monde que Galilée avait découvert en 1610. Il déclara que Saturne était entouré d'un anneau fin qui ne le touche jamais et qu'il est incliné par rapport à l'écliptique. C'est en 1675 que Cassini observa la division qui porte son nom. En 1850, Bond en découvrit une autre. Mais il fallut attendre l'ère spatiale pour enfin découvrir le monde prodigieux des anneaux. Le pas est franchi avec la sonde Pioneer 11, qui grâce à une réaction de gravitation au voisinage de Jupiter, fut placée sur une orbite solaire visant Saturne. C'est le 1er septembre 1979 que l'engin aborda ce monde mystérieux en franchissant le plan des anneaux à 2 reprises (à 14h31 et à 18h33 TU), avant et après le passage à 21 400 km seulement sans autre dommage que 2 impacts signalés par les détecteurs de météorites, constitués en 234 microbouteilles d'acier aux parois épaisses de 25 µm dont le percement laisse échapper le mélange gazeux (azote-argon). C'était l'objectif initial de la mission: confirmer que la voie était libre entre Jupiter et les anneaux de Saturne pour optimiser le programme des sondes Voyager. 80 photos furent prises par Pioneer 11 entre le 20 août et le 7 septembre 1979. Après la découverte des ouragans dans l'atmosphère, ce sont les anneaux qui révélèrent leur complexité. Les scientifiques étaient loin du système triple ou quadruple de l'astronomie conventionnelle. Extérieurement à l'anneau A (largeur 14 479 km), apparaît sur les clichés à 110 500 km de la "surface" de Saturne, un anneau fin auquel est donné la lettre F (largeur 50 km). Pour en savoir plus, il faudra attendre les Voyager. Et là, c'est un festival. C'est le 22 novembre 1980 que Voyager 1 croise Saturne à 124 000 km et le 25 août 1981 Voyager 2 passe à 101 000 km, recueillant des images qui vont bouleversées la perception qu'en avaient les astronomes. La résolution est multipliée par 4 000. Les astronomes ont eu beaucoup de mal a rattaché les anciennes images à leur structure fine. Au-delà de l'anneau F, ont été découvert un anneau G et un impressionnant anneau E, large de 302 000 km. Cassini a traversé les anneaux F et G le 1 juillet 2004. Tous ces anneaux sont faits de milliers d'annelets. La formation a été étudié par réflexion lorsque les sondes étaient en approche et par transparence dans la phase d'éloignement, les anneaux se sont interposés devant le Soleil. Un pouvoir résolvant maximal fut obtenu en mesurant la luminosité d'une étoile du scorpion lorsque les anneaux défilent devant elle. Ainsi la structure fine apparaît infiniment plus subtil que ce que les astronomes le pensaient. Aujourd'hui, la sonde Cassini en orbite depuis juillet 2004, va nous apporter chaque jour de nouvelles informations. Combien de temps durera la mission ? Au minimum 5 ans.
Les scientifique ont trouvé que le satellite Mimas confine la limite externe de l'anneau B et Encelade alimente probablement l'anneau E en particules. L'ensemble des anneaux principaux s'étend en deça de la limite de Roche. A l'intérieur de celle-ci, un gros satellite serait disloqué. Avec un diamètre extérieur de 600 000 km, son épaisseur de quelques centaines de mètres à quelques kilomètres par endroits, le fait ressembler à une feuille de papier à cigarette. Quant à ses anneaux successifs, ils font penser à un disque microsillons. Dans chaque anneau il faut voir une collection de blocs de glace qui constituent autour de Saturne autant de satellites autonomes, la taille de ces blocs étant métrique à son voisinage millimétrique à grande distance. Des ondes de densité sont visibles sur cette image.
La question qui vient très tôt à l'esprit des chercheurs dés qu'ils eurent connaissance des anneaux: comment cela tient-il en équilibre ? L'électromagnétisme est soupçonné de jouer un rôle dont témoignent des raies sombres aperçues çà et là, courant le long des anneaux. Mais c'est à la gravitation que la formation doit sa structure, avec d'abord le rôle joué par des satellites bergers.
Cette image en fausses couleurs met en évidence deux vagues de densité dans l'anneau A de Saturne. Elle a été faite à partir d'une occultation stellaire observée par le spectrographe imageur ultra-violet de Cassini (Ultraviolet Imaging Spectrograph ou UVIS), alors que le vaisseau spatial était à 6,75 millions de kilomètres de Saturne et à 1,5 milliards de km de la Terre. Les zones brillantes indiquent des régions plus denses dans les anneaux. Les bandes brillantes dans la partie gauche de l'image sont des crêtes d'ondes de densité provoquées par l'agitation gravitationnelle des anneaux par le satellite de Saturne, Janus. A droite des ondes de densité plus petites sont produites par le satellite Pandora. UVIS a observé la brillance de l'étoile x Ceti à travers les anneaux, fournissant des informations sur la structure et la dynamique des particules et le battement de la lumière de l'étoile est converti en densité de l'anneau représentée par l'image. Le système des anneaux de Saturne est comparé à un disque de phonographe gigantesque, avec la planète dans le milieu et les anneaux s'étirant à l'extérieur sur plus de 64.000 kilomètres. La taille des particules varie des particules de poussière aux montagnes avec pour la plupart s'étendant des billes aux blocs rocheux et de glace. Les observations de Cassini montrent des variations spectaculaires du nombre d'annelets, constitués de particules, à des distances très courtes. Les particules dans différents annelets sont étroitement regroupées, avec de la matière chutant soudainement de bords très francs. Les bords nets des annelets sont particulièrement mis en évidence dans l'anneau C et dans la Division Cassini, de chaque côté du brillant anneau B, le plus grand anneau de Saturne. Les observations de Cassini avec UVIS prouvent que la distance entre la présence et l'absence de matière en orbite entre certains bords des annelets peut être d'environ 50 mètres, soit la taille d'un "long courrier". Les bords francs illustrent la dynamique qui contraint le processus de concentration des annelets contre leur tendance naturelle à se disperser dans l'espace. La Nature abhorre le vide, aussi c'est la gravité probable d'un petit satellite voisin et les collisions permanentes de météorites qui confinent les particules dans l'anneau. UVIS, en utilisant l'occultation stellaire, montre également des vues à très haute résolution de plusieurs vagues de densité évidentes dans les anneaux, y compris ceux non étudiés précédemment. Les vagues de densité sont comme des ondulations de structures dans les anneaux provoquées par l'influence des satellites de Saturne et dans ce cas-ci, Janus. La gravitation des petits satellites près des annelets perturbent les particules. A certains endroits, connus pour des phénomènes de résonances, l'orbite d'un satellite particulier correspond à l'orbite de certains annelets, ce qui accroît le processus d'agitation. Les ondes de densité ressemblent étroitement à une spirale hermétique, tout comme le sillon d'un disque de phonographe, qui se propagent lentement la résonance du satellite perturbateur. Ceci peut créer une vague dans les annelets qui ressemble à une ondulation dans un étang. Les formes des crêtes et des creux des ondulations aident les scientifiques à comprendre si les particules des anneaux sont dures et groupées comme une balle de golf ou molles et moins liées comme une boule de neige. Lors de la mission Voyager 2 en 1981, l'analyse des ondes de densité a permis de déterminer la masse et l'épaisseur des anneaux.
Si deux satellites encadrent un anneau, ils tendront en effet à confiner sa matière au point de rendre ses bords tranchants, l'attraction universelle prenant l'allure d'une répulsion apparente. Une telle fonction est bien mise en évidence avec le rôle joué par les satellites Pandore (84 km) et Prométhée (102 km) de part et l'autre de l'anneau F, curieusement torsadé de leur fait.
Cette mosaïque de 15 images vues par Cassini, montre comment le satellite Prométhée crée des perturbations dans l'anneau F lorsqu'il s'approche et recule de lui. Les images individuelles ont été traitées pour mettre l'anneau en valeur. La zone fait 147 000 km de long, soit 60° de longitude. La largeur est de 1 500 km. |
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Chaque ondulation sombre est nettement visible sur plus de 1 000 kilomètres de l'anneau et est provoquée par l'effet gravitationnel de Prométhée (102 km), bien que le satellite n'empiète pas sur l'anneau F. Les ondulations présentes différentes inclinaisons car les particules de l'anneau plus proches de Prométhée (surexposé, étiré et visible en bas et à droite de l'image) se déplacent plus lentement, par rapport au satellite, que celles les plus éloignées. Cela provoque à la longue, la déchirure des ondulations, leurs inclinaisons, devenant plus importantes, donnent une impression visuelle d'une draperie de matière. Les ondulations à droite sont les plus jeunes et ont une inclinaison proche de la verticale tandis que ceux de gauche sont les plus âgés et sont presque horizontaux. Ce phénomène n'a été détecté dans aucun autre système d'anneaux planétaires, mais les simulations sur ordinateur montrent que la perturbation est provoquée par une simple interaction gravitationnelle. L'orbite bizarre de Prométhée se déplace graduellement de sorte que le satellite se rapproche de son approche la plus serrée de l'anneau F. Cet anneau tourne autour de Saturne à la vitesse 16 km/s effectuant sa révolution en 14h51. Pandore et Prométhée se déplacent aux vitesses respectives de 16,59 et 16,435 km/s, exerçant un effet répulsif sur chaque partie de l'anneau, toutes les 14h20 pour le premier et 15h03 pour le second. Tous les 24h Pandore double Prométhée, le tassement de l'anneau F s'accompagnant de sa déformation. Les chercheurs ont calculé que les perturbations de l'anneau F passeront par un maximum en décembre 2009 lorsque le satellite Prométhée entrera en collision avec l'anneau. Il est très probable alors que de nouvelles spirales soient formées, que les astrophysiciens verront évoluer en direct grâce à la sonde Cassini. |
Les bords de la division de Keeler présentent des
similitudes avec les bords crantés de la La sonde Cassini a confirmé des soupçons antérieurs sur un satellite invisible caché dans une division à l'extérieur de l'anneau A. Cette image montre ce nouveau satellite, baptisé S/2005 S1 et les ondes gravitationnelles qui lui sont associées, dans la division Keeler. Le satellite était vu, pour la première fois, dans une séquence filmée le 1 mai 2005, par Cassini. La division Keeler s'étend sur environ 250 kilomètres à partir du bord externe de l'anneau de A, qui est également le bord externe des anneaux. L'orbite de ce nouveau satellite se trouve à 136 505 km du centre de Saturne. Plusieurs observations seront nécessaires pour déterminer si son orbite est régulière ou excentrique. S/2005 S1 est le second satellite connu qui existe à l'intérieur des anneaux. L'autre, c'est Pan (25 km) qui orbite dans la division Encke. Atlas et d'autres satellites se trouvent à l'extérieur du principal système d'anneaux et 2 satellites bergers de part et d'autre de l'anneau F: Prométhée et Pandore. Les scientifiques du traitement d' image avaient prévu la présence de la nouvelle lune et sa distance orbitale après avoir aperçu quelques mois auparavant un ensemble de fines structures ondulantes dans le bord externe de la division de Keeler. La similitude avec l'anneau F et la division Encke ont conduit les chercheurs à conclure qu'un petit corps était enfoui au centre de la division Keeler, attendant sa découverte. L'évaluation de sa masse avec une mesure de sa taille délivrent une information sur sa composition physique. Par exemple S/2005 S1 pourrait être poreux comme un tas de gravats gelés. D'autres satellites proches du bord extérieur des anneaux comme Atlas, Prométhée et Pandore sont aussi poreux. Selon qu'un satellite est dense ou poreux cela signifie quelque chose sur la façon dont il a été formé ainsi que sur l'histoire de sa collision. Certains systèmes dynamiques éclairent notre façon de comprendre le comportement d'un satellite dans une division. Comment s'est-elle formée et quel rôle ont-ils ? En étudiant la manière dont ce corps interagit avec la matière de l'anneau, les scientifiques peuvent comprendre la façon dont les planètes de notre Système solaire se sont formées. Ils pensent que plusieurs lacunes ont des satellites cachés.
Dans un communiqué de presse en date du 28 nov 2005, l'INSU nous informe que l'anneau F serait en fait un anneau spiral. Il est situé à 140 000 km de la planète et est composé d'un anneau central brillant, appelé le « cœur » et de petits anneaux concentriques, appelés « filaments ». A l'aide d'images de Cassini, les astrophysiciens ont découvert que les filaments sont en réalité une unique structure, en forme de spirale, s'enroulant au moins 3 fois sur elle-même. Si plusieurs autres planètes du système solaire possèdent des anneaux (Uranus, Neptune et Jupiter), cet anneau en spirale de Saturne est une nouvelle catégorie d'anneaux, sans équivalent connu. Comment la spirale s'est-elle formée ? Par quel mécanisme ? Les astrophysiciens pensent qu'une collision entre le cœur de l'anneau F et une petite lune qui serait en formation dans l'anneau pourrait en être la cause. Cette petite lune, en traversant le cœur de l'anneau disperse dans l'espace les particules qui le composent. Elles s'étaleraient ensuite en cercle autour de Saturne et, conséquence de la dynamique orbitale, s'enrouleraient naturellement en spirale. Ce scénario a été confirmé à l'aide de simulations sur ordinateur. Plusieurs lunes, observées par Cassini au voisinage de l'anneau F pourraient être à l'origine de cette collision sans que l'on ai encore déterminé précisément laquelle. En raison de la proximité avec la planète et de l'influence des forces de gravité, la taille des lunes en formation ne dépasse pas 1 ou 2 km de diamètre. Elles sont ensuite détruites sous l'influence de cette même gravité. L'anneau est ainsi un lieu de perpétuelle formation et de destruction de petites lunes. Ces observations confirment les calculs de modèles théoriques qui prédisent depuis longtemps la formation de petites lunes dans cet anneau si particulier. Les astrophysiciens pensent que ces petites lunes sont jeunes, quelques années au plus, et se sont formées par accrétion de la matière de l'anneau. A titre de comparaison, les 9 planètes du système solaire et leurs 160 satellites se sont formées il y a 4,5 milliards d'année. Ainsi l'anneau F de Saturne constitue probablement une véritable « nursery » contemporaine de corps céleste qui peut permettre aux astrophysiciens de mieux comprendre les mécanismes de formation des corps célestes de notre système solaire. En 2009 le satellite Prométhée rentrera en collision avec l'anneau F. Il est très probable alors que de nouvelles spirales soient formées, que les astrophysiciens verront évoluer en direct grâce à la sonde Cassini. Source
originale: http://www.insu.cnrs.fr/web/article/art.php?art=1624 |
D'autres structures comme des rayons d'une roue autour du moyen et des ondulations sont mystérieuses. Certaines d'entre elles peuvent être le signe que des roches plongent par le système d'anneau. Ces formations découvertes par Voyager 1 ont été baptisées "spokes" par les américains, ce qui signifie structure radiale. Elles ont une taille importante puisque leur longueur dépasse les 20 000 km. Ces structures apparaissent sombres quand on les observe par réflexion, mais elles sont brillantes lorsque la lumière solaire les traverse. Cela signifierait qu'elles sont formées de particules de dimensions comparables à la longueur d'onde de la lumière incidente (de l'ordre du µm) qui ne réfléchissent que très difficilement la lumière. Ces marques sont éphémères. Elles apparaissent en quelques minutes et disparaissent dans la journée. Elles sont repérables dans l'anneau B au niveau de l'orbite géostationnaire (à 52 250 km de la "surface", les lois de la mécanique imposant à un satellite de parcourir son orbite en 14h42, période de rotation de la planète). Il est possible un couplage avec Saturne soit à l'origine d'orages magnétiques déplaçant des particules légères. Finalement ces structures radiales seraient des boursouflures au-dessus et au-dessous du plan des anneaux et elles apparaissent et disparaissent sans cesse. On constate que les "spokes" s'étendent jusqu'à une distance où leurs vitesses orbitales sont synchrones avec la vitesse de rotation de la planète. Cela implique que les vitesses des particules sont égales à celle du champ magnétique de Saturne en rotation. Ainsi, la présence de ces structures radiales a été mise en relation avec un secteur actif du champ, associé aux aurores et aux sursauts radio de Saturne. Cela permet de penser qu'il s'agit d'une manifestation de l'activité électromagnétique. Selon une hypothèse, les particules de ces structures acquièrent une charge électrique, peut-être à la faveur de collisions avec des électrons énergétiques. Puis, les forces électromagnétiques font léviter les particules au-dessus de l'anneau et les structures radiales sont balayés autour de Saturne par son champ magnétique en rotation. |
Voilà déjà plus d'un siècle que les scientifiques savent que cette structure est due aux perturbations produites par les satellites. Elles correspondent à des zones où la période de rotation serait dans un rapport simple avec celle des satellites les plus proches. Ainsi la division de Cassini semble coïncider avec la période ½ de Mimas, ¼ de Téthys et 1/3 d'Encelade. Le fait que la période de Mimas concorde avec le rebord interne de la division Cassini au lieu du centre est la conséquence de l'action du satellite Janus. Le périmètre extérieur des anneaux se trouve à l'intérieur de la limite de Roche. Il s'agit de nombreux petits satellites tournant indépendamment les uns des autres selon les lois de Kepler. Chaque élément à son orbite et sa vitesse propre, cette dernière étant plus grande que l'on se trouve plus près de la planète. La durée moyenne de rotation est de 10h32mn. C'est une valeur très proche de celle d'un satellite qui tournerait sur une orbite géostationnaire.
Les anneaux sont inclinés d'environ 27° sur l'écliptique. Compte tenu de l'inclinaison de l'axe de rotation de Saturne, les anneaux vus de la Terre se présentent sous un aspect variable. Lors des solstices leur développement paraît maximal, mais à mesure que Saturne se rapproche des équinoxes, leur plan tend à passer par la Terre, les anneaux prenant l'aspect d'un trait pratiquement invisible. C'est toutefois par rapport au Soleil que s'effectue le mouvement de Saturne et en raison du déplacement de la Terre dans sa course autour du Soleil. Ainsi nous enregistrons plusieurs disparitions entrecoupées de légères réapparitions. Tous les 14,5 ans, les anneaux disparaissent et se présentent inclinés au maximum au milieu de cette période. Lorsque le Soleil se trouve aligné avec la Terre et Saturne, l'anneau atteint son éclat maximal car, pour un observateur terrestre, chaque particule cache sa propre ombre, dans les autres cas, la brillance est moins importante car les particules projettent leurs ombres les unes sur les autres.
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Les corps se déforment d'une manière plus ou moins élastique selon leur composition.
Lorsqu'un objet se trouve proche d'un astre, l'attraction différentielle ou force de marée entre l'astre et chaque point de l'objet
considéré, brise le corps de grosse taille ou empêche sa formation. Chaque point n'est
pas situé exactement à la même distance que les autres points constituant cet objet.
Chaque point subit donc de la part de l'astre, une force d'attraction légèrement
différente de celle subit par ses voisins. Il en résulte une force qui tend à casser
l'objet en mille morceaux à une certaine distance, la limite
de Roche.
